让海底传感器拯救万千生命

赵北星/编译

让海底传感器拯救万千生命

赵北星/编译

发明家杰里·帕洛斯发明了一种石英传感器，可以帮助研究人员探测约1厘米范围内的海床运动

● 地球物理学家正加紧努力监测主要海底断层活动，寻找下一次灾难性地震发生的迹象。

杰里·帕洛斯（Jerry Paros）的家位于华盛顿州，他家附近沿海滴答滴答地响着的地质定时炸弹让他很是担心。但与担心地震和海啸的其他数百万人不同，帕洛斯正在为此采取行动。他的公司花费了数百万美元制造精密精确的石英传感器，用于石油、天然气和其他工业。现在他想用它们在自然灾害中拯救世界。

在派若斯公司的雷德蒙德总部，这位79岁的发明家从一张桌子上拿起一个排球大小的金属机架，把它举到肩膀高的地方，然后把它放低。在这个装置里，传感器会随着设备的上下移动，接收到大气压力的微小变化。他说：“现在，我会给你们一个非常昂贵的门铃。”这个门铃可以开关办公室的门以再次改变气压。在空中，帕洛斯的仪器可以记录下这种微弱的压力变换。但这个装置的最终目的地是离岸的海底，是数千米海浪的下方。在那里，它将感知上部水的重量，以探测海床深处的变化。帕洛斯希望他的超精密仪表成为早期预警系统的核心，该系统旨在探测地震何时改变海床，引发海啸。他向华盛顿大学捐赠了200万美元，并与其研究人员合作在太平洋西北部的海岸线上测试传感器。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移动，这一努力被称为海底测地学。他们正在竞相安装传感器，因为这些地区的地质断层引发了地球上最强大的地震和一些最严重的灾难。2004年，印尼的一场海底地震引发了海啸，造成近25万人死亡。

地球物理学家长期以来一直难以掌握离岸断层的活动，但帕洛斯创造的传感器，给了他们第一次机会，让他们可以监视由于被水覆盖而难以检测的70%的地壳运动。这些网络可以显示哪些海底断层在无害地滑动，哪些断层可能正为下一次大地震积蓄能量。

与帕洛斯一起工作的西雅图华盛顿大学的海洋学家艾米丽·罗兰（Emily Roland）说：“它将帮助我们回答这些区域在哪里，而这正是我们一直遗漏的东西。”

沉睡的巨人

当帕洛斯于1970年刚搬到太平洋西北部时，几乎没有人意识到该地区面临着巨大地震的风险。历史上这一地区最大的地震是1949年在华盛顿奥林匹亚发生的7.1级地震。但在20世纪80年代末，研究人员开始发现一些迹象表明，从北加州到不列颠哥伦比亚省南部的整个海岸线都有可能遭遇9级地震和巨大的海啸。危险的源头在离岸50公里处，在那里，一块地壳会俯冲到另一块下面。这块区域叫作卡斯卡迪亚俯冲带，连接处有1 000公里长，这里还是“太平洋火山带”的一部分。这些俯冲带造成了测量到的最大规模的地震，包括创纪录的1960年智利的9.5级地震。1700年，一场里氏9级地震引发了海啸，摧毁了卡斯卡迪亚的海岸沿线的村庄，并横跨太平洋，波及了日本。

地震学家不确定下一次大地震何时会袭击卡斯卡迪亚，可能是明天，也可能是几个世纪以后。在其他的俯冲带，科学家通过监听小型地震的模式来监测地质活动，并评估未来大地震的风险。然而，在不列颠哥伦比亚省的加拿大地质调查局的地震学家王凯林（Kelin Wang）说，卡斯卡迪亚却“安静得出奇”。它只经历了很少的小地震，否则的话我们便能研究这两个构造板块是如何向对方顶撞过去的。卡斯卡迪亚因此成为一个沉睡的巨人，而且是一个危险的巨人，它使得波特兰和西雅图这样的大城市处于危险中。

在陆地上，工程师可以利用全球定位系统（GPS）来追踪更细微的地质动荡迹象——包括在火山喷发前周围地面的抬升，或者沿着主要地质断层（比如加州的圣安德烈亚斯断层）滑动的岩石。但在海底进行这些测量是困难且昂贵的。只有在过去的几年里，海底测地学才开始追赶上它们的陆基对应科目，这要归功于新的工具和在海洋中部署它们的创新方法（参见“水下威胁”）。

从新西兰、日本到智利，地球物理学家正致力于了解长期的地质风险，并开发一些方法来对沿海城市群发出地震和海啸已经开始的警告。大部分工作是基于政府资助的海底传感器网络。其他网络由私人支持，比如帕洛斯。他的石英压力传感器中有6个位于俄勒冈州的海床上，时刻监测着卡斯卡迪亚的哪些部分正在缓慢地移动，哪些部分固定在原地。

基于陆地上的GPS测量，地球物理学家已经就卡斯卡迪亚提出了两个相互竞争的模型。在其中一个里，下降的构造板块在上板块下缓慢移动，在它缓慢移动的时候释放出张力。在另一种情况下，这两个板块被固定在一起，从而导致危险的张力累积。

采取应对措施

只使用陆基仪器，没有办法判断哪种模型是正确的。王凯林说：“我们只是不知道它固定到什么程度上。这就是我们需要进行近海测量的原因。我们已经把陆基观测所获得的信息用尽了。”

随着时间的推移，海洋学家在卡斯卡迪亚的海床布满了监控仪器。由华盛顿大学和加州拉荷亚的斯克里普斯海洋研究所领导的一个研究小组一直在努力建立一个系统，旨在长期测量海床的移动，确定此威胁的特性。该工作的关键是帕洛斯的石英传感器。

50年前，派若斯公司开始开发石英传感器，以测量诸如加速度、压力变化和温度等物理因素。这些传感器依赖于石英的压电性质——在挤压时产生电荷。当被送到海底时，这种压力传感器就会测量其上水柱变化的压力。在校正了波浪和潮汐等因素后，海洋学家可以探测到约1厘米范围内的或上或下的海床运动。

派若斯公司是许多制造海洋压力传感器的公司之一。但帕洛斯本人是一个特别的复合型人才：一位企业家出身的业余科学家。他现在与该地区许多主要的地球物理学家都很亲密。华盛顿大学的海洋地球物理学家威廉·威尔科克（William Wilcock）说：“杰里喜欢与工程师以及有技术头脑的科学家交流。他确实以完成此事的纯真愿望推动了共同体向前发展。”

早在1983年，派若斯传感器就作为美国国家海洋和大气管理局海啸观测系统的一部分置入太平洋。2006年（印度洋海啸前两年），帕洛斯向华盛顿大学捐赠了100万美元以促进传感器网络的研究。这笔钱再加上2012年的100万美元，帮助大学研究人员设计和测试了新一代的海底压力传感器。

华盛顿的斯克里普斯团队开发的最新海底测量仪被布置成一条粗糙的线，从俄勒冈海岸附近一直到俯冲带。它们静静地伏在那里，监测着它们上方的水压。研究人员可以将这些数据与卡斯卡迪亚的下滑模型进行比较。领导这项工作的威尔科克说：“10年内，我们就能知道这个断层是不是固定的。”

但即使是最好的压力传感器也只能显示海床运动的一个方面——上下。他们无法检测到水平偏移。为此，研究人员必须转向一种不同的技术，即在海床上每隔2～3公里安放两个或更多的应答器。每年，科学家们都坐船来到应答器位置，并将声波信号发送到设备上。通过测量信号在水中传播的时间，研究人员可以判断出，自上次监测以来，应答器是否已经进行了相对移动，由此判断海床是否发生了水平移动。

活动之声音

这种类型的海床声波测距已在世界各地被广泛采用。2015年末，德国亥姆霍兹海洋研究中心在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。日本海岸警卫队每年都要花几个月的时间在该国海岸线以外的数十个地方收集数据。斯克里普斯的地球物理学家大卫·卡罗尔（David Chadwell）说，如果不用船只，而是使用名为“波滑翔机”的自动驾驶工具来收集数据的话，这些研究就能以很小的成本完成。大卫说：“这是一个转变。”他一直在俄勒冈州测试波滑翔机，并希望尽快将它们投入到更广泛的领域中。

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，包括离岸的和陆上的地震仪、大地测量仪器。但是地球物理学家们在这些传感器的安放位置和数量上存在争论。这些争论有时会归根于做基础研究的人和那些关注地震和海啸早期预警系统的人之间的断裂。华盛顿大学的研究人员希望他们的网络能够同时为这两类人服务。地震学家海蒂·休斯敦（Heidi Houston）说：“我们需要，而且也可以使这些科学仪器服务于多种目的，既能促进科学认识，又可以监测危害。”休斯敦也是华盛顿大学的，但他不属于构建探测器网络的那部分。

4月初，在华盛顿大学校园很是潮湿的那几天里，主要研究人员聚集在一起并讨论了监控卡斯卡迪亚危险的最佳方法。经过两天的会谈，与会者分成多个小组，设计他们的理想网络。每一组都有一张巨大的卡斯卡迪亚海岸地图，一束彩色的笔和一句箴言。威尔科克把这些团体带进分组会议室时问道：“谁准备好要画了吗？”

一些小组设想在海岸外的海床布置测量阵列，用波滑翔机收集数据。用地震仪来测量正在进行的地震活动，用海啸警报浮标来预警任何危险的海浪。其他一些团体则描绘了铺设在海床上的电力电缆，再连接着科学仪器。这些布置不必使用滑翔机或浮标来传输数据，而是直接通过电缆将它们的信息传回海岸。

在卡斯卡迪亚已经有两个基准台了。海洋监测台主动电缆阵列操作着一根长900公里的电缆，这条电缆往返于俄勒冈州海岸与一座水下火山之间。在边界的北侧，加拿大的海洋网络也有一条类似长度的电缆延伸到俯冲带。它们在几个节点上都携带着大地测量仪器和地震仪。

研讨会上构想的电缆网是这种电缆的一个巨大的扩展版本，它们更像是一座价值1亿美元的名为“东-2”的日本海底观测站。该观测站去年在南开海槽建成，此处位于大阪和神户附近的一个俯冲带。日本横须贺的海洋地球科学与技术研究所的副主任胜芳川口说：“它的主干电缆铺设了500公里，并有29个独立的监测台。”

日本还有另一个更雄心勃勃的项目，要在5 700千米的电力电缆上安装150个监测台。这个价值320万美元的S-NET项目正在北海道以南的海上分阶段安装。第一部分在2016年5月开始，深水部分的安装将在接下来的几个月时间里完成。每一个监测台都包括每组约5万美元的派若斯压力传感器。

日本两个天文台的数据都被录入了全国范围内的地震和海啸预警系统，这一系统在2011年日本东北大地震造成近16 000人死亡后，得到了急速发展。该事件还引发海啸扑向福岛核电站，造成了核反应堆事故和全国范围的能源危机。

帕洛斯希望有一天可以看到他的传感器能作为一个广泛的自然灾害监测网络的一部分，布满海底的海床。他说：“每300年发生一次海啸的问题在于，你不能从当地官员那得到太多支持。”他说此话时正开着一辆车在西雅图兜风。这辆福特500汽车配有个人化的石英板盘。因此，他走进科学家群体中，努力让他的传感器放入尽可能多的海洋中去。最近，华盛顿大学的工程师在加利福尼亚蒙特利的一个小型海底观测台上部署了一组新的传感器，而它们将在那里进行几个月的测试。

帕洛斯说：“我一直在做西西弗斯的事情，长久以来不断地把巨石滚动到山上去。我只是想播下这些种子来证明这是可行的，也希望政府能认识到这是一个重要的公共安全问题。”

[资料来源：Nature][责任编辑：朝 云]