感知海底2万里 新设备助力海底地震探测

杰里·帕罗斯发明的石英传感器将把海底监测的精度提高到1厘米。

资料来源:伊恩·贝茨

住在华盛顿州的杰瑞·帕罗斯担心大地震就像威胁邻居和家人的定时炸弹。因为美国西海岸就在环太平洋地震带上。然而，与数百万焦虑的人不同，帕罗斯试图用实际行动来抵御风险。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，现在帕罗斯计划用它来帮助世界避免自然灾害的影响。

79岁的帕罗斯在办公室展示了他的发明:在一个排球大小的金属框架内，传感器可以通过上下移动来感知大气压力的微小变化，甚至开关门引起的大气压力变化都能被它捕捉到。在海底，这种设备可以感知水压的变化，从而预测海底深处的振动。

帕罗斯希望建立一个海洋地震预警系统。他向华盛顿大学捐赠了200万美元，用于对太平洋西北海岸的大学研究人员进行测试。日本和智利等许多沿海国家也在研究海底地壳活动的监测技术，并安装和测试各种传感设备。

多年来，地球物理学家一直对海底的断层运动感到困惑。地球表面的70%被水覆盖，标准探测工具在海洋环境中不起作用。帕罗斯创造的传感器让筋疲力尽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，哪些可能为下一次大地震积累能量。

“它将帮助我们定位活动区域，这正是我们以前无法做到的。”华盛顿大学的海洋学家艾米丽·罗兰说。

沉睡的巨人

当帕罗斯在1970年搬到华盛顿州时，他不明白西北太平洋沿岸频繁地震的危险。

该地区有记录以来最大的地震发生在1949年4月13日。当时，华盛顿奥林匹亚市发生了7.1级地震。然而，自20世纪80年代以来，研究人员发现整个北美西海岸正面临着从南部的加利福尼亚到北部的不列颠哥伦比亚的9级地震和海啸的威胁。危险的源头来自距离海岸50公里的海底，也就是板块相遇的地方。

卡斯卡迪亚俯冲带长1000公里，是环太平洋火山地震带的一部分。自有记录以来，海底俯冲带已经引发了许多超级地震，包括1960年智利9.5级地震。1700年，卡斯卡迪亚发生海底地震，估计震级为9级。地震引发的海啸猛烈袭击了北美海岸，并影响了太平洋另一边的日本。

卡斯卡迪亚俯冲带就像一颗让科学家害怕的定时炸弹。没有人知道下一次地震什么时候会到来，不管是明天还是几个世纪后。目前，科学家已经监测了其他俯冲带的地质活动，并通过监测小地震评估了未来强震的风险。

加拿大地质调查局的地震专家汪克林说，卡斯卡迪亚俯冲带通常非常平静，近年来只检测到少数轻微的地震，这表明该地区的板块运动处于平静时期。这使得卡斯卡迪亚成为沉睡的巨人和危险的巨人——波特兰和西雅图等城市的命脉掌握在它手中。

在陆地上，工程师们可以使用全球定位系统测量来追踪地质运动的细微迹象，包括火山爆发前山体周围的地面隆起，或者沿着地质断层(如加利福尼亚的圣安德列亚斯断层)的岩石滑动。然而，监测海底的地质运动既困难又昂贵。只是在最近几年，由于监测工具和部署方法的创新，海底测量才逐渐赶上陆地测量的水平。

从新西兰、日本到智利，所有国家的地球物理学家都在试图了解长期地质运动的风险，并在地震和海啸开始时及时发出警报。这项工作的大部分是基于*资助的海底传感器网络，也有一些是由私人资助建造的，如Paros。帕罗斯在俄勒冈海岸附近的水域安装了六个应时压力传感器，以监测卡斯卡迪亚俯冲带的运动。

科学家们根据地面全球定位系统的测量结果获得了卡斯卡迪亚俯冲带的两种不同的运动模型。其中一个显示下降板的运动非常缓慢，在整个过程中释放压力。另一个认为两个板块被锁在一起，造成了压力累积的风险。

释放压力

人们不能仅凭陆基仪器来判断这两种模式是否正确。“我们不知道板块锁定到什么程度，所以我们需要进行海洋调查。陆基测量不再足够。”王说。

海洋学家经常在卡斯卡迪亚海底安装监测仪器，但只是“撒胡椒粉”。一个由华盛顿大学和加利福尼亚海洋研究所联合组成的研究小组正试图建立一个系统，该系统可以测量海底运动的时间维度，并评估来自它的威胁的性质。帕罗斯的石英传感器在这项工作中发挥了关键作用。

50年前，Paros开始开发能够测量加速度、压力变化和温度等物理因素的石英传感器。它部署在海床上的传感器可以测量其上水压的变化。在校正了波浪和潮汐造成的干扰后，海洋学家可以将海床上下移动到1厘米的精确度。

帕罗斯公司是制造海洋压力传感器的公司之一。他有商业和科学研究的双重背景，现在他已经成为当地地球物理学家中的一员。华盛顿大学的海洋地球物理学家威廉·威尔科克说:“帕罗斯喜欢与工程师和技术专家互动，并致力于实现他的目标。”

早在1983年，帕罗斯传感器就参与了国家海洋和大气管理局的海啸观测系统，以监测太平洋区域的海洋运动。2004年，印度尼西亚发生了海啸，他向华盛顿大学捐赠了100万美元，用于促进传感器网络的研发。在这笔捐赠和2012年另外100万美元捐赠的帮助下，大学研究人员设计并测试了新一代海底压力传感器。研究人员将收集到的数据与数学模型进行了比较，预计将在十年内得出关于海底断层状况的结论。

然而，即使是最好的压力传感器也只能显示海床板块上下方向的运动，而不能检测水平方向的位移。研究人员用另一种方法来弥补这一不足。

科学家在海床上每隔两到三公里放置一个传感器。科学家们几乎每隔一年就要确定传感器的准确位置。通过计算字母通过海水的时间，研究人员可以判断与上次调查相比，海底是否水平移动。

倾听运动的声音

目前，这种海底声学测距技术被广泛应用于世界各地。德国亥姆霍兹海洋研究中心在2015年为智利海岸的俯冲带安装了这样一个传感器网络，以帮助智利*监测地震威胁。日本海岸警卫队每年花几个月的时间从几十个国家的海岸线收集数据。斯克里普斯研究所的地球物理学家大卫·查德威尔(David Chadwell)试图使用自动导航机器来收集数据，以降低运营成本。

为了了解卡斯卡迪亚俯冲带隐藏的实际危险，地球科学家需要部署各种工具，包括分别用于海洋和陆地的地震仪和大地测量仪器。专注于基础研究的科学家和专注于地震和海啸预警的科学家在仪器放置和如何获得最佳数据方面存在差异。华盛顿大学希望新的网络能够满足这两个群体的需求。

“我们需要并且能够使这些科学设备服务于许多目的，例如提高科学知识和监测灾害。”华盛顿大学地震学家海蒂·休斯顿说。

目前，卡斯卡迪亚俯冲带有两个基本的监测系统。海洋观测项目电缆阵列使用一条900公里长的电缆将俄勒冈海岸与海底火山连接起来。在加拿大一侧，加拿大海洋网络有一条类似长度的电缆连接到海底俯冲带。两条电缆与沿线的各种测量仪器相连。

新计划的规模比现有计划大得多，更类似于日本去年完成的DONET-2潜艇监测项目。日本横滨大陆海洋科学技术署天文台副主任川口胜一说，DONET-2主干电缆长500公里，连接沿途29个独立监测点。

此外，日本目前正在建设第二个更大的海底监测项目，计划铺设连接150个监测点的5700公里海底电缆。来自两个观测系统的数据将被输入*家地震和海啸预警系统。

有一天，帕罗斯可能会看到他的传感器遍布卡斯卡迪亚的水域，并成为自然灾害监测网络的一部分。最近，华盛顿大学的工程师们在加利福尼亚州蒙特雷湾的一个小型有线海底监测站部署了一套新的传感器，并将在那里测试传感器几个月。

“我一直在做像西西弗斯一样的事情，试图把巨石推到山顶。”帕罗斯说。“我只想播下种子，证明这是可行的，并希望*意识到这是一个重要的公共安全问题。”(张张编)

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