讓海底傳感器拯救萬千生命

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(dòng)

● 地球物理學(xué)家正加緊努力監(jiān)測主要海底斷層活動(dòng)，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(shí)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(dòng)。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)。現(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(gè)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(gè)裝置里，傳感器會(huì)隨著設(shè)備的上下移動(dòng)，接收到大氣壓力的微小變化。他說：“現(xiàn)在，我會(huì)給你們一個(gè)非常昂貴的門鈴?！边@個(gè)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(gè)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(shí)改變海床，引發(fā)海嘯。他向華盛頓大學(xué)捐贈(zèng)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(dòng)，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?yàn)檫@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(dòng)，但帕洛斯創(chuàng)造的傳感器，給了他們第一次機(jī)會(huì)，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(dòng)。這些網(wǎng)絡(luò)可以顯示哪些海底斷層在無害地滑動(dòng)，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(shí)，幾乎沒有人意識(shí)到該地區(qū)面臨著巨大地震的風(fēng)險(xiǎn)。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(gè)海岸線都有可能遭遇9級地震和巨大的海嘯。危險(xiǎn)的源頭在離岸50公里處，在那里，一塊地殼會(huì)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(shí)會(huì)襲擊卡斯卡迪亞，可能是明天，也可能是幾個(gè)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(dòng)，并評估未來大地震的風(fēng)險(xiǎn)。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(gè)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€(gè)沉睡的巨人，而且是一個(gè)危險(xiǎn)的巨人，它使得波特蘭和西雅圖這樣的大城市處于危險(xiǎn)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(dòng)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(dòng)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(xiǎn)，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(gè)位于俄勒岡州的海床上，時(shí)刻監(jiān)測著卡斯卡迪亞的哪些部分正在緩慢地移動(dòng)，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(gè)相互競爭的模型。在其中一個(gè)里，下降的構(gòu)造板塊在上板塊下緩慢移動(dòng)，在它緩慢移動(dòng)的時(shí)候釋放出張力。在另一種情況下，這兩個(gè)板塊被固定在一起，從而導(dǎo)致危險(xiǎn)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。”

隨著時(shí)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(gè)研究小組一直在努力建立一個(gè)系統(tǒng)，旨在長期測量海床的移動(dòng)，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(shí)產(chǎn)生電荷。當(dāng)被送到海底時(shí)，這種壓力傳感器就會(huì)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(dòng)。

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(gè)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(shí)以完成此事的純真愿望推動(dòng)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(zèng)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(jì)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(duì)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(xiàng)工作的威爾科克說：“10年內(nèi)，我們就能知道這個(gè)斷層是不是固定的?！?/p>

但即使是最好的壓力傳感器也只能顯示海床運(yùn)動(dòng)的一個(gè)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(gè)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(hào)發(fā)送到設(shè)備上。通過測量信號(hào)在水中傳播的時(shí)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(dòng)，由此判斷海床是否發(fā)生了水平移動(dòng)。

活動(dòng)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(gè)網(wǎng)絡(luò)，以監(jiān)測那里的地震威脅。日本海岸警衛(wèi)隊(duì)每年都要花幾個(gè)月的時(shí)間在該國海岸線以外的數(shù)十個(gè)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(dòng)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(gè)轉(zhuǎn)變。”他一直在俄勒岡州測試波滑翔機(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(xiǎn)，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(shí)會(huì)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(shí)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(shí)，又可以監(jiān)測危害?！毙菟苟匾彩侨A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(xiǎn)的最佳方法。經(jīng)過兩天的會(huì)談，與會(huì)者分成多個(gè)小組，設(shè)計(jì)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(huì)議室時(shí)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(dòng)，用海嘯警報(bào)浮標(biāo)來預(yù)警任何危險(xiǎn)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(gè)基準(zhǔn)臺(tái)了。海洋監(jiān)測臺(tái)主動(dòng)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(gè)節(jié)點(diǎn)上都攜帶著大地測量儀器和地震儀。

研討會(huì)上構(gòu)想的電纜網(wǎng)是這種電纜的一個(gè)巨大的擴(kuò)展版本，它們更像是一座價(jià)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(gè)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(gè)獨(dú)立的監(jiān)測臺(tái)。”

日本還有另一個(gè)更雄心勃勃的項(xiàng)目，要在5 700千米的電力電纜上安裝150個(gè)監(jiān)測臺(tái)。這個(gè)價(jià)值320萬美元的S-NET項(xiàng)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(gè)月時(shí)間里完成。每一個(gè)監(jiān)測臺(tái)都包括每組約5萬美元的派若斯壓力傳感器。

日本兩個(gè)天文臺(tái)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(gè)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(shí)正開著一輛車在西雅圖兜風(fēng)。這輛福特500汽車配有個(gè)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(gè)小型海底觀測臺(tái)上部署了一組新的傳感器，而它們將在那里進(jìn)行幾個(gè)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(dòng)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(shí)到這是一個(gè)重要的公共安全問題?！?/p>

[資料來源：Nature][責(zé)任編輯：朝 云]