趙北星/編譯

讓海底傳感器拯救萬千生命

趙北星/編譯

發(fā)明家杰里·帕洛斯發(fā)明了一種石英傳感器，可以幫助研究人員探測約1厘米范圍內(nèi)的海床運(yùn)動

● 地球物理學(xué)家正加緊努力監(jiān)測主要海底斷層活動，尋找下一次災(zāi)難性地震發(fā)生的跡象。

杰里·帕洛斯（Jerry Paros）的家位于華盛頓州，他家附近沿海滴答滴答地響著的地質(zhì)定時炸彈讓他很是擔(dān)心。但與擔(dān)心地震和海嘯的其他數(shù)百萬人不同，帕洛斯正在為此采取行動。他的公司花費(fèi)了數(shù)百萬美元制造精密精確的石英傳感器，用于石油、天然氣和其他工業(yè)?，F(xiàn)在他想用它們在自然災(zāi)害中拯救世界。

在派若斯公司的雷德蒙德總部，這位79歲的發(fā)明家從一張桌子上拿起一個排球大小的金屬機(jī)架，把它舉到肩膀高的地方，然后把它放低。在這個裝置里，傳感器會隨著設(shè)備的上下移動，接收到大氣壓力的微小變化。他說：“現(xiàn)在，我會給你們一個非常昂貴的門鈴?！边@個門鈴可以開關(guān)辦公室的門以再次改變氣壓。在空中，帕洛斯的儀器可以記錄下這種微弱的壓力變換。但這個裝置的最終目的地是離岸的海底，是數(shù)千米海浪的下方。在那里，它將感知上部水的重量，以探測海床深處的變化。帕洛斯希望他的超精密儀表成為早期預(yù)警系統(tǒng)的核心，該系統(tǒng)旨在探測地震何時改變海床，引發(fā)海嘯。他向華盛頓大學(xué)捐贈了200萬美元，并與其研究人員合作在太平洋西北部的海岸線上測試傳感器。包括日本和智利在內(nèi)的許多其他沿海國家都在努力監(jiān)測海底的移動，這一努力被稱為海底測地學(xué)。他們正在競相安裝傳感器，因為這些地區(qū)的地質(zhì)斷層引發(fā)了地球上最強(qiáng)大的地震和一些最嚴(yán)重的災(zāi)難。2004年，印尼的一場海底地震引發(fā)了海嘯，造成近25萬人死亡。

地球物理學(xué)家長期以來一直難以掌握離岸斷層的活動，但帕洛斯創(chuàng)造的傳感器，給了他們第一次機(jī)會，讓他們可以監(jiān)視由于被水覆蓋而難以檢測的70%的地殼運(yùn)動。這些網(wǎng)絡(luò)可以顯示哪些海底斷層在無害地滑動，哪些斷層可能正為下一次大地震積蓄能量。

與帕洛斯一起工作的西雅圖華盛頓大學(xué)的海洋學(xué)家艾米麗·羅蘭（Emily Roland）說：“它將幫助我們回答這些區(qū)域在哪里，而這正是我們一直遺漏的東西?！?/p>

沉睡的巨人

當(dāng)帕洛斯于1970年剛搬到太平洋西北部時，幾乎沒有人意識到該地區(qū)面臨著巨大地震的風(fēng)險。歷史上這一地區(qū)最大的地震是1949年在華盛頓奧林匹亞發(fā)生的7.1級地震。但在20世紀(jì)80年代末，研究人員開始發(fā)現(xiàn)一些跡象表明，從北加州到不列顛哥倫比亞省南部的整個海岸線都有可能遭遇9級地震和巨大的海嘯。危險的源頭在離岸50公里處，在那里，一塊地殼會俯沖到另一塊下面。這塊區(qū)域叫作卡斯卡迪亞俯沖帶，連接處有1 000公里長，這里還是“太平洋火山帶”的一部分。這些俯沖帶造成了測量到的最大規(guī)模的地震，包括創(chuàng)紀(jì)錄的1960年智利的9.5級地震。1700年，一場里氏9級地震引發(fā)了海嘯，摧毀了卡斯卡迪亞的海岸沿線的村莊，并橫跨太平洋，波及了日本。

地震學(xué)家不確定下一次大地震何時會襲擊卡斯卡迪亞，可能是明天，也可能是幾個世紀(jì)以后。在其他的俯沖帶，科學(xué)家通過監(jiān)聽小型地震的模式來監(jiān)測地質(zhì)活動，并評估未來大地震的風(fēng)險。然而，在不列顛哥倫比亞省的加拿大地質(zhì)調(diào)查局的地震學(xué)家王凱林（Kelin Wang）說，卡斯卡迪亞卻“安靜得出奇”。它只經(jīng)歷了很少的小地震，否則的話我們便能研究這兩個構(gòu)造板塊是如何向?qū)Ψ巾斪策^去的?？ㄋ箍ǖ蟻喴虼顺蔀橐粋€沉睡的巨人，而且是一個危險的巨人，它使得波特蘭和西雅圖這樣的大城市處于危險中。

在陸地上，工程師可以利用全球定位系統(tǒng)（GPS）來追蹤更細(xì)微的地質(zhì)動蕩跡象——包括在火山噴發(fā)前周圍地面的抬升，或者沿著主要地質(zhì)斷層（比如加州的圣安德烈亞斯斷層）滑動的巖石。但在海底進(jìn)行這些測量是困難且昂貴的。只有在過去的幾年里，海底測地學(xué)才開始追趕上它們的陸基對應(yīng)科目，這要?dú)w功于新的工具和在海洋中部署它們的創(chuàng)新方法（參見“水下威脅”）。

從新西蘭、日本到智利，地球物理學(xué)家正致力于了解長期的地質(zhì)風(fēng)險，并開發(fā)一些方法來對沿海城市群發(fā)出地震和海嘯已經(jīng)開始的警告。大部分工作是基于政府資助的海底傳感器網(wǎng)絡(luò)。其他網(wǎng)絡(luò)由私人支持，比如帕洛斯。他的石英壓力傳感器中有6個位于俄勒岡州的海床上，時刻監(jiān)測著卡斯卡迪亞的哪些部分正在緩慢地移動，哪些部分固定在原地。

基于陸地上的GPS測量，地球物理學(xué)家已經(jīng)就卡斯卡迪亞提出了兩個相互競爭的模型。在其中一個里，下降的構(gòu)造板塊在上板塊下緩慢移動，在它緩慢移動的時候釋放出張力。在另一種情況下，這兩個板塊被固定在一起，從而導(dǎo)致危險的張力累積。

采取應(yīng)對措施

只使用陸基儀器，沒有辦法判斷哪種模型是正確的。王凱林說：“我們只是不知道它固定到什么程度上。這就是我們需要進(jìn)行近海測量的原因。我們已經(jīng)把陸基觀測所獲得的信息用盡了?！?/p>

隨著時間的推移，海洋學(xué)家在卡斯卡迪亞的海床布滿了監(jiān)控儀器。由華盛頓大學(xué)和加州拉荷亞的斯克里普斯海洋研究所領(lǐng)導(dǎo)的一個研究小組一直在努力建立一個系統(tǒng)，旨在長期測量海床的移動，確定此威脅的特性。該工作的關(guān)鍵是帕洛斯的石英傳感器。

50年前，派若斯公司開始開發(fā)石英傳感器，以測量諸如加速度、壓力變化和溫度等物理因素。這些傳感器依賴于石英的壓電性質(zhì)——在擠壓時產(chǎn)生電荷。當(dāng)被送到海底時，這種壓力傳感器就會測量其上水柱變化的壓力。在校正了波浪和潮汐等因素后，海洋學(xué)家可以探測到約1厘米范圍內(nèi)的或上或下的海床運(yùn)動。

派若斯公司是許多制造海洋壓力傳感器的公司之一。但帕洛斯本人是一個特別的復(fù)合型人才：一位企業(yè)家出身的業(yè)余科學(xué)家。他現(xiàn)在與該地區(qū)許多主要的地球物理學(xué)家都很親密。華盛頓大學(xué)的海洋地球物理學(xué)家威廉·威爾科克（William Wilcock）說：“杰里喜歡與工程師以及有技術(shù)頭腦的科學(xué)家交流。他確實以完成此事的純真愿望推動了共同體向前發(fā)展?！?/p>

早在1983年，派若斯傳感器就作為美國國家海洋和大氣管理局海嘯觀測系統(tǒng)的一部分置入太平洋。2006年（印度洋海嘯前兩年），帕洛斯向華盛頓大學(xué)捐贈了100萬美元以促進(jìn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究。這筆錢再加上2012年的100萬美元，幫助大學(xué)研究人員設(shè)計和測試了新一代的海底壓力傳感器。

華盛頓的斯克里普斯團(tuán)隊開發(fā)的最新海底測量儀被布置成一條粗糙的線，從俄勒岡海岸附近一直到俯沖帶。它們靜靜地伏在那里，監(jiān)測著它們上方的水壓。研究人員可以將這些數(shù)據(jù)與卡斯卡迪亞的下滑模型進(jìn)行比較。領(lǐng)導(dǎo)這項工作的威爾科克說：“10年內(nèi)，我們就能知道這個斷層是不是固定的。”

但即使是最好的壓力傳感器也只能顯示海床運(yùn)動的一個方面——上下。他們無法檢測到水平偏移。為此，研究人員必須轉(zhuǎn)向一種不同的技術(shù)，即在海床上每隔2～3公里安放兩個或更多的應(yīng)答器。每年，科學(xué)家們都坐船來到應(yīng)答器位置，并將聲波信號發(fā)送到設(shè)備上。通過測量信號在水中傳播的時間，研究人員可以判斷出，自上次監(jiān)測以來，應(yīng)答器是否已經(jīng)進(jìn)行了相對移動，由此判斷海床是否發(fā)生了水平移動。

活動之聲音

這種類型的海床聲波測距已在世界各地被廣泛采用。2015年末，德國亥姆霍茲海洋研究中心在智利的俯沖帶安裝了這樣一個網(wǎng)絡(luò)，以監(jiān)測那里的地震威脅。日本海岸警衛(wèi)隊每年都要花幾個月的時間在該國海岸線以外的數(shù)十個地方收集數(shù)據(jù)。斯克里普斯的地球物理學(xué)家大衛(wèi)·卡羅爾（David Chadwell）說，如果不用船只，而是使用名為“波滑翔機(jī)”的自動駕駛工具來收集數(shù)據(jù)的話，這些研究就能以很小的成本完成。大衛(wèi)說：“這是一個轉(zhuǎn)變?！彼恢痹诙砝諏轀y試波滑翔機(jī)，并希望盡快將它們投入到更廣泛的領(lǐng)域中。

為了了解卡斯卡迪亞的真正危險，地球物理學(xué)家需要部署多種類型的工具，包括離岸的和陸上的地震儀、大地測量儀器。但是地球物理學(xué)家們在這些傳感器的安放位置和數(shù)量上存在爭論。這些爭論有時會歸根于做基礎(chǔ)研究的人和那些關(guān)注地震和海嘯早期預(yù)警系統(tǒng)的人之間的斷裂。華盛頓大學(xué)的研究人員希望他們的網(wǎng)絡(luò)能夠同時為這兩類人服務(wù)。地震學(xué)家海蒂·休斯敦（Heidi Houston）說：“我們需要，而且也可以使這些科學(xué)儀器服務(wù)于多種目的，既能促進(jìn)科學(xué)認(rèn)識，又可以監(jiān)測危害。”休斯敦也是華盛頓大學(xué)的，但他不屬于構(gòu)建探測器網(wǎng)絡(luò)的那部分。

4月初，在華盛頓大學(xué)校園很是潮濕的那幾天里，主要研究人員聚集在一起并討論了監(jiān)控卡斯卡迪亞危險的最佳方法。經(jīng)過兩天的會談，與會者分成多個小組，設(shè)計他們的理想網(wǎng)絡(luò)。每一組都有一張巨大的卡斯卡迪亞海岸地圖，一束彩色的筆和一句箴言。威爾科克把這些團(tuán)體帶進(jìn)分組會議室時問道：“誰準(zhǔn)備好要畫了嗎？”

一些小組設(shè)想在海岸外的海床布置測量陣列，用波滑翔機(jī)收集數(shù)據(jù)。用地震儀來測量正在進(jìn)行的地震活動，用海嘯警報浮標(biāo)來預(yù)警任何危險的海浪。其他一些團(tuán)體則描繪了鋪設(shè)在海床上的電力電纜，再連接著科學(xué)儀器。這些布置不必使用滑翔機(jī)或浮標(biāo)來傳輸數(shù)據(jù)，而是直接通過電纜將它們的信息傳回海岸。

在卡斯卡迪亞已經(jīng)有兩個基準(zhǔn)臺了。海洋監(jiān)測臺主動電纜陣列操作著一根長900公里的電纜，這條電纜往返于俄勒岡州海岸與一座水下火山之間。在邊界的北側(cè)，加拿大的海洋網(wǎng)絡(luò)也有一條類似長度的電纜延伸到俯沖帶。它們在幾個節(jié)點(diǎn)上都攜帶著大地測量儀器和地震儀。

研討會上構(gòu)想的電纜網(wǎng)是這種電纜的一個巨大的擴(kuò)展版本，它們更像是一座價值1億美元的名為“東-2”的日本海底觀測站。該觀測站去年在南開海槽建成，此處位于大阪和神戶附近的一個俯沖帶。日本橫須賀的海洋地球科學(xué)與技術(shù)研究所的副主任勝芳川口說：“它的主干電纜鋪設(shè)了500公里，并有29個獨(dú)立的監(jiān)測臺?！?/p>

日本還有另一個更雄心勃勃的項目，要在5 700千米的電力電纜上安裝150個監(jiān)測臺。這個價值320萬美元的S-NET項目正在北海道以南的海上分階段安裝。第一部分在2016年5月開始，深水部分的安裝將在接下來的幾個月時間里完成。每一個監(jiān)測臺都包括每組約5萬美元的派若斯壓力傳感器。

日本兩個天文臺的數(shù)據(jù)都被錄入了全國范圍內(nèi)的地震和海嘯預(yù)警系統(tǒng)，這一系統(tǒng)在2011年日本東北大地震造成近16 000人死亡后，得到了急速發(fā)展。該事件還引發(fā)海嘯撲向福島核電站，造成了核反應(yīng)堆事故和全國范圍的能源危機(jī)。

帕洛斯希望有一天可以看到他的傳感器能作為一個廣泛的自然災(zāi)害監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的一部分，布滿海底的海床。他說：“每300年發(fā)生一次海嘯的問題在于，你不能從當(dāng)?shù)毓賳T那得到太多支持?！彼f此話時正開著一輛車在西雅圖兜風(fēng)。這輛福特500汽車配有個人化的石英板盤。因此，他走進(jìn)科學(xué)家群體中，努力讓他的傳感器放入盡可能多的海洋中去。最近，華盛頓大學(xué)的工程師在加利福尼亞蒙特利的一個小型海底觀測臺上部署了一組新的傳感器，而它們將在那里進(jìn)行幾個月的測試。

帕洛斯說：“我一直在做西西弗斯的事情，長久以來不斷地把巨石滾動到山上去。我只是想播下這些種子來證明這是可行的，也希望政府能認(rèn)識到這是一個重要的公共安全問題?！?/p>

[資料來源：Nature][責(zé)任編輯：朝 云]