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感知海底2万里 新设备助力海底地震探测—新闻—

发布时间:2017-12-03 阅读:

  感知海洋20,000英里的新设备帮助海底地震勘探 - 新闻 - 科学网

  居住在华盛顿州的杰里·帕罗斯担心地震就像是一个威胁邻居和自己的时间炸弹。因为美国西海岸就在太平洋沿岸。但是,与其他数百万人不同,帕罗斯试图采取行动来应对风险。他的公司发明了用于地震监测的石英传感器。帕罗斯最初用于化石能源开采等行业,现在打算用它来帮助世界避免自然灾害。

  他79岁的帕罗斯在办公室发表了自己的发明:在排球大小的金属框架内部,传感器通过上下移动感应大气压力的微小变化,甚至可以通过打开和关闭门而引起的压力变化被它捕获。在海床上,设备感应到水压的变化来猜测海床的深度。

  帕罗斯希望建立海洋地震预警系统。他向华盛顿大学捐赠了200万美元,用于和西北太平洋沿岸的大学研究人员进行测试。日本,智利等许多沿海国家也在研究海底地壳活动监测技术,并安装和测试各种传感装置。

  多年来,海床的断层运动一直使地球物理学家难以用水覆盖地球表面的70%,标准检测工具在海洋环境中没有任何作用。由帕罗斯创造的传感器允许不存在的地球物理学家有机会首次探测海底活动,这些传感器网络可以揭示哪些海底断层是无害的,哪些可能为下一次大地震积聚能量。

  这将有助于我们确定活动领域,这正是我们以前做不到的。华盛顿海洋大学海洋学家Emily Roland说。

  沉睡的巨人

  当帕罗斯于1970年搬到华盛顿州时,他并不了解太平洋西北地区经常发生地震的危险。

  有史以来最大规模的地震发生在1949年4月13日。当时,华盛顿州奥林匹亚发生7.1级地震。然而,从八十年代开始,研究人员发现,从北加利福尼亚到不列颠哥伦比亚省,整个北美西海岸面临着9级地震和海啸的威胁。危险源来自海洋底部,距离海岸50公里,正好在板块交汇处的下方。

  卡斯卡迪亚俯冲带长达1000公里,属于环太平洋地震带。自记录以来,海底俯冲带已经导致了几次超级地震,包括1960年智利9.5级地震。 1700年,卡斯卡迪亚发生海底地震,强度估计为9度,地震造成的海啸严重冲击北美海岸,太平洋另一边的日本也受到影响。

  卡斯卡迪亚俯冲带就像科学家紧张的定时炸弹。没有人知道下一次地震什么时候会来,可能明天或者几个世纪之后。目前,科学家监测其他俯冲带的地质活动,并通过监测小地震的模式来评估未来强震的风险。

  加拿大地质调查局地震专家王克林表示,卡斯卡迪亚俯冲带通常非常平静,近年来只有少数小的震动被发现,表明这个地区的板块构造是平静的。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开拓者和西雅图等城市的生命线掌握在手中。

  在陆地上,工程师可以使用全球定位系统(GPS)测量来追踪地质运动的微妙迹象,包括在火山喷发之前围绕山脉隆起或者沿着诸如加利福尼亚州圣安德烈亚斯断层等地质断层滑动的岩石。但是,监测海底地质运动是困难和昂贵的。直到最近几年,由于监测工具和部署方法的创新,海底调查逐渐赶上了陆基调查。

  从新西兰,日本到智利,来自世界各地的地球物理学家正试图了解长期的地质运动的风险,并在地震和海啸发作时及时发出警告。这项工作大部分是基于由政府资助的海底传感器网络,其中一小部分私人拥有的资金如帕罗斯(Paros)。帕罗斯在俄勒冈海岸附近的水域安装了六个石英压力传感器,以监测卡斯卡迪亚俯冲带的运动。

  基于地面GPS测量的科学家获得了两个不同的Cascadia俯冲带运动模型。其中之一表明降板的活动非常缓慢,在整个过程中释放压力。另一个想法是,这两个盘子被锁在一起,造成了压力积聚的危险。

  释放压力

  人们无法分辨这两种模式是否正确,或只有陆上仪器才是正确的。我们不知道板块锁定的程度,所以我们需要在海上进行测量。陆基测量是不够的。王说。

  海洋学家经常在卡斯卡迪亚的海底安装监测仪器,但只撒胡椒面。华盛顿大学和加利福尼亚斯克里普斯海洋学研究所的一个科学家小组正在试验一个系统,该系统在时间方面测量海床运动并评估威胁的性质。 Paros石英传感器在这项工作中起着关键的作用。

  帕罗斯在50年前开始开发石英传感器来测量加速度,压力变化和温度等物理因素。它的传感器部署在海底,可以测量水压的变化,在纠正波浪和潮汐引起的干扰后,海洋学家可以将海底上下移动1厘米。

  帕罗斯公司是制造船用压力传感器的公司之一,他拥有双重业务和研究背景,现在已经与当地的地球物理学家结合在一起。华盛顿大学的海洋地球物理学家威廉·威尔科克(William Wilcock)说:帕罗斯喜欢互动与工程师和技术人员,并致力于实现他的目标。

  早在1983年,帕罗斯传感器就参与了美国国家海洋和大气管理局的海啸观测系统,以监测太平洋的海洋活动,2004年海啸袭击了印度尼西亚,向华盛顿大学捐赠了100万美元,一个传感器网络的发展,这个捐赠和另外一个100万美元的捐赠,大学研究人员设计和测试新一代海底压力传感器,研究人员将收集到的数据与数学模型进行了比较,并有望得出一个结论十年之内的潜艇故障状况。

  但是,即使是最好的压力传感器也只能揭示海底的垂直和水平运动,而不能检测水平位移。研究人员用另一种方法来弥补这个问题。

  科学家每两三公里就在海底放置一台变压器。几乎每一年,科学家都会确定换能器的确切位置。通过计算海水流过的时间,研究人员可以确定海底是否与上次测量水平相比水平移动。

  聆听运动的声音

  目前,这种潜艇声测距技术已经在世界各地广泛使用。德国亥姆霍兹海洋研究中心在2015年为智利海岸消减带安装了这种传感器网络,以帮助智利政府监测地震威胁。日本海岸警卫队每年都要花几个月的时间从几十个国家的海岸线上采集数据,斯克里普斯研究所的地球物理学家戴维·查德威尔(David Chadwell)试图用自动化机器收集数据,以降低运营成本。

  为了了解Cascadia俯冲带隐藏的真实危险,地球治疗师需要部署各种工具,包括分别用于海洋和土地利用的地震仪和大地测量仪器。关注基础研究的科学家和那些关注地震和海啸预警仪器的位置以及如何最好地获取它们的科学家之间存在分歧。华盛顿大学希望新网络能够同时满足两个团体的需求。

  我们需要并能够使这些科学设备发挥多种用途,如促进科学知识和监测灾害。华盛顿大学的地震学家海蒂·休斯顿(Heidi Houston)。

  目前,卡斯卡迪亚俯冲带有两个基本的监测系统。海洋天文台电缆阵列连接俄勒冈州海岸和一个900公里长的海底火山。在加拿大以上,加拿大的海洋网络与海底消减带有相似的电缆长度,两根电缆沿各种测量仪器连接。

  另一方面,新方案比现有方案大得多,与去年完成的日本DONET-2海底监测项目更相似。日本横滨大陆海洋科学技术署天文台副主任Katsuyoshi Kawaguchi说,长达500公里的DONET-2主干电缆连接着29个独立的监测点。

  另外,日本目前正在建设第二个大型海底监测项目,计划部署5700公里的海底电缆连接150个监测点。这两个观测系统的数据将被输入日本国家地震和海啸预警系统。

  将来的一天,帕罗斯可能会看到他的传感器散落在卡斯卡迪亚海,作为自然灾害监测网络的一部分。最近,华盛顿大学的工程师们在加利福尼亚州蒙特雷湾的一个小型有线海底电台上部署了一个新的传感器,他们将在那里测试传感器数月。

  我一直在做西西弗斯的事情,试图把石头推到最高处。帕罗斯说。我只想播下种子,证明这是可行的,希望政府认识到这是一个重要的公共安全问题。 (张璋编)

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  自然报告(英文)

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