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"海洋地震"难以预测?厘米级传感新技术是福音

2017-06-29 11:29
龙凰
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卡斯卡迪亚就像一颗定时炸弹让科学家提心吊胆,谁也说不准下一次地震什么时候到来,可能是明天,也可能是数世纪以后。科学家监测其他俯冲带的地质活动,并通过监测小型地震的模式来评估未来强震的风险。加拿大地质调查局地震专家王凯琳称,卡斯卡迪亚通常十分平静,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,波特兰和西雅图等一众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)来测量跟踪细微的地质运动迹象,包括火山爆发之前山体周围地面的隆起,或者石块沿地质断层滑动,加州的圣安地列斯断层便属于后者。相比陆地,在海底进行地质运动监测则困难且昂贵。得益于最近几年监测工具和部署方式的创新,海底测量学才逐渐赶上向陆地测量的水平。

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,另外也有少部分由帕罗斯这样的私人出资支持。帕罗斯在俄勒冈州沿岸的海域安装了六个石英压力传感器,监测卡斯卡迪亚地壳运动状况。

科学家根据地表GPS测量得出了两个不同的卡斯卡迪亚地壳运动的模型。其中一个显示,下降的板块异动十分缓慢,在整个过程中释放出压力。另一个认为,两个板块锁定在一起,产生压力积聚的危险。

释放压力

人们无法仅通过陆基仪器判断哪个是正确的,又或者两者都不正确。“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。”王凯琳说。

海洋学家在卡斯卡迪亚海底安装了星罗棋布的监测仪器。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。帕罗斯的石英传感器在这项工作中扮演关键角色。

石英具有压电效应,受到压力会产生电荷。利用这一特性,Paroscientific在五十年前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。部署在海底的Paroscientific传感器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,海洋学家能够将海底的上下移动精确到1厘米。

Paroscientific是制造海洋压力传感器的公司之一。帕罗斯自己具有商业和科研的双重背景,他从一个企业家转型成为业余科学家,现在已与当地的地球物理学圈子打成一片。华盛顿大学海洋地球物理学家威廉·威尔科克(William Wilcock)描述帕罗斯:“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,推动团体的进步。”

早在1983年,Paroscientific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,帕罗斯向华盛顿大学捐赠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。

由斯克里普斯研究所和华盛顿大学联合研发的海底测量仪被部署到俄勒冈州海岸和俯冲带之间的海底中。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-下一个维度的运动,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。科学家们在海底以两、三公里的间隔放置转发器。每隔上差不多一年的时间,科学家乘坐科研船测定转发器的准确位置信息。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。

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