把脈海底兩萬里 新設備助力海底地震探測

新設備助力海底地震探測

該感測器最初用於化石能源開採等行業，現在，Paros打算用它幫助全世界免遭自然災害的影響。

Jerry Paros發明的石英感測器，將把海底監測的精確度提高到1厘米。圖片來源：Ian C. Bates

家住華盛頓州的Jerry Paros擔心大地震就像一顆定時炸彈威脅著鄰居和自己。因為美國西海岸正好處在環太平洋地震帶上。但與其他數百萬干著急的人不同，Paros嘗試用實際行動抵禦風險。他的公司發明了用於地震監測的石英感測器。該感測器最初用於化石能源開採等行業，現在，Paros打算用它幫助全世界免遭自然災害的影響。

現年79歲的Paros在辦公室展示了他的發明：在一個排球大小的金屬架內部，感測器通過上下移動感應大氣壓力的微小變化，甚至開關門造成的氣壓變化都能被捕捉到。在海底，該設備能感應水壓的變化，從而推測海底深處的震動。

Paros希望打造一個海洋地震預警系統。他向華盛頓大學捐贈了200萬美元，與大學科研人員在太平洋西北海岸海域進行測試。日本和智利等許多沿海國家也在研究海底地殼活動監測技術，安裝測試各種感測設備。

多年來，海底的斷層運動一直讓地球物理學家感到棘手，地球70%的表面被水覆蓋，標準探測工具在海洋環境中毫無作用。Paros創造的感測器讓無計可施的地球物理學家第一次有機會探測海底活動。這些感測器網路可以揭示哪些海底斷層是無害的，哪些有可能為下一次大地震積攢能量。

「它將幫助我們定位活動區域，這正是我們此前辦不到的事。」華盛頓大學海洋學家Emily Roland說。

沉睡的巨人

當Paros於1970年遷來華盛頓州時，他並不了解西北太平洋沿岸地震頻發的危險。

該地區有記錄以來最大的地震發生在1949年4月13日。當時，華盛頓州奧林匹亞市發生了7.1級地震。但從20世紀80年代開始，研究人員發現南起加州北至英屬哥倫比亞，北美洲整個西海岸都面臨著9級強震和大海嘯的威脅。危險根源來自距海岸50公里遠的海洋底部，這個位置下面正是板塊交界處。

卡斯卡迪亞俯衝帶長達1000公里，是環太平洋火山地震帶的一部分。海底俯衝帶曾導致有記錄以來的多次超級地震，其中包括1960年的智利9.5級大地震。1700年，卡斯卡迪亞發生海底強震，估計強度達到9級，地震引起的海嘯讓北美沿岸深受重創，太洋另一端的日本也受到波及。

卡斯卡迪亞俯衝帶就像一顆定時炸彈讓科學家提心弔膽。誰也不知道下次地震什麼時候到來，可能是明天，也可能是數世紀以後。目前，科學家監測了其他俯衝帶的地質活動，並通過監測小型地震的模式評估未來強震的風險。

加拿大地質調查局地震專家Kelin Wang稱，卡斯卡迪亞俯衝帶通常十分平靜，近年來只檢測到很少幾次輕微震動，暗示該地區的板塊運動處於平靜期。這使得卡斯卡迪亞成為一個沉睡的巨人，同時也是一個危險的巨人——波特蘭和西雅圖等城市的命脈把握在它手上。

在陸地上，工程師使用全球定位系統（GPS）測量跟蹤細微的地質運動跡象，包括火山爆發前山體周圍地面的隆起，或者石塊沿地質斷層滑動，例如加州的聖安地列斯斷層。但在海底進行地質運動監測則困難且昂貴。直到近幾年，得益於監測工具和部署方式的創新，海底測量學才逐漸趕上陸地測量水平。

從紐西蘭、日本再到智利，各國的地球物理學家都在試圖了解長期地質運動的風險，並在地震和海嘯發生之初及時發布警報。大部分此類工作都基於政府資助建立的海底感測器網路，另外也有少部分由Paros這樣的私人出資建造。Paros在俄勒岡州沿岸海域安裝了6個石英壓力感測器，監測卡斯卡迪亞俯衝帶運動狀況。

科學家根據地表GPS測量得出了兩個不同的卡斯卡迪亞俯衝帶運動模型。其中一個顯示，下降板塊的活動十分緩慢，在整個過程中釋放出壓力。另一個則認為，兩個板塊被鎖定在一起，產生了壓力積聚的危險。

釋放壓力

人們無法僅通過陸基儀器判斷這兩個模型正確與否。「我們不知道板塊鎖定到了什麼程度，所以才需要海上測量。陸基測量已經不夠用了。」Wang說。

海洋學家時常在卡斯卡迪亞海底安裝監測儀器，但只能「撒撒胡椒面」。華盛頓大學和加州斯克利布斯海洋研究所聯合組建的科研團隊正嘗試建立一個能夠在時間維度上測量海底運動的系統，並從中評估威脅的性質。Paros的石英感測器在這項工作中扮演關鍵角色。

Paros在50年前就開始研發能夠測量加速度、壓力變化和溫度等物理因素的石英感測器。其部署在海底的感測器能測量其上的水壓變化，在糾正了波浪和潮汐帶來的干擾之後，海洋學家能將海底的上下移動精確到1厘米。

Paros的公司是製造海洋壓力感測器的公司之一。而他自己具有商業和科研的雙重背景，現在已與當地的地球物理學家打成一片。華盛頓大學海洋地球物理學家William Wilcock表示：「Paros喜歡與工程技術人員和科技工作者進行互動，一心一意達成目標。」

早在1983年，Paros的感測器就參與了美國國家海洋和大氣管理局的海嘯觀測系統，對太平洋地區的海洋運動進行監測。2004年印尼發生大海嘯，他向華盛頓大學捐贈100萬美元促進感測器網路的研發。在這筆捐贈以及2012年的另一筆100萬美元捐款的幫助下，大學研究人員設計和測試新一代海底壓力感測器。研究人員將搜集到的數據與數學模型進行對比，有望在10年內對海底斷層狀況得出結論。

不過，即便是最好的壓力感測器也只能揭示海底板塊上下維度的運動，而無法檢測到水平方向的位移。研究者使用另一種手段彌補這一不足。

科學家在海底以兩三公里的間隔放置轉換器。每隔差不多1年，科學家就測定轉換器的準確位置信息。通過計算信號通過海水的時間，研究者可以判斷與上次測量時相比，海底是否發生了水平移動。

傾聽運動的聲音

目前，這種海底聲學測距技術被廣泛應用在世界各地。德國亥姆霍茲海洋研究中心在2015年為智利沿岸俯衝帶安裝了這樣一個感測器網路，幫助智利政府監測地震威脅。日本海岸警衛隊每年會投入幾個月的時間收集數十個國家海岸線上的數據。而斯克里普斯研究所地球物理學家David Chadwell嘗試使用自動航行的機器收集數據以減輕運行成本。

為了解卡斯卡迪亞俯衝帶隱藏的實際危險，地球物理學家需要部署多種工具，包括地震儀以及分別用于海洋和陸地的大地測量儀器。關於儀器放置的位置以及如何得到最佳數據，側重基礎研究的科學家和那些專註地震、海嘯預警的研究者之間存在分歧。而華盛頓大學希望新的網路能夠同時滿足這兩個群體的需要。

「我們需要也能夠讓這些科學設備服務多種目的，例如增進科學知識和監測災害。」華盛頓大學地震學家Heidi Houston說。

目前，卡斯卡迪亞俯衝帶已有兩個基本監測系統。海洋觀測計劃電纜陣列用一條長達900公里的線纜往返連接俄勒岡州海岸和一處海底火山。在加拿大那邊，加拿大海洋網路有一條長度類似的線纜連接到海底俯衝帶。兩條線纜在布線沿途都連接有各種測量儀器。

而新方案的規模要比現有方案大得多，更類似於去年完工的日本DONET-2海底監測項目。橫濱大陸海洋科學與技術局天文台副主任Katsuyoshi Kawaguchi表示，DONET-2骨幹線纜長達500千米，沿途連接29個獨立監測點。

此外，日本目前正在建設第二個規模更大的海底監測項目，計劃鋪設5700千米的海底線纜，連接150個監測點。這兩個觀測系統的數據將匯入日本全國地震和海嘯預警系統。

未來某天，Paros或許能看到他的感測器遍布卡斯卡迪亞海域，成為自然災害監測網路的一部分。近日，華盛頓大學的工程師在加州蒙特利灣的一個小型有線海底監測站部署了一套新感測器，並將在那裡對感測器進行數月測試。

「我一直在做西西弗斯式的事，試圖將巨石推向山頂。」Paros說。「我只是想播下種子證明這是可行的，同時希望政府認識到這是一個重要的公眾安全議題。」（張章編譯）

[責任編輯:張佳興]

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