美国“地球透镜计划”10年回顾＊

美国“地球透镜计划”10年回顾＊

2001年，美国国家科学基金会（NSF）、美国地质调查局（USGS）和美国国家航空与航天局（NASA）联合发起地球透镜（Earthscope）计划。2003年该计划获美国国会批准，该为期15年（2003—2018）的探测项目预计将投入200亿美元，其目标是通过多学科、跨领域的研究与合作揭秘北美大陆的构造与演化。2014年1月，正值该计划启动10年之际，《今日物理学》（Physics Today）期刊刊登文章《北美大陆探测10年回顾》（Scoping out the North American continent，10years on），对美国地球透镜计划在过去10年所取得的研究进展总体进行了概括，以下就该文主要内容做个简要介绍。

1 研究进展

地球透镜计划包括4个子计划，即圣安德烈斯断裂深部观测站（SAFOD）、美国地震台阵（USArray）、板块边界观测站（PBO）和合成孔径干涉雷达（InSAR）建设计划。过去10年，该项目获得的有关北美大陆结构、演化和动力学数据已超过115TB，仅在刚刚过去的3年，就产出了超过330本相关出版物。

SAFOD的目的是打一口穿越圣安德烈斯断裂带的深钻孔，直接采集断裂带样品，测定断裂带的各种性质，监测深部蠕动和地震活动断裂带。最终该钻井选择在帕克菲尔德（Parkfield），在那里断层蠕动速率为2.54cm／a，钻孔内安装的金属套管的变形则显示出蠕动发生的位置。USGS研究人员表示，SAFOD最大的成果就是穿透了圣安德烈斯断裂带的蠕变部分并取得了在断层两侧岩石发生强烈变形的地带的岩芯，这也是人类首次钻至活动板块边界断层内孕震区深度。研究人员发现，在断层下方断层泥的岩石中只含有蛇纹岩，并且正是蛇纹岩和围岩的化学作用生成了异常的含水粘土矿物，这也是导致断层在一个低的剪切力下保持连续缓慢滑动的原因。这就解释了为什么圣安德烈斯断裂带在加州中部的活动比周围地区弱这一长期困扰科学家的难题。对研究地震力学的科学家来讲，这些岩芯珍贵得就好比是月岩。然而，SAFOD的目标并未完全实现。原本打算在井中放入众多观测仪器以测量断层带的各种属性。但是，设计用来测量地震信号、变形和电磁场的仪器由于地下深部恶劣的条件而宣告失败。过去5年该钻孔底部也仅是一个地震检波器在记录数据。

USArray最大的组成部分是移动台阵（Transportable Array），利用400台便携式遥测地震仪组成阵列进行移动观测，以70 km台间距布设巨型规则网，每个台站观测时间为2年，由西向东将全美大陆覆盖一次。当得知该移动台阵会将全美大陆整个覆盖，加州大学研究人员在每个台站配备了压力传感器，这样就可以记录每年数百次的大气层事件，包括煤矿爆炸、火箭发射等，他们甚至还记录到了去年的俄罗斯陨石事件。

由连续记录的遥感GPS接收器组成的中枢网络是PBO的主要部分。该GPS接收器可以追踪到至毫米级的地表变形，通过观察大地震发生后的数年甚至数十年变形速率的变化，就可以研究地壳和地幔的流变学。在美国西部正在利用400个GPS接收器的实时传输数据用作地震早期预警系统的关键部分。另有研究人员利用PBO数据得出植被、土壤水分和降雪等信息，并希望这些数据对水文学家、气候科学家和水管理者有用。

2 未来展望

目前移动台阵正在往阿拉斯加州转移，在那里台间距会变得更宽，并且为了适应冻土环境，还需要一些更小的仪器。很多的地球科学团体越来越依赖地球透镜计划观测站的设施。随着移动台阵的使用，一些观测站将变为永久的固定观测站。自地球透镜计划启动后，欧洲和中国已建立了地震检波器网络，未来很有可能建立新的网络并连接全球现有的网络以扩大其覆盖范围。未来还可能沿美洲西海岸部署一个俯冲带观测站，但这需要国际合作以及开发出连接海底地震与海表的GPS接收器和陆地观测站的相关技术。SAFOD科学家希望可以在靠近小型地震的区域进行钻井，并且在钻井中可以放置更多的仪器。当然，美国地球科学家的愿望清单中还包括一颗用来高分辨测量变形的雷达卫星，这也是地球透镜计划当初设计中未实现的第4大块内容。

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。

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

（中国科学院国家科学图书馆兰州分馆／中国科学院资源环境科学信息中心 刘学 编译）

（编译者电子信箱，刘学：liuxue＠llas.ac.cn）