数千地震仪帮科学家监控地壳活动

地震检波器记录了圣海伦斯火山周围的环境噪音。来源:STEVE HANSEN

最近，美国华盛顿州的地球物理学家完成了圣海伦斯山最大的地震研究。他们安装了2500台地震仪来监测火山下面23次爆炸产生的地震波。随着研究的深入，他们取得了意想不到的成果，从长远来看，这也是地震学应用领域中非常重要的成果。

新墨西哥大学的地震学家布兰登·施曼特(Brandon Schmandt)和一个小型研究小组研究了920个其他记录器，称为ZLands，它们可以连续工作两周。施曼特不仅获得了23次冲击波的数据，而且还获得了大量的噪声数据，可以在不爆破的情况下被动成像。

施曼特的圣海伦斯火山研究只是今年夏天进行的被动阵列研究之一。低成本、长时间运行的传感器对地震研究具有重要意义，并且易于安装和布置。艾伦·勒万德是圣海伦斯火山研究项目的首席研究员，也是德克萨斯州休斯顿莱斯大学的地震学家，他在一年内获得了来自9个县、4个伐木点、华盛顿州和美国林务局的研究许可。施曼特花了10万美元在几个月内完成了阵列的布局。勒万德说:“如果能安排更多的传感器，相应的研究工作将更容易进行。”

乐观主义者估计，研究结果将使前所未有的地壳成像成为可能。长期以来，地质学家羡慕他们的同行拥有大量的数据。新的研究方法的出现使他们能够清楚地看到火山下岩浆房和管道的结构，绘制断层的几何图像，并准确地标出地震破裂点。上个月，法国地球科学研究所的地震学家弗洛伦特·布伦吉埃在印度洋法属留尼汪岛的火山活动区部署了300个传感器。

海浪和强风都会产生噪音。在过去的十年左右，地质学家使用低频仪器来研究地幔-地壳边界。该区域地下数十甚至数百公里深，需要大量传感器以一致的间隔排列在地表。例如，美国移动阵列由400个地震仪组成，这些地震仪以70公里的间隔沿美洲大陆向东传播。

然而，传感器的密集排列可以以更高的频率捕捉到勘探区域周围的噪音，研究人员也可以确定地壳顶部10公里的特征。联合地震研究所是可移动阵列的操作者。IRIS主席罗伯特·德特里克(Robert Detrick)说:“如果数以千计的传感器排列在一个非常小的区域，地壳结构可以用一种以前无法想象的方式进行分析。”直到最近，只有石油和天然气公司有能力安排密集阵列。德特里克说:“目前，学术界只希望能够在一个非常小的区域内安装几十或几百个传感器。”

撒丁岛加州理工学院的地震学家罗伯特·克莱顿及时利用了石油勘探公司的大量数据。2011年，Signal Hill石油公司调查了加州长滩的一个小油田。该公司总共部署了5300个兹兰兹传感器和一组用于产生地震信号的“桑普多利亚卡车”。在获取地震信号数据的同时，地震仪还可以捕捉大量汽车在洛杉矶高速公路上行驶时的噪音以及太平洋中的海浪声。石油勘探公司通常会直接扔掉这些无用的垃圾数据，但克莱顿认为他可以把它们变成有价值的东西，并说服石油公司让他分享这些数据。

克莱顿认为，勘探区周围的噪音也会产生强烈的地波，这些地波只在地表岩层中产生。克莱顿分析了石油公司提供的数据，发现他可以利用面波数据对地下1000米内的表层岩石层进行成像。成像项目对石油公司非常有帮助。可为公司开展更深入的调查工作提供重要参考，使其能够随时调整原勘探计划。克莱顿说:“我认为这将彻底改变城市地区进行地震研究的方式。”

克莱顿的成功引起了更多人对这项技术的兴趣，另外六所大学已经向信号山石油公司索要数据。在过去的三个月里，IRIS和美国地球物理学会分别就这项新技术举办了研讨会。研究人员检查了sweetwater附近5400个节点处的页岩和石灰岩的形成情况，并在本月晚些时候将新获得的数据上传到IRIS的数据库，供希望研究该技术的科学家免费访问。

今年6月，南加州大学的耶胡达·本·锡安(Yehuda Ben-Zion)在圣哈辛托断层(圣安德列亚斯断层的主要分支)活动区1公里范围内部署了1100个兹兰兹传感器，间距不到10米。Ben-Zion希望更好地了解地震是如何产生的，以及地震前后桑加辛托断层的岩石成分是如何通过整个系统发生变化的。

信号山石油公司负责市场营销和地震节点技术的副主席丹·霍利斯倾向于进行深入调查。他认为，石油和天然气公司越来越重视这项技术，并试图让它长期发展。霍利斯说:“石油勘探公司正朝着这个方向努力。”

随着石油勘探公司不断注入资金，ZLands等传感器正变得越来越好、越来越便宜。目前，霍利斯非常乐意与施曼特这样的研究人员分享他通过ZLands获得的数据。另一方面，施曼特愿意利用这一优势。他说:“如果一些与我观点相同的人在过去几个月里将这些分散的数据结合起来，我们将能够在未来几年做出意想不到的事情。”(段鑫)

《中国科学报》(国际版，第三版，2014年8月20日)

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