寻找下一次灾难性地震的迹象

杰里·帕罗斯(Jerry Paros)担心华盛顿州他家附近海岸的地质定时炸弹正在滴答作响。但与数百万担心地震和海啸有一天会袭击该地区的人不同，帕罗斯正在采取行动。他的公司为石油、天然气和其他行业应用制造精密的石英传感器，赚了数百万美元。现在他想用它们来拯救世界免受自然灾害。

在他的公司Paroscientific位于雷德蒙德的总部，这位79岁的发明家从桌子上拿起一个排球大小的金属架子，把它举到齐肩高，然后放低。在这个精巧的装置内部，当装置上下移动时，传感器会捕捉到大气压力的微小变化。“来，我给你一个非常昂贵的门铃，”他说着，打开又关上办公室的门，再次改变气压。在空气中，帕罗斯的仪器可以记录这种微妙的压力变化。但该设备的最终目的地是在海上，在海浪以下几公里处，它将感知上面海水的重量，以探测海底深度的变化。

帕罗斯希望他的超精密测量仪成为早期预警系统的核心，该系统旨在检测地震何时会改变海床，从而引发海啸。他向华盛顿大学捐赠了200万美元，并与该大学的研究人员合作，在太平洋西北沿岸测试传感器。

包括日本和智利在内的许多其他沿海国家都在努力监测海底的运动，这一工作被称为海底大地测量。他们竞相安装传感器，因为这些地区的地质断层会产生地球上最强烈的地震——以及一些最具破坏性的灾难。2004年，印度尼西亚海底地震引发海啸，造成近25万人死亡。

地球物理学家有长期以来，人们一直在努力研究近海断层的活动但帕罗斯发明的传感器使他们首次有机会侦察70%被水覆盖的地壳的大地运动，这使得标准工具无法探测到。这些网络可以揭示海底断层的哪些部分正在无害地滑动，哪些部分可能在为下一次大地震储存能量。

西雅图华盛顿大学的海洋学家艾米丽·罗兰(Emily Roland)说:“这将帮助我们回答这些区域在哪里这个大问题。”罗兰与帕罗斯合作。“这是我们一直缺失的东西。”

沉睡的巨人

1970年帕罗斯首次搬到太平洋西北部时，很少有人意识到该地区发生大地震的风险。该地区有记录以来最大的一次地震是1949年发生在华盛顿州奥林匹亚的7.1级地震。但到了20世纪80年代末，研究人员开始发现从加州北部到加拿大不列颠哥伦比亚省南部的整个海岸线可能经历9级地震和巨大海啸的迹象。危险的源头位于离岸约50公里处，在那里，地球外壳的一块覆盖到另一块之下。这个连接处被称为卡斯卡迪亚俯冲带，长1000公里，是“火环”的一部分，“火环”是一系列环绕太平洋的类似特征。潜没带会产生有测量过的最大地震，包括1960年智利发生的创纪录的9.5级地震。1700年，卡斯卡迪亚在一场估计为9级的地震中破裂，引发的海啸摧毁了卡斯卡迪亚沿岸的村庄，并横扫太平洋，日本也有人被淹死。

地震学家不确定下一次大地震什么时候会袭击卡斯卡迪亚。可能是明天，也可能是几个世纪以后。在其他俯冲带，科学家们监测地质活动，并通过倾听小地震的模式来评估未来大地震的风险。然而，位于不列颠哥伦比亚省悉尼的加拿大地质调查局的地震学家Kelin Wang说，卡斯卡迪亚“安静得可怕”。它很少经历小地震，而小地震可能会说明两个构造板块是如何相互碰撞的。这使得卡斯卡迪亚成为一个沉睡的巨人——同时也是一个危险的巨人，波特兰和西雅图等大城市都处于危险之中。

在陆地上，工程师可以使用全球定位系统(GPS)的测量数据来追踪地质动荡的更微妙的迹象——包括火山爆发前周围的地面隆起，或者岩石沿着主要地质断层滑动，例如加利福尼亚的圣安德烈亚斯断层。但在海底进行这些测量既困难又昂贵。仅仅在过去的几年里，由于在海洋中部署了新的工具和创新的方法，海底大地测量学才开始追赶陆上大地测量学(见“水下的威胁”)。

地球物理学家根据陆地上的GPS测量，为卡斯卡迪亚(Cascadia)开发了两个相互竞争的模型(通用汽车Schmalzle等．Geochem。地球物理学。Geosyst。15,1515 - 1532;2014)．其中一种情况是，下沉的构造板块在上板块下方移动非常缓慢，在移动过程中释放压力。在另一种情况下，两个板块被锁在一起，导致了张力的危险累积。

把压力

如果只使用陆地仪器，就无法判断哪种模型是正确的。“我们只是不知道它被锁到什么程度，”王说。“这就是为什么我们需要海上测量。我们已经耗尽了来自陆地观测的信息。”

不时地，海洋学家在卡斯卡迪亚的海床上布满了监测仪器．由华盛顿大学和位于加州拉霍亚的斯克里普斯海洋学研究所领导的一个团队一直致力于创建一个系统，该系统可以测量海底随时间的移动，并确定威胁的性质。这项工作的关键是帕罗斯的石英传感器。

50年前，parparscientific开始开发石英传感器，用于测量加速度、压力变化和温度等物理因素。这种传感器依赖于石英的压电特性——当被挤压时，它会产生电荷。当被送到海底时，一个parosscientific压力传感器会测量上面水柱的压力变化。在校正了海浪和潮汐等因素后，海洋学家可以探测到海底上下的运动，误差不超过1厘米。

parosscientific是众多生产海洋压力传感器的公司之一。但帕罗斯本人是一个不同寻常的混合体:从企业家变成业余科学家，现在与该地区许多顶尖的地球物理学家交往甚好。“杰瑞喜欢与工程师和有技术头脑的科学家交流，”华盛顿大学的海洋地球物理学家威廉·威尔科克(William Wilcock)说。“他一心一意要完成这件事，这确实推动了社区的发展。”

早在1983年，作为美国国家海洋和大气管理局海啸观测系统的一部分，parosscientific传感器就被送往太平洋。2006年，受两年前印度洋海啸的破坏影响，帕罗斯向华盛顿大学提供了100万美元，以刺激传感器网络的研究。这笔钱，加上2012年的另外100万美元，帮助大学研究人员设计和测试新一代的海底压力传感器(Sasagawa, m.a. Zumberge, IEEE J.海洋。Eng。38,447 - 454;2013)．

斯克里普斯-华盛顿团队开发的最新海底测量仪，从俄勒冈海岸附近一直到俯冲带，排列成一条粗略的线。它们静静地躺在那里，感受着头顶水面的脉搏。研究人员可以将这些数据与卡斯卡迪亚如何滑动的模型进行比较。“在十年之内，我们将知道断层是否锁定，”Wilcock说，他帮助领导了这项工作。

但即使是最好的压力传感器也只能揭示海底运动的一个方面——上下。它们无法检测到水平位移。为此，研究人员必须求助于一种不同的技术，这需要两个或更多的应答器，它们分别位于相隔2-3公里的海底。每年左右，科学家们都会乘船访问应答器所在的位置，向设备发送声波信号。通过测量信号在水中传播所需的时间，研究人员可以知道自上次访问以来，应答器之间是否发生了相对移动，从而知道海底是否发生了水平移动。

运动的声音

这种海底声波测距在世界各地都在使用。2015年底，位于德国基尔的GEOMAR Helmholtz海洋研究中心沿着智利的俯冲带安装了这样一个网络，以监测那里的地震威胁。日本海上保安厅每年花几个月的时间在该国海岸线附近的几十个地点收集数据。斯克里普斯的地球物理学家大卫·查德韦尔(David Chadwell)说，通过使用被称为波浪滑翔机(wave gliders)的自动驾驶车辆来收集数据，而不是使用船只，研究工作可以以很小的成本完成。“这是一种转变，”查德韦尔说，他一直在俄勒冈州附近测试这种波浪滑翔机，并希望很快将其推广使用。

为了了解卡斯卡迪亚的真正危险，地球物理学家需要部署多种类型的工具，包括地震检波器和陆地上的大地测量仪器。但是，地球物理学家们争论在哪里放置这些传感器以及每种传感器的理想数量。这些分歧有时可以归结为那些从事基础研究的人和那些专注于开发地震和海啸预警系统的人之间的分歧。华盛顿大学的研究人员希望他们的网络可以服务于这两个群体。“我们需要，也能够，使这些科学仪器有多种用途，促进科学理解和监测灾害，”地震学家海蒂·休斯顿说，她也在华盛顿大学，但没有参与传感器网络的工作。

四月初，在华盛顿大学校园里潮湿的几天里，主要的研究人员聚集在一起，讨论监控卡斯卡迪亚危险的最佳方法。经过两天的会谈，与会者分成小组，设计他们理想的网络。每个小组都得到一份打印出来的卡斯卡迪亚沿海地图，一堆彩色笔和一句鼓励大家要有远大梦想的话。“谁准备好抽了?”威尔科克一边问，一边领着这些人进入休息室。

一些小组设想在海岸外铺设海床大地测量阵列，由波浪滑翔机通过收集数据。其中包括测量正在进行的地震活动的地震检波器，以及警告任何危险海浪的海啸警报浮标。其他一些小组勾画了铺设在海底的电缆，上面装饰着科学仪器。这些阵列不使用滑翔机或浮标传输数据，而是直接通过电缆将信息发送回海岸。

卡斯卡迪亚已经有两个基本的天文台。海洋天文台倡议电缆阵列运营着一条900公里长的电缆，从俄勒冈州海岸延伸到一座水下火山，然后再返回。在边境北部，加拿大海洋网络公司也有类似长度的电缆转到俯冲带。两者都在其长度的几个节点上携带大地测量和地震仪器。

在车间里设想的电缆将是这些电缆的巨大扩展。它们将更接近日本耗资1亿美元建造的海底观测台DONET-2。该观测台去年在南开海槽建成，位于大阪和神户附近的俯冲带的一部分。位于横须贺的日本海洋地球科学技术机构的天文台副主任Katsuyoshi Kawaguchi说，它的主干电缆长达500公里，沿线分布着29个独立的天文台。

第二个更雄心勃勃的项目正在日本进行，将沿着5700公里长的电力电缆连接150个天文台。耗资3.2亿美元的S-NET项目正在北海道以南的海上分阶段安装。第一部分于2016年5月开始运行，最深的部分将在未来几个月安装。每个观测站都配有parosscientific压力传感器，每包费用约为5万美元。

这两个观测站的数据将输入全国地震和海啸预警系统，该系统在2011年造成近1.6万人死亡的东北大地震后得到了大幅加强。这一事件还导致了海啸进入福岛核电站，引发了核反应堆事故和全国性的能源危机．

帕罗斯希望有一天能看到他的传感器遍布卡斯卡迪亚的海底，成为广泛的自然灾害监测网络的一部分。“每300年发生一次的海啸的问题是，你无法吸引当地官员的注意，”他说，他开着一辆明智的汽车，他的福特500，在西雅图周围行驶，他的个性化车牌上写着QUARTZ。所以他和科学家们一起，努力把他的压力表带进尽可能多的海洋。上周，华盛顿大学(University of Washington)的工程师在加利福尼亚州蒙特利(Monterey)附近的一个小型海底电缆观测台部署了一套新的传感器;它将在那里停留几个月进行测试。

帕罗斯说:“我一直在做西西弗斯的事，把巨石推到山上。”“我只是想播下种子，证明这是可行的，希望政府会认识到这是一个重要的公共安全问题。”

本文已获许可转载第一次出版2017年6月21日。