土卫二通过撞击-滑移运动溢出内脏

在椭圆轨道上，卫星土卫二被土星的引力不均匀地挤压，从球形变形为足球形，然后再变回。这种循环应力在土卫二内部造成一种称为“潮汐加热”的现象，并耗散足够的能量来维持月球冰冷地壳下的全球海洋。

在土卫二的南极，大量的喷流从一组锯齿状的、150公里长的断层（称为虎纹断层）中喷出冰冷的颗粒，这些喷射出的物质在月球表面凝聚形成羽流。美国宇航局卡西尼号任务分析的这种羽流物质样本表明，被认为是生命所必需的化学条件可能存在于土卫二表面深处的海洋中。

现在，由研究生Alexander Berne（MS ’22）领导的新研究与Mark Simons，John W.和Herberta M. Miles地球物理学教授兼加州理工学院布林森勘探中心主任合作，使用详细的地球物理模型来表征这些虎纹断层的运动，并为控制喷流活动的地球物理过程提供了新的见解。了解这些因素和其他因素，例如喷流材料在多大程度上代表了地下海洋，喷流活跃了多长时间，其冰壳的地形等，对于详细了解月球随时间推移的潜在宜居性至关重要。

土卫二南极上方的羽流强度各不相同，强度起伏不定，在月球绕土星运行33小时期间产生两个显着的明亮发射峰值。从理论上讲，潮汐力导致虎纹断层像电梯门一样打开和关闭，使它们能够在与这些潮汐相对应的周期中释放或多或少的物质。然而，这些模型无法准确预测羽流亮度峰值的时间。更成问题的是：这种断层打开机制需要的能量比仅从潮汐强迫中获得的能量要多。

这项新研究表明，观察到的土卫二羽流强度的变化可能是由于虎纹断层以走滑方式移动，一侧切过另一侧，类似于断层运动风格，沿着加利福尼亚的圣安德烈亚斯等断层产生地震。这种故障运动所需的能量远低于打开/关闭机构所需的能量。

Berne及其同事开发了一个复杂的数值模型来模拟沿土卫二断层的走滑运动。这些模型还考虑了断层冰壁之间的摩擦作用，这导致变形对倾向于夹紧和松开断层的压缩应力和倾向于驱动断层滑移的剪切应力都很敏感。数值模型能够模拟沿虎条纹的滑移，其方式与羽流亮度变化以及表面温度的空间变化相匹配，这表明喷流确实受到土卫二轨道上走滑运动的控制。

研究人员推测，单个射流发生在断层的“拉开”处 – 断层的弯曲部分在区域走滑运动下打开。JPL最近的独立研究还检查了虎纹区域，并发现了沿着断层拉开的地质证据，该断层位于喷气机的位置。“我们现在似乎有地质和地球物理上的理由怀疑喷气式飞机活动发生在土卫二老虎条纹的拉开处，”伯恩说。

断层拉开的基本图。断层的弯曲部分沿相反的平行方向移动，导致断层出现开口。

图片来源：加州理工学院

2005年，卡西尼号任务飞越土卫二，对喷气物质进行了采样，发现羽流中含有碳和氮等元素，这表明地下海洋目前可能拥有有利于生命的条件。除了这些和其他化学成分的存在外，宜居性还需要关键的地球物理条件，例如核心、海洋和地表之间足够的热量产生和营养通量。

“为了让生命进化，宜居条件必须在很长一段时间内都合适，而不仅仅是一瞬间，”西蒙斯说。“在土卫二上，你需要一个长寿的海洋。地球物理和地质观测可以为地核和地壳的动力学以及这些过程随时间推移的活跃程度提供关键的限制。

“需要对老虎条纹的运动进行详细测量，以证实我们工作中提出的假设，”伯恩说。“例如，我们现在有能力使用轨道卫星的雷达测量对地球上的断层滑移（例如地震）进行成像。在土卫二应用这些方法应该使我们能够更好地了解物质从海洋到地表的运输，冰壳的厚度，以及可能使生命在土卫二上形成和进化的长期条件。

这篇论文的题目是“土卫二上的喷气活动与潮汐驱动的沿老虎条纹的走滑运动有关”，发表在4月29日的 《自然地球科学 》杂志上。伯恩是该研究的第一作者。除了西蒙斯之外，合著者还有JPL的James T. Keane，Erin J. Leonard和Ryan S. Park。资金由美国宇航局和喷气推进实验室提供。