全国地震监测阵列接近完成

这项雄心勃勃的计划旨在用可移动阵列覆盖美国本土48州,现在还将扩展到阿拉斯加

在缅因州崎岖的海岸线上,旅游小镇布斯贝以北,一台地下地震仪正在监听地震。工程师于 9 月 26 日启动了它,完成了耗资 9000 万美元的可移动阵列,这是一项雄心勃勃的计划,旨在用可移动的地震监测网格覆盖美国本土(参见“行进中”)。

自 2004 年以来,这组 400 台地震仪装载在卡车上,逐渐向东横跨大陆,从太平洋海岸穿过落基山脉和大平原,到达东海岸。在每个地点,技术人员都会挖洞将仪器埋在地下的塑料罐中。这个过程迄今为止描绘了北美地幔部分最清晰的图像,深入地表数百公里。该阵列阐明了慢速地震如何在太平洋西北海岸沿线扭动,以及熔岩如何在怀俄明州黄石国家公园深处的热点地区上升。

“随着阵列的移动,北美洲地下的全貌变得更加清晰,”华盛顿特区地震学研究联合会 (IRIS) 的地震学家安迪·弗拉塞托说,该机构负责运营这些站点。


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现在,可移动阵列的运营商正在将目光投向遥远的北方,这可能是他们迄今为止最艰巨的挑战。在几乎完成美国本土 48 州的工作后,地震仪将于明年春天开始重新安置到阿拉斯加——阿拉斯加是迄今为止美国地震活动最频繁的州,但尚未得到充分监测。该项目的经验丰富的工程师将不得不使用直升机将许多仪器运送到偏远地区,然后在冰冻的地面上钻孔,并安装带有电池组的地震仪,以确保它们在漫长的北方冬季正常工作。(另外一些站点将安装在加拿大边境的育空地区。)

图片来源:IRIS

可移动阵列以及其他永久和临时地震台站是构成更大规模的地球透镜计划的三个基石之一。地球透镜计划的构想是将地球深部的不同地球物理视图结合起来,为北美各地从事地球科学各个方面的研究人员提供大规模数据。地球透镜计划的第二个组成部分是以全球定位系统仪器形式存在的,这些仪器可以探测地面运动的微小变化,例如沿地质断层发生的那些变化。该计划的第三个组成部分是在加利福尼亚州圣安地列斯断层钻探了一个 3.2 公里深的洞,尽管当放入洞中的仪器在仅仅几天后停止工作时,这项工作就受到了破坏(参见Nature 459, 20–21; 2009)。

但是,地球透镜计划的前两个部分正在产生大量的见解。“我们通过整合事物学到的东西比我们单独做它们学到的东西要多得多,”犹他大学盐湖城分校的地球物理学家罗伯特·史密斯说,他是地球透镜计划的早期领导者之一。

当可移动阵列于 2004 年在美国国家科学基金会的资助下启动时,它只是加利福尼亚州圣地亚哥郊外的一个单独的站点。现在,它的 400 个站点以 70 公里的间隔排列成规则的网格。每个站点在地面停留大约两年,然后被挖出并重新部署到阵列的前沿。这些站点捕获来自近处和远处地震的地震波——地球科学家可以使用这些信息来探测地球深处,并且比其他较小的阵列更具规律性。

除其他外,地球透镜计划的地震数据使研究人员能够构建地球深部的图像,就像地质计算机断层扫描一样(Y. Yang J. Geophys. Res.113, B12310; 2008),并追踪来自大地震的震动,例如 2011 年 3 月日本的东北地震,以计算半个地球之外的断层是如何破裂的(M. Ishii Earth Planets Space63, 609–614; 2011)。

一些地震学家担心,随着阵列缓慢穿过美国,离开地震活跃的西部前往更平坦的东部,事情可能会变得无聊。但这并没有发生;事实上,最新的数据显示,落基山脉以东的地球地幔上部与西部一样复杂,伊利诺伊州埃文斯顿西北大学的地球物理学家苏珊·范德莱说,她于 10 月 30 日在科罗拉多州丹佛举行的美国地质学会年会上展示了这项工作。该阵列还捕获了 2011 年 8 月在弗吉尼亚州发生的令人惊讶的 5.8 级地震,以及 2012 年 10 月飓风桑迪席卷东海岸时引起的地震震动。

阵列部署非常顺利,以至于该项目还有剩余资金,并能够在安大略省南部和魁北克省增加 60 个先前未计划的加拿大站点,以研究圣劳伦斯海道沿线的地震带。其他梦想没有实现;一些科学家希望将每秒采集 40 次观测数据提高到 100 次。阵列管理器,IRIS 的罗伯特·巴斯比说,这样的改变会使数据存储和传输系统过载。

现在,随着阵列准备离开东海岸,项目经理正在着手解决明年春天雪融化后,五年期、4000 万美元的搬迁到阿拉斯加的后勤问题。目前位于东部的 400 个站点中,约有 160 个站点将保留下来,这是由四个联邦机构制定的计划的一部分,旨在填补人口稠密地区和核电站附近的地震监测空白。

地球透镜计划的管理者将使用节省下来的资金为阿拉斯加购买更耐用的设备,阿拉斯加的户外设备条件众所周知地恶劣。巴斯比的团队正在采购高容量锂离子电池,这些电池可以在夏季通过太阳能电池板充电,并在整个冬季生存。工程师们还在开发通过卫星电话中继数据的方法,因为阿拉斯加的移动电话网络仅覆盖该州的一小部分地区。

该团队计划将地震仪深埋在永久冻土层或坚硬的岩石中,而不是将地震仪埋在塑料容器中,塑料容器可能会随着地面融化和冻结而破裂。他们开发了一种轻型钻机,可以很容易地用直升机携带,因为许多地震站点没有公路通道。

后勤问题是阿拉斯加的站点间距不如美国本土 48 州密集的原因之一——每 85 公里而不是每 70 公里。即便如此,它们将提供比以往任何时候都更清晰、更深入的阿拉斯加地下情况视图。“这将会在很多方面产生巨大的影响,”阿拉斯加州安克雷奇美国地质调查局 (USGS) 的地质学家彼得·海斯勒说。“该州的部分地区将首次拥有地震仪。”

阿拉斯加还拥有北美洲最复杂的地质构造之一,太平洋地壳板块撞击并俯冲到大陆下方。然而,对于探测下伏地壳和地幔的工作却做得很少,这主要是因为为整个州配备仪器非常昂贵。“我们对它的理解还停留在‘零’阶,”丹佛美国地质调查局 (USGS) 的地球物理学家里克·索尔特斯说。现在,他说,“我们将获得第一阶的理解”。

本文经Nature杂志许可转载。这篇文章于 2013 年 11 月 5 日首次发表

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