Naomi Lubick

某些最強(qiáng)的地震源自遙遠(yuǎn)的海底斷層。目前,地球物理學(xué)家正在鋪設(shè)傳感器網(wǎng)絡(luò),以密切監(jiān)視這些“潛伏殺手”的動(dòng)態(tài)。

日本地震學(xué)家許多年來一直在因?yàn)橐粭l海底斷層而憂慮重重。在日本歷史上,其東南海岸附近的南海(Nankai)海溝已經(jīng)發(fā)生過幾次最具破壞性的大地震,而且目前人們認(rèn)為該海溝發(fā)生另一次大地震的條件已經(jīng)成熟。因此,今年早些時(shí)候,研究人員乘“海鷹”號(hào)(Kaiyo)艦船出海搭建水下地震觀測(cè)站,以期揭示該斷層的更多信息,并且在下次大地震來襲時(shí)提供幾秒鐘的預(yù)警。2011年3月,當(dāng)該船正在放置一批傳感器時(shí),其東北部800 km以外的一條毫不相干的斷層上發(fā)生了東日本巨大地震,引發(fā)的海嘯使沿岸社區(qū)遭受重大破壞。

地震學(xué)家沒有預(yù)料到東北海岸附近的日本海溝能夠產(chǎn)生如此規(guī)模的巨大地震,部分原因是由于他們沒有足夠的海底儀器來捕捉應(yīng)力增大的信號(hào)。在某些地方,一個(gè)構(gòu)造板塊與另一構(gòu)造板塊相撞并向其下方滑動(dòng),這樣的地方都存在資料缺乏的問題。這種俯沖帶會(huì)產(chǎn)生地球上最強(qiáng)烈的地震,例如有記錄以來震級(jí)最大的地震——1960年智利海岸附近海域9.5級(jí)巨大地震。2004年,印尼蘇門答臘島附近海域一次俯沖帶地震引發(fā)的海嘯造成23萬人喪生。研究人員預(yù)測(cè),與美國(guó)西北海岸相連的一個(gè)俯沖帶上發(fā)生一次9級(jí)地震的風(fēng)險(xiǎn)正在逐步增大,地震可能會(huì)在本世紀(jì)內(nèi)發(fā)生。

地震學(xué)家遇到的棘手問題是,這些大斷層距陸地?cái)?shù)百公里遠(yuǎn),而且隱伏在好幾公里深的水下,這種地方很難布設(shè)和維護(hù)裝有地震儀、全球定位系統(tǒng)(GPS)裝置以及其他儀器的觀測(cè)站,而有了觀測(cè)站,才能揭示斷層的結(jié)構(gòu)并探測(cè)諸如地殼撓曲等變化。

日本只有50個(gè)海上觀測(cè)站來監(jiān)測(cè)海底斷層,相比之下,其陸地上的觀測(cè)站超過了8700個(gè)。其他國(guó)家的準(zhǔn)備工作甚至還不如日本,他們幾乎沒有或全然沒有海底傳感器,而俯沖帶的最危險(xiǎn)的部位恰恰就在海底。他們不用海底傳感器,而是依賴陸地臺(tái)站測(cè)得的數(shù)據(jù)——陸地臺(tái)站只能提供遙遠(yuǎn)而模糊不清的讀數(shù)。這就好比一個(gè)心臟病專家將聽診器放在了病人的鞋子上來監(jiān)聽其心臟的情況,只能徒勞無獲。

現(xiàn)在,研究人員正朝著更加接近實(shí)際行動(dòng)的方向努力。日本試圖連通南海海溝的行為就是迄今為止最富雄心的項(xiàng)目,但美國(guó)和加拿大也有監(jiān)視卡斯卡迪亞(Cascadia)俯沖帶的計(jì)劃,該俯沖帶從加拿大北部延伸至不列顛哥倫比亞省(圖1)。有了更好的數(shù)據(jù),地球物理學(xué)家希望提高其對(duì)俯沖帶運(yùn)作原理的認(rèn)識(shí)水平,并有可能識(shí)別出災(zāi)難即將來臨的信號(hào)。

沒有海底測(cè)量數(shù)據(jù),“我們就總是在猜測(cè),”新加坡地球觀測(cè)研究所(Earth Observato ry of Singapo re)的大地測(cè)量學(xué)家Emma Hill說,她目前正在從事印尼附近海域地震危險(xiǎn)性的研究工作。

圖1 海底傳感器。地球物理學(xué)家正加緊布設(shè)海底監(jiān)測(cè)儀,以期更加深刻地認(rèn)識(shí)俯沖帶,即一個(gè)板塊向另一板塊下方滑動(dòng)的區(qū)域,也是巨大地震的震源所在

1 認(rèn)識(shí)有誤

板塊構(gòu)造理論描繪的是構(gòu)成地球脆性外殼的大洋和大陸板塊的運(yùn)動(dòng),而俯沖帶則是板塊構(gòu)造理論中的再循環(huán)中心。當(dāng)兩個(gè)板塊發(fā)生碰撞時(shí),較冷的、致密的海洋地殼下沉,而擁有浮力更大的地殼巖石的板塊則向上滑動(dòng)并最終覆在海洋地殼上方。但這一卡通式的模型——海洋巖石板片向薄板似的大陸俯沖形成的一條傳送帶——過于簡(jiǎn)單化了。“實(shí)際情況要復(fù)雜得多,”Hill說?！岸覀?nèi)栽趯⑵渥鳛橐粋€(gè)光滑平面來模擬?！?/p>

地球物理學(xué)家想知道兩個(gè)板塊擦肩而過時(shí)究竟發(fā)生了什么事情。他們懷疑,當(dāng)海底山脈或其他一些崎嶇地形卡在上板塊的底部時(shí),兩板塊會(huì)以某種方式閉鎖在一起。經(jīng)過幾十年或幾百年的時(shí)間,板塊會(huì)突然解鎖,并釋放一次巨大的逆沖型地震。在3·11東日本大地震的實(shí)例中,研究人員推測(cè)兩個(gè)板塊之間的邊界可能處于閉鎖狀態(tài),但并沒有認(rèn)識(shí)到其危險(xiǎn)性,因?yàn)樗麄內(nèi)狈τ嘘P(guān)俯沖帶結(jié)構(gòu)的知識(shí),也不知道那里的應(yīng)力是如何積聚的。

他們更為擔(dān)憂的是南海海溝地區(qū)。根據(jù)日本官方災(zāi)害預(yù)報(bào),那里未來30年內(nèi)發(fā)生一次8級(jí)地震的幾率為70%。作為“地震與海嘯海底致密觀測(cè)網(wǎng)”(DONET——Dense Oceanfloor Network System for Earthquakes and Tsunamis)的一部分,地球物理學(xué)家將在預(yù)期發(fā)生地震的海溝地區(qū)構(gòu)建一個(gè)由20個(gè)水下觀測(cè)站組成的網(wǎng)絡(luò)。始于2006年、預(yù)計(jì)2011年完成的DONET項(xiàng)目費(fèi)用達(dá)63億日元(8200萬美元),不含船時(shí)費(fèi)用。

觀測(cè)站配有地震檢波器,記錄俯沖帶內(nèi)地震產(chǎn)生的顫動(dòng)以及來自全球的震動(dòng)產(chǎn)生的地震波——所有這些都有助于揭示上、下板塊之間界面的幾何形態(tài)。壓力傳感器通過測(cè)量上方水柱壓力的變化來跟蹤監(jiān)測(cè)地殼撓曲狀況。電信級(jí)電纜將海底觀測(cè)站與陸地臺(tái)站連接起來,由此,研究人員可以實(shí)時(shí)獲取傳感器數(shù)據(jù)。

Yoshiyuki Kaneda是日本海洋地球科技署(Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology)DONET項(xiàng)目的領(lǐng)軍人物。他希望觀測(cè)站能夠捕捉到一個(gè)完整的地震周期——從應(yīng)力積累到大震期間的應(yīng)力釋放,而后應(yīng)力重新緩慢積累。研究人員希望搞清較大地震是如何開始的,以及在其之前發(fā)生了什么事情。

如果大地震真的發(fā)生了,DONET觀測(cè)站由于靠近震源就可以向大阪、東京和其他一些即將遭受破壞性地震波侵襲的城市提供預(yù)警。壓力傳感器也可以預(yù)先發(fā)出通知,告知公眾海嘯正快速?zèng)_向岸邊。

2 西方的憂慮

對(duì)于地震,美國(guó)的研究人員有著自己的憂慮,主要集中在卡斯卡迪亞地區(qū)。那里曾發(fā)生過大地震和海嘯,而且自上次地震以來,時(shí)間已經(jīng)過去了300多年?！霸醋钥ㄋ箍ǖ蟻喐_帶的地震危險(xiǎn)性是巨大的,”位于紐約的哥倫比亞大學(xué)Lamont-Doherty地球觀象臺(tái)的Maya Tolstoy說。

Tolstoy是卡斯卡迪亞行動(dòng)(Cascadia Initiative)的主要研究人員之一,這一為期4年的計(jì)劃正在搭建臨時(shí)觀測(cè)臺(tái)站,用于探測(cè)這條巨大海域斷層的習(xí)性。上個(gè)月,該團(tuán)隊(duì)開始布設(shè)第一批60個(gè)這樣的海底觀測(cè)站,這將增強(qiáng)現(xiàn)有的陸地臺(tái)網(wǎng)的觀測(cè)水平。該項(xiàng)目的部分經(jīng)費(fèi)(500萬美元)來自《2009年美國(guó)復(fù)蘇與再投資法案》,由美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)負(fù)責(zé)撥款。

每一臺(tái)海底裝置需要花費(fèi)6～8萬美元,它包含一個(gè)壓力計(jì)和一臺(tái)與湯罐大小類似的地震檢波器,放在一個(gè)帶有水平調(diào)節(jié)系統(tǒng)的壓力箱內(nèi),上邊有一個(gè)鋼罩,這樣就不會(huì)受到水流和捕撈設(shè)備的影響。這些觀測(cè)站不會(huì)通過電纜與陸地連接。取而代之的是,研究人員每年都將收回每一臺(tái)傳感器,下載數(shù)據(jù),然后將其放置到一個(gè)新的地點(diǎn)。加利福尼亞大學(xué)伯克利分校的 Richard A llen說,通過找出該俯沖帶內(nèi)地震發(fā)生的準(zhǔn)確位置,卡斯卡迪亞行動(dòng)獲得的數(shù)據(jù)將有助于確定板塊之間界面的位置和結(jié)構(gòu)——例如界面的粗糙度如何以及哪些區(qū)域處于閉鎖狀態(tài)。

此外,海底觀測(cè)站應(yīng)該能夠幫助解讀卡斯卡迪亞地區(qū)陸地地震儀記錄到的異常地震信號(hào)。陸地傳感器拾取大概每12～14個(gè)月就會(huì)出現(xiàn)一次的微震群數(shù)據(jù),也拾取那些因能量釋放緩慢而無人感覺到的地震事件信息,這些無感地震釋放的能量相當(dāng)可觀。研究人員推測(cè)這些信號(hào)可以反映出該俯沖帶的活動(dòng)狀況:板塊內(nèi)的地層各自可能都在獨(dú)立地移動(dòng),流體也可能在地表深處運(yùn)移。他們希望來自海上傳感器的記錄能夠幫助他們找到一種解釋。海底傳感器或許還能探測(cè)到俯沖帶閉鎖部分的變化。

作為加拿大“海王星”項(xiàng)目的一個(gè)組成部分,美國(guó)也正協(xié)同加拿大在卡斯卡迪亞地區(qū)搭建長(zhǎng)期海底觀測(cè)站。該項(xiàng)目將收集廣泛的生物、海洋和地震數(shù)據(jù),用于基礎(chǔ)研究和潛在的災(zāi)害預(yù)警,如赤潮或地震等。加拿大方面花費(fèi)1.43億加元(1.45億美元),去年完成了一個(gè)系統(tǒng)的搭建工作,包括3個(gè)地震臺(tái)和5個(gè)海底壓力記錄器,全部由800 km的電纜連通,信息可以傳遞到陸地臺(tái)站。預(yù)算問題使“海王星”項(xiàng)目美國(guó)所承擔(dān)的部分向后推遲,2011年夏季才開始鋪設(shè)電纜,觀測(cè)站未來5年內(nèi)建成。

由于鋪設(shè)數(shù)百公里長(zhǎng)的光纖電纜成本很高,所以研究人員正在研制能夠搜集數(shù)據(jù)的自主水中機(jī)器人。一項(xiàng)擬議計(jì)劃就是將由加州桑尼維爾市(Sunnyvale)的Liquid Robotics公司研制的波浪發(fā)電機(jī)器人與獨(dú)立運(yùn)行的海底傳感器配合使用。

隨著各海上傳感器網(wǎng)絡(luò)的讀數(shù)不斷涌入,研究人員希望他們最終能夠獲得對(duì)俯沖帶及其危險(xiǎn)性的更加深刻的認(rèn)識(shí)。這種海底觀測(cè)站“將成為未來幾年的話題,”Hill說。雖然一些項(xiàng)目在日本3·11地震前已處于準(zhǔn)備階段,但那次災(zāi)難使研究工作顯得更加緊迫?！坝捎谌毡镜木壒?”Hill說,“目前人們的注意力都集中到海底觀測(cè)上。”