美國(guó)“地球透鏡計(jì)劃”10年回顧＊

美國(guó)“地球透鏡計(jì)劃”10年回顧＊

2001年，美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)（NSF）、美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局（USGS）和美國(guó)國(guó)家航空與航天局（NASA）聯(lián)合發(fā)起地球透鏡（Earthscope）計(jì)劃。2003年該計(jì)劃獲美國(guó)國(guó)會(huì)批準(zhǔn)，該為期15年（2003—2018）的探測(cè)項(xiàng)目預(yù)計(jì)將投入200億美元，其目標(biāo)是通過多學(xué)科、跨領(lǐng)域的研究與合作揭秘北美大陸的構(gòu)造與演化。2014年1月，正值該計(jì)劃啟動(dòng)10年之際，《今日物理學(xué)》（Physics Today）期刊刊登文章《北美大陸探測(cè)10年回顧》（Scoping out the North American continent，10years on），對(duì)美國(guó)地球透鏡計(jì)劃在過去10年所取得的研究進(jìn)展總體進(jìn)行了概括，以下就該文主要內(nèi)容做個(gè)簡(jiǎn)要介紹。

1 研究進(jìn)展

地球透鏡計(jì)劃包括4個(gè)子計(jì)劃，即圣安德烈斯斷裂深部觀測(cè)站（SAFOD）、美國(guó)地震臺(tái)陣（USArray）、板塊邊界觀測(cè)站（PBO）和合成孔徑干涉雷達(dá)（InSAR）建設(shè)計(jì)劃。過去10年，該項(xiàng)目獲得的有關(guān)北美大陸結(jié)構(gòu)、演化和動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)已超過115TB，僅在剛剛過去的3年，就產(chǎn)出了超過330本相關(guān)出版物。

SAFOD的目的是打一口穿越圣安德烈斯斷裂帶的深鉆孔，直接采集斷裂帶樣品，測(cè)定斷裂帶的各種性質(zhì)，監(jiān)測(cè)深部蠕動(dòng)和地震活動(dòng)斷裂帶。最終該鉆井選擇在帕克菲爾德（Parkfield），在那里斷層蠕動(dòng)速率為2.54cm／a，鉆孔內(nèi)安裝的金屬套管的變形則顯示出蠕動(dòng)發(fā)生的位置。USGS研究人員表示，SAFOD最大的成果就是穿透了圣安德烈斯斷裂帶的蠕變部分并取得了在斷層兩側(cè)巖石發(fā)生強(qiáng)烈變形的地帶的巖芯，這也是人類首次鉆至活動(dòng)板塊邊界斷層內(nèi)孕震區(qū)深度。研究人員發(fā)現(xiàn)，在斷層下方斷層泥的巖石中只含有蛇紋巖，并且正是蛇紋巖和圍巖的化學(xué)作用生成了異常的含水粘土礦物，這也是導(dǎo)致斷層在一個(gè)低的剪切力下保持連續(xù)緩慢滑動(dòng)的原因。這就解釋了為什么圣安德烈斯斷裂帶在加州中部的活動(dòng)比周圍地區(qū)弱這一長(zhǎng)期困擾科學(xué)家的難題。對(duì)研究地震力學(xué)的科學(xué)家來講，這些巖芯珍貴得就好比是月巖。然而，SAFOD的目標(biāo)并未完全實(shí)現(xiàn)。原本打算在井中放入眾多觀測(cè)儀器以測(cè)量斷層帶的各種屬性。但是，設(shè)計(jì)用來測(cè)量地震信號(hào)、變形和電磁場(chǎng)的儀器由于地下深部惡劣的條件而宣告失敗。過去5年該鉆孔底部也僅是一個(gè)地震檢波器在記錄數(shù)據(jù)。

USArray最大的組成部分是移動(dòng)臺(tái)陣（Transportable Array），利用400臺(tái)便攜式遙測(cè)地震儀組成陣列進(jìn)行移動(dòng)觀測(cè)，以70 km臺(tái)間距布設(shè)巨型規(guī)則網(wǎng)，每個(gè)臺(tái)站觀測(cè)時(shí)間為2年，由西向東將全美大陸覆蓋一次。當(dāng)?shù)弥撘苿?dòng)臺(tái)陣會(huì)將全美大陸整個(gè)覆蓋，加州大學(xué)研究人員在每個(gè)臺(tái)站配備了壓力傳感器，這樣就可以記錄每年數(shù)百次的大氣層事件，包括煤礦爆炸、火箭發(fā)射等，他們甚至還記錄到了去年的俄羅斯隕石事件。

由連續(xù)記錄的遙感GPS接收器組成的中樞網(wǎng)絡(luò)是PBO的主要部分。該GPS接收器可以追蹤到至毫米級(jí)的地表變形，通過觀察大地震發(fā)生后的數(shù)年甚至數(shù)十年變形速率的變化，就可以研究地殼和地幔的流變學(xué)。在美國(guó)西部正在利用400個(gè)GPS接收器的實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)用作地震早期預(yù)警系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。另有研究人員利用PBO數(shù)據(jù)得出植被、土壤水分和降雪等信息，并希望這些數(shù)據(jù)對(duì)水文學(xué)家、氣候科學(xué)家和水管理者有用。

2 未來展望

目前移動(dòng)臺(tái)陣正在往阿拉斯加州轉(zhuǎn)移，在那里臺(tái)間距會(huì)變得更寬，并且為了適應(yīng)凍土環(huán)境，還需要一些更小的儀器。很多的地球科學(xué)團(tuán)體越來越依賴地球透鏡計(jì)劃觀測(cè)站的設(shè)施。隨著移動(dòng)臺(tái)陣的使用，一些觀測(cè)站將變?yōu)橛谰玫墓潭ㄓ^測(cè)站。自地球透鏡計(jì)劃啟動(dòng)后，歐洲和中國(guó)已建立了地震檢波器網(wǎng)絡(luò)，未來很有可能建立新的網(wǎng)絡(luò)并連接全球現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)以擴(kuò)大其覆蓋范圍。未來還可能沿美洲西海岸部署一個(gè)俯沖帶觀測(cè)站，但這需要國(guó)際合作以及開發(fā)出連接海底地震與海表的GPS接收器和陸地觀測(cè)站的相關(guān)技術(shù)。SAFOD科學(xué)家希望可以在靠近小型地震的區(qū)域進(jìn)行鉆井，并且在鉆井中可以放置更多的儀器。當(dāng)然，美國(guó)地球科學(xué)家的愿望清單中還包括一顆用來高分辨測(cè)量變形的雷達(dá)衛(wèi)星，這也是地球透鏡計(jì)劃當(dāng)初設(shè)計(jì)中未實(shí)現(xiàn)的第4大塊內(nèi)容。

P315；

： D； doi：10.3969／j.issn.0235－4975.2014.02.003

自：Physics Today，2014，67（1）：19.

10.1063／PT.3.2237

2014－01－30。

原題：Scoping out the North American continent，10years on

（中國(guó)科學(xué)院國(guó)家科學(xué)圖書館蘭州分館／中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)信息中心 劉學(xué) 編譯）

（編譯者電子信箱，劉學(xué)：liuxue＠llas.ac.cn）