發(fā)明家杰瑞?帕羅斯(Jerry Paros)發(fā)明的石英傳感器，將海底監(jiān)測(cè)的精確度提高到厘米級(jí)別。

 

　　現(xiàn)年79歲的發(fā)明家在公司Paroscientific位于雷德蒙德的總部向我們展示他的發(fā)明。一個(gè)排球大小的金屬架內(nèi)部，傳感器通過上下移動(dòng)感應(yīng)大氣壓力的微小變化，甚至開關(guān)門造成的氣壓變化都能被它捕捉到。在海底應(yīng)用中，儀器感應(yīng)水壓的變化，從而推測(cè)海底深處的震動(dòng)。
 

　　帕羅斯希望基于自己的發(fā)明打造一個(gè)海洋地震預(yù)警系統(tǒng)。他向華盛頓大學(xué)捐贈(zèng)了200萬美元研究資金，與大學(xué)科研人員在太平洋西北海岸海域進(jìn)行測(cè)試。
 

　　包括日本和智利在內(nèi)的許多沿海國家都在研究海底地殼活動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)，一般安裝測(cè)試各種傳感設(shè)備。環(huán)太平洋地震帶的地質(zhì)斷層產(chǎn)生地球上最猛烈的地震，對(duì)人類社會(huì)造成巨大災(zāi)難。2004年，印尼海底地震引發(fā)大海嘯，將近25萬人在巨浪中喪生。
 

　　多年來，海底的斷層運(yùn)動(dòng)一直是讓地球物理學(xué)家們感到棘手的難題，地球70%的表面被水覆蓋，標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)工具在海洋環(huán)境中毫無用武之力。帕羅斯創(chuàng)造的傳感器給無計(jì)可施的地球物理學(xué)家?guī)砀Ｒ簟＿@些傳感器網(wǎng)絡(luò)可以揭示哪些海底斷層是無害的，哪些又有可能在為下一次大地震積攢能量。
 

　　“它將幫助我們定位活動(dòng)區(qū)域，這正是我們此前辦不到的事。”華盛頓大學(xué)海洋學(xué)家艾米麗?羅蘭(Emily Roland)說。
 

　　沉睡的巨人
 

　　當(dāng)帕羅斯于1970年遷來華盛頓州，他并不了解西北太平洋沿岸地震頻發(fā)的危險(xiǎn)。該地區(qū)有記錄以來最大的地震當(dāng)屬1949年4月13日，華盛頓州奧林匹亞市發(fā)生的7.1級(jí)地震。從1980年代開始，研究人員發(fā)現(xiàn)南起加州北至英屬哥倫比亞，北美洲整個(gè)西海岸都面臨著9級(jí)強(qiáng)震和大海嘯的威脅。危險(xiǎn)根源來自距海岸50公里遠(yuǎn)的海洋底部，這個(gè)位置下面正是板塊交界處。卡斯卡迪亞俯沖帶長(zhǎng)達(dá)一千公里，是環(huán)太平洋火山地震帶的一部分，整個(gè)太平洋四周遍布這種不穩(wěn)定的地殼結(jié)構(gòu)。海底地殼潛沒曾導(dǎo)致有記錄以來的多次超級(jí)地震，其中包括1960年發(fā)正在智利的9.5級(jí)大地震。1700年，卡斯卡迪亞發(fā)生海底強(qiáng)震，估計(jì)強(qiáng)度達(dá)到9級(jí)，地震引起的海嘯讓北美沿岸深受重創(chuàng)，太洋另一端的日本也受到波及。
 

　　卡斯卡迪亞就像一顆定時(shí)炸彈讓科學(xué)家提心吊膽，誰也說不準(zhǔn)下一次地震什么時(shí)候到來，可能是明天，也可能是數(shù)世紀(jì)以后。科學(xué)家監(jiān)測(cè)其他俯沖帶的地質(zhì)活動(dòng)，并通過監(jiān)測(cè)小型地震的模式來評(píng)估未來強(qiáng)震的風(fēng)險(xiǎn)。加拿大地質(zhì)調(diào)查局地震專家王凱琳稱，卡斯卡迪亞通常十分平靜，近年來只檢測(cè)到很少幾次輕微震動(dòng)，暗示該地區(qū)的板塊運(yùn)動(dòng)處于平靜期。這使得卡斯卡迪亞成為一個(gè)沉睡的巨人，同時(shí)也是一個(gè)危險(xiǎn)的巨人，波特蘭和西雅圖等一眾城市的命脈把握在它手上。
 

　　在陸地上，工程師可以使用全球定位系統(tǒng)(GPS)來測(cè)量跟蹤細(xì)微的地質(zhì)運(yùn)動(dòng)跡象，包括火山爆發(fā)之前山體周圍地面的隆起，或者石塊沿地質(zhì)斷層滑動(dòng)，加州的圣安地列斯斷層便屬于后者。相比陸地，在海底進(jìn)行地質(zhì)運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)則困難且昂貴。得益于最近幾年監(jiān)測(cè)工具和部署方式的創(chuàng)新，海底測(cè)量學(xué)才逐漸趕上向陸地測(cè)量的水平。
 

 

　　從新西蘭、日本再到智利，各國的地球物理學(xué)家都在試圖了解長(zhǎng)期地質(zhì)運(yùn)動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)，并在地震和海嘯發(fā)生之初及時(shí)發(fā)布警報(bào)。大部分此類工作都基于政府資助建立的海底傳感器網(wǎng)絡(luò)，另外也有少部分由帕羅斯這樣的私人出資支持。帕羅斯在俄勒岡州沿岸的海域安裝了六個(gè)石英壓力傳感器，監(jiān)測(cè)卡斯卡迪亞地殼運(yùn)動(dòng)狀況。
 

　　科學(xué)家根據(jù)地表GPS測(cè)量得出了兩個(gè)不同的卡斯卡迪亞地殼運(yùn)動(dòng)的模型。其中一個(gè)顯示，下降的板塊異動(dòng)十分緩慢，在整個(gè)過程中釋放出壓力。另一個(gè)認(rèn)為，兩個(gè)板塊鎖定在一起，產(chǎn)生壓力積聚的危險(xiǎn)。
 

　　釋放壓力
 

　　人們無法僅通過陸基儀器判斷哪個(gè)是正確的，又或者兩者都不正確。“我們不知道板塊鎖定到了什么程度，所以才需要海上測(cè)量。陸基測(cè)量已經(jīng)不夠用了。”王凱琳說。
 

　　海洋學(xué)家在卡斯卡迪亞海底安裝了星羅棋布的監(jiān)測(cè)儀器。華盛頓大學(xué)和加州斯克利布斯海洋研究所聯(lián)合組建的科研團(tuán)隊(duì)正嘗試建立一個(gè)能夠在時(shí)間維度上測(cè)量海底運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)，并從中評(píng)估威脅的性質(zhì)。帕羅斯的石英傳感器在這項(xiàng)工作中扮演關(guān)鍵角色。
 

　　石英具有壓電效應(yīng)，受到壓力會(huì)產(chǎn)生電荷。利用這一特性，Paroscientific在五十年前開始研發(fā)能夠測(cè)量加速度、壓力變化和溫度等物理因素的石英傳感器。部署在海底的Paroscientific傳感器測(cè)量其上的水壓變化，在糾正了波浪和潮汐帶來的干擾之后，海洋學(xué)家能夠?qū)⒑５椎纳舷乱苿?dòng)精確到1厘米。
 

　　Paroscientific是制造海洋壓力傳感器的公司之一。帕羅斯自己具有商業(yè)和科研的雙重背景，他從一個(gè)企業(yè)家轉(zhuǎn)型成為業(yè)余科學(xué)家，現(xiàn)在已與當(dāng)?shù)氐牡厍蛭锢韺W(xué)圈子打成一片。華盛頓大學(xué)海洋地球物理學(xué)家威廉?威爾科克(William Wilcock)描述帕羅斯：“喜歡與工程技術(shù)人員和科技工作者進(jìn)行互動(dòng)。一心一意達(dá)成目標(biāo)，推動(dòng)團(tuán)體的進(jìn)步。”
 

　　早在1983年，Paroscientific傳感器就參與了美國國家海洋和大氣管理局的海嘯觀測(cè)系統(tǒng)，對(duì)太平洋地區(qū)的海洋運(yùn)動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。2004年印尼發(fā)生大海嘯，帕羅斯向華盛頓大學(xué)捐贈(zèng)100萬美元促進(jìn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的研發(fā)。在這筆捐贈(zèng)以及2012年的另一筆100萬美元捐款的幫助下，大學(xué)研究人員設(shè)計(jì)和測(cè)試新一代海底壓力傳感器。
 

　　由斯克里普斯研究所和華盛頓大學(xué)聯(lián)合研發(fā)的海底測(cè)量?jī)x被部署到俄勒岡州海岸和俯沖帶之間的海底中。研究人員將搜集到的數(shù)據(jù)與數(shù)學(xué)模型進(jìn)行對(duì)比，有望在十年內(nèi)對(duì)海底斷層狀況得出結(jié)論。
 

　　不過，即便是最好的壓力傳感器，也只能揭示海底板塊上-下一個(gè)維度的運(yùn)動(dòng)，而無法檢測(cè)到水平方向的位移。研究者使用另一種手段彌補(bǔ)這一不足。科學(xué)家們?cè)诤５滓詢伞⑷锏拈g隔放置轉(zhuǎn)發(fā)器。每隔上差不多一年的時(shí)間，科學(xué)家乘坐科研船測(cè)定轉(zhuǎn)發(fā)器的準(zhǔn)確位置信息。通過計(jì)算信通過海水的時(shí)間，研究者可以判斷與上次測(cè)量時(shí)相比，海底是否發(fā)生了水平移動(dòng)。
 

　　全球戒備
 

　　這種海底聲學(xué)測(cè)距技術(shù)被廣泛應(yīng)用在世界各地。德國基爾亥姆霍茲海洋研究中心在2015年為智利沿岸俯沖帶上安裝了這樣一個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)，幫助智利政府監(jiān)測(cè)地震威脅。日本海岸警衛(wèi)隊(duì)每年會(huì)投入幾個(gè)月的時(shí)間收集來自數(shù)十個(gè)國家海岸線上的數(shù)據(jù)。斯克里普斯研究所的地球物理學(xué)家大衛(wèi)?查德韋爾(David Chadwell)嘗試使用自動(dòng)航行的機(jī)器收集數(shù)據(jù)以減輕運(yùn)行成本，目前正在俄勒岡州展開測(cè)試。
 

　　為了了解卡斯卡迪亞蘊(yùn)藏的真正危險(xiǎn)，地球需理學(xué)家需要部署多種類型的工具，包括地震儀以及分別用于海洋和陸地的大地測(cè)量?jī)x器。關(guān)于儀器放置的位置以及如何得出最佳數(shù)據(jù)，側(cè)重基礎(chǔ)研究的科學(xué)家和那些專注地震、海嘯預(yù)警的研究者之間存在分歧。華盛頓大學(xué)希望他們的網(wǎng)絡(luò)能夠同時(shí)滿足這兩個(gè)群體的需要。
 

　　今年4月的早些時(shí)候，業(yè)界頂尖的研究者在華盛頓大學(xué)的校園齊聚一堂，探討監(jiān)測(cè)卡斯卡迪亞危險(xiǎn)的最佳方案。兩天的討論之后，與會(huì)者分成小組設(shè)計(jì)各自的理想方案。一些團(tuán)體設(shè)想在海底鋪設(shè)測(cè)量陣列，通過水面滑翔機(jī)搜集數(shù)據(jù)。其中包括使用地震儀測(cè)量正在進(jìn)行的地震活動(dòng)，配合海嘯警報(bào)浮標(biāo)，對(duì)危險(xiǎn)的海浪進(jìn)行預(yù)警。另有小組提出直接在海底鋪設(shè)線纜，用有線方式傳輸數(shù)據(jù)。
 

　　卡斯卡迪亞地區(qū)目前已有兩個(gè)基本的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。Ocean Observatories Initiative Cabled Array用一條長(zhǎng)達(dá)900公立的線纜往返連接俄勒岡州海岸和一處海底火山。在加拿大那邊，Ocean Networks Canada有一條長(zhǎng)度類似的線纜連接到海底俯沖帶。兩條線纜在布線沿途都連接有各種測(cè)量?jī)x器。
 

　　新方案的規(guī)模要比現(xiàn)有方案大的多，更類似于去年完工的日本DONET-2海底監(jiān)測(cè)項(xiàng)目。日本橫濱大陸海洋科學(xué)與技術(shù)局天文臺(tái)副主任川口義雄表示表示，DONET-2骨干線纜長(zhǎng)達(dá)500千米，沿途連接29個(gè)獨(dú)立監(jiān)測(cè)點(diǎn)。
 

　　日本眼下正在建設(shè)第二個(gè)規(guī)模更大的海底監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，計(jì)劃鋪設(shè)5700千米的海底線纜，連接150個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。耗資3.2億美元的S-NET項(xiàng)目正在北海道以南施工。第一部分已于2016年5月投入運(yùn)行，最深水域的線路將在未來數(shù)月安裝完畢。每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)造價(jià)約5萬美元，其中便配備有Paroscientific壓力傳感器。
 

　　以上兩個(gè)觀測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)匯入日本全國地震和海嘯預(yù)警系統(tǒng)，后者在2011年日本大地震造成1.6萬人死亡的悲劇之后愈加得到重視。2011年的大地震引發(fā)的海嘯造成福島核電站泄露事故，并引發(fā)日本國內(nèi)的能源危機(jī)。
 

　　未來某天，帕羅斯或許能看到他的傳感器遍布卡斯卡迪亞海域，成為廣泛的自然災(zāi)害監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的一部分。帕羅斯表示要想做好災(zāi)害緊急預(yù)警就不能與當(dāng)?shù)毓倭庞刑酄窟B，這也是他躬親力行投身科研的原因。上周，華盛頓大學(xué)的工程師在加州蒙特利灣的一個(gè)小型有線海底監(jiān)測(cè)站部署了一套新傳感器，并將在那里對(duì)傳感器進(jìn)行數(shù)月的測(cè)試。
 

　　“我一直在做西西弗斯式的事，試圖將巨石推向山頂。”帕羅斯說。“我只是想播下種子證明這是可行的，同時(shí)希望政府認(rèn)識(shí)到這是一個(gè)重要的公眾安全議題。”