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Nature:海底地震探测新设备帮助挽救无数生灵

摘要 : 家住华盛顿州的Jerry Paros担心大地震就像一颗定时炸弹威胁着邻居和自家。因为美国西海岸正好处在环太平洋地震带上。

家住华盛顿州的Jerry Paros担心大地震就像一颗定时炸弹威胁着邻居和自家。因为美国西海岸正好处在环太平洋地震带上。但与其他数百万干着急的人不同,Paros尝试用实际行动抵御风险。他的公司发明了用于地震监测的石英传感器。该传感器最初用于化石能源开采等行业,现在,Paros打算用它帮助全世界免遭自然灾害的影响。

现年79岁的Paros在办公室展示了他的发明:在一个排球大小的金属架内部,传感器通过上下移动感应大气压力的微小变化,甚至开关门造成的气压变化都能被它捕捉到。在海底,该设备能感应水压的变化,从而推测海底深处的震动。

Paros希望打造一个海洋地震预警系统。他向华盛顿大学捐赠了200万美元资金,与大学科研人员在太平洋西北海岸海域进行测试。日本和智利等许多沿海国家也在研究海底地壳活动监测技术,安装测试各种传感设备。

多年来,海底的断层运动一直让地球物理学家感到棘手,地球70%的表面被水覆盖,标准探测工具在海洋环境中毫无作用。Paros创造的传感器让无计可施的地球物理学家第一次有机会探测海底活动。这些传感器网络可以揭示哪些海底断层是无害的,哪些有可能在为下一次大地震积攒能量。

“它将帮助我们定位活动区域,这正是我们此前办不到的事。”华盛顿大学海洋学家Emily Roland说。

沉睡的巨人

当Paros于1970年迁来华盛顿州时,他并不了解西北太平洋沿岸地震频发的危险。

该地区有记录以来最大的地震发生在1949年4月13日。当时,华盛顿州奥林匹亚市发生了7.1级地震。但从1980年代开始,研究人员发现南起加州北至英属哥伦比亚,北美洲整个西海岸都面临着9级强震和大海啸的威胁。危险根源来自距海岸50公里远的海洋底部,这个位置下面正是板块交界处。

卡斯卡迪亚俯冲带长达1000公里,是环太平洋火山地震带的一部分。海底俯冲带曾导致有记录以来的多次超级地震,其中包括1960年的智利9.5级大地震。1700年,卡斯卡迪亚发生海底强震,估计强度达到9级,地震引起的海啸让北美沿岸深受重创,太洋另一端的日本也受到波及。

卡斯卡迪亚俯冲带就像一颗定时炸弹让科学家提心吊胆。谁也不知道下次地震什么时候到来,可能是明天,也可能是数世纪以后。目前,科学家监测了其他俯冲带的地质活动,并通过监测小型地震的模式评估未来强震的风险。

加拿大地质调查局地震专家Kelin Wang称,卡斯卡迪亚俯冲带通常十分平静,近年来只检测到很少几次轻微震动,暗示该地区的板块运动处于平静期。这使得卡斯卡迪亚成为一个沉睡的巨人,同时也是一个危险的巨人——波特兰和西雅图等城市的命脉把握在它手上。

在陆地上,工程师可以使用全球定位系统(GPS)测量跟踪细微的地质运动迹象,包括火山爆发前山体周围地面的隆起,或者石块沿地质断层滑动,例如加州的圣安地列斯断层。但在海底进行地质运动监测则困难且昂贵。直到近几年,得益于监测工具和部署方式的创新,海底测量学才逐渐赶上陆地测量水平。

从新西兰、日本再到智利,各国的地球物理学家都在试图了解长期地质运动的风险,并在地震和海啸发生之初及时发布警报。大部分此类工作都基于政府资助建立的海底传感器网络,另外也有少部分由Paros这样的私人出资建造。Paros在俄勒冈州沿岸的海域安装了6个石英压力传感器,监测卡斯卡迪亚俯冲带运动状况。

科学家根据地表GPS测量得出了两个不同的卡斯卡迪亚俯冲带运动模型。其中一个显示,下降板块的活动十分缓慢,在整个过程中释放出压力。另一个认为,两个板块被锁定在一起,产生了压力积聚的危险。

释放压力

人们无法仅通过陆基仪器判断这两个模型正确与否。“我们不知道板块锁定到了什么程度,所以才需要海上测量。陆基测量已经不够用了。” Wang说。

海洋学家时常在卡斯卡迪亚海底安装监测仪器,但只能“撒撒胡椒面”。华盛顿大学和加州斯克利布斯海洋研究所联合组建的科研团队正尝试建立一个能够在时间维度上测量海底运动的系统,并从中评估威胁的性质。Paros的石英传感器在这项工作中扮演关键角色。

Paros在50年前就开始研发能够测量加速度、压力变化和温度等物理因素的石英传感器。其部署在海底的传感器能测量其上的水压变化,在纠正了波浪和潮汐带来的干扰之后,海洋学家能将海底的上下移动精确到1厘米。

Paros的公司是制造海洋压力传感器的公司之一。而他自己具有商业和科研的双重背景,现在已与当地的地球物理学家打成一片。华盛顿大学海洋地球物理学家William Wilcock表示:“Paros喜欢与工程技术人员和科技工作者进行互动,一心一意达成目标。”

早在1983年,Paros的传感器就参与了美国国家海洋和大气管理局的海啸观测系统,对太平洋地区的海洋运动进行监测。2004年印尼发生大海啸,他向华盛顿大学捐赠100万美元促进传感器网络的研发。在这笔捐赠以及2012年的另一笔100万美元捐款的帮助下,大学研究人员设计和测试新一代海底压力传感器。研究人员将搜集到的数据与数学模型进行对比,有望在十年内对海底断层状况得出结论。

不过,即便是最好的压力传感器,也只能揭示海底板块上下维度的运动,而无法检测到水平方向的位移。研究者使用另一种手段弥补这一不足。

科学家在海底以两三公里的间隔放置转换器。每隔差不多1年,科学家就测定转换器的准确位置信息。通过计算信通过海水的时间,研究者可以判断与上次测量时相比,海底是否发生了水平移动。

倾听运动的声音

目前,这种海底声学测距技术被广泛应用在世界各地。德国亥姆霍兹海洋研究中心在2015年为智利沿岸俯冲带上安装了这样一个传感器网络,帮助智利政府监测地震威胁。日本海岸警卫队每年会投入几个月的时间收集自数十个国家海岸线上的数据。而斯克里普斯研究所地球物理学家David Chadwell尝试使用自动航行的机器收集数据以减轻运行成本。

为了解卡斯卡迪亚俯冲带隐藏的实际危险,地球需理学家需要部署多种工具,包括地震仪以及分别用于海洋和陆地的大地测量仪器。关于仪器放置的位置以及如何得到最佳数据,侧重基础研究的科学家和那些专注地震、海啸预警的研究者之间存在分歧。而华盛顿大学希望新的网络能够同时满足这两个群体的需要。

“我们需要也能够让这些科学设备服务多种目的,例如增进科学知识和监测灾害。”华盛顿大学地震学家Heidi Houston说。

目前,卡斯卡迪亚俯冲带已有两个基本监测系统。海洋观测计划电缆阵列用一条长达900公里的线缆往返连接俄勒冈州海岸和一处海底火山。在加拿大那边,加拿大海洋网络有一条长度类似的线缆连接到海底俯冲带。两条线缆在布线沿途都连接有各种测量仪器。

而新方案的规模要比现有方案大的多,更类似于去年完工的日本DONET-2海底监测项目。日本横滨大陆海洋科学与技术局天文台副主任Katsuyoshi Kawaguchi表示,DONET-2骨干线缆长达500千米,沿途连接29个独立监测点。

此外,日本目前正在建设第二个规模更大的海底监测项目,计划铺设5700千米的海底线缆,连接150个监测点。这两个观测系统的数据将汇入日本全国地震和海啸预警系统。

未来某天,Paros或许能看到他的传感器遍布卡斯卡迪亚海域,成为自然灾害监测网络的一部分。近日,华盛顿大学的工程师在加州蒙特利湾的一个小型有线海底监测站部署了一套新传感器,并将在那里对传感器进行数月测试。

“我一直在做西西弗斯式的事,试图将巨石推向山顶。” Paros说。“我只是想播下种子证明这是可行的,同时希望政府认识到这是一个重要的公众安全议题。”

原文链接:

The fight to save thousands of lives with sea-floor sensors

原文摘要:

Jerry Paros is worried about the geological time bomb ticking away just off the coast near his home in Washington state. But unlike the millions of people who fear the earthquake and tsunami that will one day rock that region, Paros is doing something about it. His company made millions of dollars building exquisitely precise quartz sensors for oil, gas and other industry applications. Now he wants to use them to save the world from natural disasters.

来源: Nature 浏览次数:0

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