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厘米级传感器新技术预测“海洋地震”

仪表产业 2017年06月29日 08:27:53 来源:网易科学人人气:16652
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  【仪表网 仪表产业】美国西海岸正好处在环太平洋地震带上,家住华盛顿州的杰瑞·帕罗斯担心大地震就像一颗定时炸弹威胁着他的乡里。与其他人干着急不同,帕罗斯尝试用实际行动规避风险。他发明了用于地震监测的石英传感器,以此建立公司开展业务赚了大钱。地震传感器初用于化石能源开采等相关行业,现在,帕罗斯打算使用自己的发明,帮助全世界免遭自然灾害的影响。



发明家杰瑞·帕罗斯(Jerry Paros)发明的石英传感器,将海底监测的度提高到厘米级别。
 
  现年79岁的发明家在公司Paroscientific位于雷德蒙德的总部向我们展示他的发明。一个排球大小的金属架内部,传感器通过上下移动感应大气压力的微小变化,甚至开关门造成的气压变化都能被它捕捉到。在海底应用中,仪器感应水压的变化,从而推测海底深处的震动。
 
  帕罗斯希望基于自己的发明打造一个海洋地震预警系统。他向华盛顿大学捐赠了200万美元研究资金,与大学科研人员在太平洋西北海岸海域进行测试。
 
  包括日本和智利在内的许多沿海国家都在研究海底地壳活动监测技术,一般安装测试各种传感设备。环太平洋地震带的地质断层产生地球上猛烈的地震,对人类社会造成巨大灾难。2004年,印尼海底地震引发大海啸,将近25万人在巨浪中丧生。
 
  多年来,海底的断层运动一直是让地球物理学家们感到棘手的难题,地球70%的表面被水覆盖,标准探测工具在海洋环境中毫无用武之力。帕罗斯创造的传感器给无计可施的地球物理学家带来福音。这些传感器网络可以揭示哪些海底断层是无害的,哪些又有可能在为下一次大地震积攒能量。
 
  “它将帮助我们定位活动区域,这正是我们此前办不到的事。”华盛顿大学海洋学家艾米丽·罗兰(Emily Roland)说。
 
  沉睡的巨人
 
  当帕罗斯于1970年迁来华盛顿州,他并不了解西北太平洋沿岸地震频发的危险。该地区有记录以来大的地震当属1949年4月13日,华盛顿州奥林匹亚市发生的7.1级地震。从1980年代开始,研究人员发现南起加州北至英属哥伦比亚,北美洲整个西海岸都面临着9级强震和大海啸的威胁。危险根源来自距海岸50公里远的海洋底部,这个位置下面正是板块交界处。卡斯卡迪亚俯冲带长达一千公里,是环太平洋火山地震带的一部分,整个太平洋四周遍布这种不稳定的地壳结构。海底地壳潜没曾导致有记录以来的多次超级地震,其中包括1960年发正在智利的9.5级大地震。1700年,卡斯卡迪亚发生海底强震,估计强度达到9级,地震引起的海啸让北美沿岸深受重创,太洋另一端的日本也受到波及。
 
  卡斯卡迪亚就像一颗定时炸弹让科学家提心吊胆,谁也说不准下一次地震什么时候到来,可能是明天,也可能是数世纪以后。科学家监测其他俯冲带的地质活动,并通过监测小型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凯琳称,卡斯卡迪亚通常十分平静,近年来只检测到很少几次轻微震动,暗示该地区的板块运动处于平静期。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,波特兰和西雅图等一众城市的命脉把握在它手上。
 
  在陆地上,工程师可以使用全球定位系统(GPS)来测量跟踪细微的地质运动迹象,包括火山爆发之前山体周围地面的隆起,或者石块沿地质断层滑动,加州的圣安地列斯断层便属于后者。相比陆地,在海底进行地质运动监测则困难且昂贵。得益于近几年监测工具和部署方式的创新,海底测量学才逐渐赶上向陆地测量的水平。
 

 
  从新西兰、日本再到智利,各国的地球物理学家都在试图了解长期地质运动的风险,并在地震和海啸发生之初及时发布警报。大部分此类工作都基于政府资助建立的海底传感器网络,另外也有少部分由帕罗斯这样的私人出资支持。帕罗斯在俄勒冈州沿岸的海域安装了六个石英压力传感器,监测卡斯卡迪亚地壳运动状况。
 
  科学家根据地表GPS测量得出了两个不同的卡斯卡迪亚地壳运动的模型。其中一个显示,下降的板块异动十分缓慢,在整个过程中释放出压力。另一个认为,两个板块锁定在一起,产生压力积聚的危险。
 
  释放压力
 
  人们无法仅通过陆基仪器判断哪个是正确的,又或者两者都不正确。“我们不知道板块锁定到了什么程度,所以才需要海上测量。陆基测量已经不够用了。”王凯琳说。
 
  海洋学家在卡斯卡迪亚海底安装了星罗棋布的监测仪器。华盛顿大学和加州斯克利布斯海洋研究所联合组建的科研团队正尝试建立一个能够在时间维度上测量海底运动的系统,并从中评估威胁的性质。帕罗斯的石英传感器在这项工作中扮演关键角色。
 
  石英具有压电效应,受到压力会产生电荷。利用这一特性,Paroscientific在五十年前开始研发能够测量加速度、压力变化和温度等物理因素的石英传感器。部署在海底的Paroscientific传感器测量其上的水压变化,在纠正了波浪和潮汐带来的干扰之后,海洋学家能够将海底的上下移动到1厘米。
 
  Paroscientific是制造海洋压力传感器的公司之一。帕罗斯自己具有商业和科研的双重背景,他从一个企业家转型成为业余科学家,现在已与当地的地球物理学圈子打成一片。华盛顿大学海洋地球物理学家威廉·威尔科克(William Wilcock)描述帕罗斯:“喜欢与工程技术人员和科技工作者进行互动。一心一意达成目标,推动团体的进步。”
 
  早在1983年,Paroscientific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,对太平洋地区的海洋运动进行监测。2004年印尼发生大海啸,帕罗斯向华盛顿大学捐赠100万美元促进传感器网络的研发。在这笔捐赠以及2012年的另一笔100万美元捐款的帮助下,大学研究人员设计和测试新一代海底压力传感器。
 
  由斯克里普斯研究所和华盛顿大学联合研发的海底测量仪被部署到俄勒冈州海岸和俯冲带之间的海底中。研究人员将搜集到的数据与数学模型进行对比,有望在十年内对海底断层状况得出结论。
 
  不过,即便是好的压力传感器,也只能揭示海底板块上-下一个维度的运动,而无法检测到水平方向的位移。研究者使用另一种手段弥补这一不足。科学家们在海底以两、三公里的间隔放置转发器。每隔上差不多一年的时间,科学家乘坐科研船测定转发器的准确位置信息。通过计算信通过海水的时间,研究者可以判断与上次测量时相比,海底是否发生了水平移动。
 
  全球戒备
 
  这种海底声学测距技术被广泛应用在世界各地。德国基尔亥姆霍兹海洋研究中心在2015年为智利沿岸俯冲带上安装了这样一个传感器网络,帮助智利政府监测地震威胁。日本海岸警卫队每年会投入几个月的时间收集来自数十个国家海岸线上的数据。斯克里普斯研究所的地球物理学家大卫·查德韦尔(David Chadwell)尝试使用自动航行的机器收集数据以减轻运行成本,目前正在俄勒冈州展开测试。
 
  为了了解卡斯卡迪亚蕴藏的真正危险,地球需理学家需要部署多种类型的工具,包括地震仪以及分别用于海洋和陆地的大地测量仪器。关于仪器放置的位置以及如何得出佳数据,侧重基础研究的科学家和那些专注地震、海啸预警的研究者之间存在分歧。华盛顿大学希望他们的网络能够同时满足这两个群体的需要。
 
  今年4月的早些时候,业界的研究者在华盛顿大学的校园齐聚一堂,探讨监测卡斯卡迪亚危险的佳方案。两天的讨论之后,与会者分成小组设计各自的理想方案。一些团体设想在海底铺设测量阵列,通过水面滑翔机搜集数据。其中包括使用地震仪测量正在进行的地震活动,配合海啸警报浮标,对危险的海浪进行预警。另有小组提出直接在海底铺设线缆,用有线方式传输数据。
 
  卡斯卡迪亚地区目前已有两个基本的监测系统。Ocean Observatories Initiative Cabled Array用一条长达900公立的线缆往返连接俄勒冈州海岸和一处海底火山。在加拿大那边,Ocean Networks Canada有一条长度类似的线缆连接到海底俯冲带。两条线缆在布线沿途都连接有各种测量仪器。
 
  新方案的规模要比现有方案大的多,更类似于去年完工的日本DONET-2海底监测项目。日本横滨大陆海洋科学与技术局天文台副主任川口义雄表示表示,DONET-2骨干线缆长达500千米,沿途连接29个独立监测点。
 
  日本眼下正在建设第二个规模更大的海底监测项目,计划铺设5700千米的海底线缆,连接150个监测点。耗资3.2亿美元的S-NET项目正在北海道以南施工。部分已于2016年5月投入运行,深水域的线路将在未来数月安装完毕。每个监测点造价约5万美元,其中便配备有Paroscientific压力传感器。
 
  以上两个观测系统的数据汇入日本全国地震和海啸预警系统,后者在2011年日本大地震造成1.6万人死亡的悲剧之后愈加得到重视。2011年的大地震引发的海啸造成福岛核电站泄露事故,并引发日本国内的能源危机。
 
  未来某天,帕罗斯或许能看到他的传感器遍布卡斯卡迪亚海域,成为广泛的自然灾害监测网络的一部分。帕罗斯表示要想做好灾害紧急预警就不能与当地官僚有太多牵连,这也是他躬亲力行投身科研的原因。上周,华盛顿大学的工程师在加州蒙特利湾的一个小型有线海底监测站部署了一套新传感器,并将在那里对传感器进行数月的测试。
 
  “我一直在做西西弗斯式的事,试图将巨石推向山顶。”帕罗斯说。“我只是想播下种子证明这是可行的,同时希望政府认识到这是一个重要的公众安全议题。”
 
  (原标题:"海洋地震"难以预测?厘米级传感新技术是福音)
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