用无人机寻找深海地震风险

一架水下“滑翔机”拖着一艘可以从水下信标收集数据的船。来源:液体机器人

俯冲带是大洋板块在大陆板块下俯冲的构造带。俯冲带产生的力会导致强烈的地震和海啸，如2011年日本地震、2004年印度洋海啸和1964年阿拉斯加地震。然而，这些断层的运动造成灾害的机制仍然不清楚。

找到合适的检测方法非常重要。例如，尽管全球定位系统的无线电信号很强，但它们主要用于跟踪陆地上的地壳运动，不能穿透深海。在过去，为了测量水下运动的轨迹，科学家们会首先让船在海上跟踪声音信号，然后用全球定位系统确定它的位置。使用船只很昂贵。现在，美国斯克里普斯海洋学研究所的地球物理学家大卫·查德威尔带领团队找到了一种替代方法:用远洋无人驾驶飞行器代替船只，以降低研究成本。

2019年10月，美国国家科学基金会宣布支持该研究成果，并向该团队提供了550万美元的赠款，用于购买16个海底站点信标和3架无人驾驶飞行器，这将有助于提高该国科学家调查海底地貌的能力。

利用全球定位系统，地球科学家可以测量地震间隙中悄悄形成的张力。例如，在西北太平洋外的卡斯卡迪亚俯冲带，陆地上的全球定位系统数据显示，当断层最终断裂时，累积的应力足以引发9级地震。然而，陆基测量还显示，俄勒冈州海岸断层中段产生的张力正在被一种称为蠕变的无害滑动所消散，这意味着断层可能在一系列小地震中破裂。然而，没有海洋观测数据，研究人员无法做出完整的分析。

对海底断层的定期监测可以发现应力和张力是如何不规则累积的，这有助于科学家预测地震的发生。更令人兴奋的是，这些监测可以帮助人们在大地震前几周而不是几分钟判断异常情况。如果在俯冲带地震发生之前，断层间的缓慢滑动可以作为地震预警的信号，这将具有重要意义。

船舶跟踪海底信标的声学手段是获取海洋观测数据的方法之一，这种方法很昂贵。在过去的十年里，日本在声学全球定位系统上花费了30多亿美元来监测破坏性的断层运动。到2020年，日本的声学全球定位系统网络将包括27个站，每个站包括多个信标。当2011年日本地震发生时，只有几个台站在运行。研究人员通过这些站的数据发现，断层滑动了30多米，引发了毁灭性的海啸。

然而，跟踪声信标和研究船需要配备全球定位系统导航推进器，这可能需要每天高达50，000美元的费用，因此只能进行间歇性测量。

查德怀尔和其他人在2012年开始研究如何用无人驾驶飞行器代替船只进行测试。他们使用的无人驾驶飞机是由美国桑尼维尔公司开发的。这架3米长的水上飞机有一根8米深的管子系在上面，还有可以通过振动从波动中获取能量的鳍。

这架飞机每天运营成本为500美元，可以携带全球定位系统设备，并在海底灯塔上方的一个小圆圈内盘旋数周。在2016年卡斯卡迪亚的测试中，无人机在40天内飞行了近500公里，它的操作几乎是无声的，对信号的干扰比船上的发动机要少。查德怀尔和其他人已经在卡斯卡迪亚的六个全球定位系统站以及阿拉斯加和新西兰的其他全球定位系统站使用了这些无人机。

美国国家科学基金会负责人决定如何部署其支持的新设备，但这些设备可以覆盖一个甚至多个俯冲带的观察范围。建模研究表明，每个新的海底站点带来的数据量与30个陆地全球定位系统站点相同。查德怀尔说，这些装置的使用不仅限于俯冲带，还可以放在海底火山的侧面或构造板块的接合处，其中大部分都在水下。

许多人希望美国国家科学基金会能为更大规模的项目拨款，例如以前耗资数亿美元的俯冲带天文台(SZ4D)，它能对俯冲带进行密集监测，甚至能捕捉到9级地震信号。