發明家杰瑞·帕羅斯(Jerry Paros)發明的石英傳感器，將海底監測的度提高到厘米級別。

 

　　現年79歲的發明家在公司Paroscientific位于雷德蒙德的總部向我們展示他的發明。一個排球大小的金屬架內部，傳感器通過上下移動感應大氣壓力的微小變化，甚至開關門造成的氣壓變化都能被它捕捉到。在海底應用中，儀器感應水壓的變化，從而推測海底深處的震動。
 

　　帕羅斯希望基于自己的發明打造一個海洋地震預警系統。他向華盛頓大學捐贈了200萬美元研究資金，與大學科研人員在太平洋西北海岸海域進行測試。
 

　　包括日本和智利在內的許多沿海國家都在研究海底地殼活動監測技術，一般安裝測試各種傳感設備。環太平洋地震帶的地質斷層產生地球上猛烈的地震，對人類社會造成巨大災難。2004年，印尼海底地震引發大海嘯，將近25萬人在巨浪中喪生。
 

　　多年來，海底的斷層運動一直是讓地球物理學家們感到棘手的難題，地球70%的表面被水覆蓋，標準探測工具在海洋環境中毫無用武之力。帕羅斯創造的傳感器給無計可施的地球物理學家帶來福音。這些傳感器網絡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區域，這正是我們此前辦不到的事。”華盛頓大學海洋學家艾米麗·羅蘭(Emily Roland)說。
 

　　沉睡的巨人
 

　　當帕羅斯于1970年遷來華盛頓州，他并不了解西北太平洋沿岸地震頻發的危險。該地區有記錄以來大的地震當屬1949年4月13日，華盛頓州奧林匹亞市發生的7.1級地震。從1980年代開始，研究人員發現南起加州北至英屬哥倫比亞，北美洲整個西海岸都面臨著9級強震和大海嘯的威脅。危險根源來自距海岸50公里遠的海洋底部，這個位置下面正是板塊交界處。卡斯卡迪亞俯沖帶長達一千公里，是環太平洋火山地震帶的一部分，整個太平洋四周遍布這種不穩定的地殼結構。海底地殼潛沒曾導致有記錄以來的多次超級地震，其中包括1960年發正在智利的9.5級大地震。1700年，卡斯卡迪亞發生海底強震，估計強度達到9級，地震引起的海嘯讓北美沿岸深受重創，太洋另一端的日本也受到波及。
 

　　卡斯卡迪亞就像一顆定時炸彈讓科學家提心吊膽，誰也說不準下一次地震什么時候到來，可能是明天，也可能是數世紀以后。科學家監測其他俯沖帶的地質活動，并通過監測小型地震的模式來評估未來強震的風險。加拿大地質調查局地震專家王凱琳稱，卡斯卡迪亞通常十分平靜，近年來只檢測到很少幾次輕微震動，暗示該地區的板塊運動處于平靜期。這使得卡斯卡迪亞成為一個沉睡的巨人，同時也是一個危險的巨人，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，工程師可以使用定位系統(GPS)來測量跟蹤細微的地質運動跡象，包括火山爆發之前山體周圍地面的隆起，或者石塊沿地質斷層滑動，加州的圣安地列斯斷層便屬于后者。相比陸地，在海底進行地質運動監測則困難且昂貴。得益于近幾年監測工具和部署方式的創新，海底測量學才逐漸趕上向陸地測量的水平。
 

 

　　從新西蘭、日本再到智利，各國的地球物理學家都在試圖了解長期地質運動的風險，并在地震和海嘯發生之初及時發布警報。大部分此類工作都基于政府資助建立的海底傳感器網絡，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石英壓力傳感器，監測卡斯卡迪亞地殼運動狀況。
 

　　科學家根據地表GPS測量得出了兩個不同的卡斯卡迪亞地殼運動的模型。其中一個顯示，下降的板塊異動十分緩慢，在整個過程中釋放出壓力。另一個認為，兩個板塊鎖定在一起，產生壓力積聚的危險。
 

　　釋放壓力
 

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

　　海洋學家在卡斯卡迪亞海底安裝了星羅棋布的監測儀器。華盛頓大學和加州斯克利布斯海洋研究所聯合組建的科研團隊正嘗試建立一個能夠在時間維度上測量海底運動的系統，并從中評估威脅的性質。帕羅斯的石英傳感器在這項工作中扮演關鍵角色。
 

　　石英具有壓電效應，受到壓力會產生電荷。利用這一特性，Paroscientific在五十年前開始研發能夠測量加速度、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，海洋學家能夠將海底的上下移動到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和科研的雙重背景，他從一個企業家轉型成為業余科學家，現在已與當地的地球物理學圈子打成一片。華盛頓大學海洋地球物理學家威廉·威爾科克(William Wilcock)描述帕羅斯：“喜歡與工程技術人員和科技工作者進行互動。一心一意達成目標，推動團體的進步。”
 

　　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系統，對太平洋地區的海洋運動進行監測。2004年印尼發生大海嘯，帕羅斯向華盛頓大學捐贈100萬美元促進傳感器網絡的研發。在這筆捐贈以及2012年的另一筆100萬美元捐款的幫助下，大學研究人員設計和測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聯合研發的海底測量儀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據與數學模型進行對比，有望在十年內對海底斷層狀況得出結論。
 

　　不過，即便是好的壓力傳感器，也只能揭示海底板塊上-下一個維度的運動，而無法檢測到水平方向的位移。研究者使用另一種手段彌補這一不足。科學家們在海底以兩、三公里的間隔放置轉發器。每隔上差不多一年的時間，科學家乘坐科研船測定轉發器的準確位置信息。通過計算信通過海水的時間，研究者可以判斷與上次測量時相比，海底是否發生了水平移動。
 

　　戒備
 

　　這種海底聲學測距技術被廣泛應用在世界各地。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傳感器網絡，幫助智利政府監測地震威脅。日本海岸警衛隊每年會投入幾個月的時間收集來自數十個國家海岸線上的數據。斯克里普斯研究所的地球物理學家大衛·查德韋爾(David Chadwell)嘗試使用自動航行的機器收集數據以減輕運行成本，目前正在俄勒岡州展開測試。
 

　　為了了解卡斯卡迪亞蘊藏的真正危險，地球需理學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量儀器。關于儀器放置的位置以及如何得出佳數據，側重基礎研究的科學家和那些專注地震、海嘯預警的研究者之間存在分歧。華盛頓大學希望他們的網絡能夠同時滿足這兩個群體的需要。
 

　　今年4月的早些時候，業界的研究者在華盛頓大學的校園齊聚一堂，探討監測卡斯卡迪亞危險的佳方案。兩天的討論之后，與會者分成小組設計各自的理想方案。一些團體設想在海底鋪設測量陣列，通過水面滑翔機搜集數據。其中包括使用地震儀測量正在進行的地震活動，配合海嘯警報浮標，對危險的海浪進行預警。另有小組提出直接在海底鋪設線纜，用有線方式傳輸數據。
 

　　卡斯卡迪亞地區目前已有兩個基本的監測系統。Ocean Observatories Initiative Cabled Array用一條長達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量儀器。
 

　　新方案的規模要比現有方案大的多，更類似于去年完工的日本DONET-2海底監測項目。日本橫濱大陸海洋科學與技術局天文臺副主任川口義雄表示表示，DONET-2骨干線纜長達500千米，沿途連接29個獨立監測點。
 

　　日本眼下正在建設第二個規模更大的海底監測項目，計劃鋪設5700千米的海底線纜，連接150個監測點。耗資3.2億美元的S-NET項目正在北海道以南施工。部分已于2016年5月投入運行，深水域的線路將在未來數月安裝完畢。每個監測點造價約5萬美元，其中便配備有Paroscientific壓力傳感器。
 

　　以上兩個觀測系統的數據匯入日本全國地震和海嘯預警系統，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年的大地震引發的海嘯造成福島核電站泄露事故，并引發日本國內的能源危機。
 

　　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，成為廣泛的自然災害監測網絡的一部分。帕羅斯表示要想做好災害緊急預警就不能與當地官僚有太多牽連，這也是他躬親力行投身科研的原因。上周，華盛頓大學的工程師在加州蒙特利灣的一個小型有線海底監測站部署了一套新傳感器，并將在那里對傳感器進行數月的測試。
 

　　“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，同時希望政府認識到這是一個重要的公眾安全議題。”
 

　　(原標題："海洋地震"難以預測？厘米級傳感新技術是福音)