杰瑞·帕罗斯担心地质定时炸弹正在他位于华盛顿州海岸附近的家外滴答作响。但与数百万担心有一天会震撼该地区的地震和海啸的人们不同，帕罗斯正在为此做些什么。他的公司通过为石油、天然气和其他行业应用制造极其精确的石英传感器赚了数百万美元。现在他想用它们来拯救世界免受自然灾害。
在他公司位于雷德蒙德的总部，这位 79 岁的发明家从桌子上拿起一个排球大小的金属架，举到肩膀的高度，然后放下。在装置内部，传感器会捕捉到设备上下移动时大气压的微小变化。“来，我给你一个非常昂贵的门铃，”他说，打开和关闭办公室的门，再次改变气压。在空气中，帕罗斯的仪器可以记录到如此细微的压力变化。但该设备的最终目的地是在离岸数公里的海浪之下，在那里它将感知上方水的重量，以检测海底深度的变化。
帕罗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移动海底，从而引发海啸。他已向华盛顿大学捐赠了 200 万美元，并与该大学的研究人员合作，在太平洋西北海岸线附近测试传感器。
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包括日本和智利在内的许多其他沿海国家正在努力监测海底的运动，这项工作被称为海底大地测量。他们竞相安装传感器，因为这些地区的地质断层会产生地球上最强烈的地震——以及一些最具破坏性的灾难。2004 年，印度尼西亚附近的一次海底地震引发海啸，造成近 25 万人丧生。
地球物理学家长期以来一直努力掌握海底断层的行为，但帕罗斯等人创造的传感器正在为他们提供首次机会来窥探占地球地壳 70% 的水域的大地测量运动，这使得标准工具无法触及。这些网络可以揭示海底断层的哪些部分正在无害滑动，哪些部分可能正在为下一次大地震储存能量。
“这将帮助我们回答那些区域在哪里的重大问题，”华盛顿大学西雅图分校的海洋学家艾米丽·罗兰说，她与帕罗斯合作。“这是我们一直缺失的东西。”
沉睡的巨人
当帕罗斯于 1970 年首次搬到太平洋西北地区时，很少有人认识到该地区发生巨型地震的风险。该地区有记录以来最大的震动是 1949 年袭击华盛顿州奥林匹亚的 7.1 级地震。但到 20 世纪 80 年代末，研究人员开始发现迹象表明，从北加利福尼亚州到加拿大不列颠哥伦比亚省南部的整个海岸线都可能发生 9 级地震和巨型海啸。危险源位于离岸约 50 公里的地方，那里地球外壳的一部分潜入另一部分之下。这个交界处被称为卡斯卡迪亚俯冲带，长 1000 公里，是“环太平洋火山带”的一部分，环太平洋火山带是一系列类似的特征环绕太平洋。俯冲带产生有史以来测量到的最大地震，包括 1960 年智利创纪录的 9.5 级地震。1700 年，卡斯卡迪亚发生估计为 9 级的地震，释放出的海啸摧毁了卡斯卡迪亚海岸沿线的村庄，并横扫太平洋，淹死了日本的人们。
地震学家不确定下一次大地震何时可能袭击卡斯卡迪亚。可能是明天，也可能是几百年后。在其他俯冲带，科学家通过倾听较小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，卡斯卡迪亚“异常安静”，加拿大地质调查局位于不列颠哥伦比亚省悉尼市的地震学家凯林·王说。它很少发生小地震，否则这些小地震可能会阐明两个构造板块是如何相互移动的。这使得卡斯卡迪亚成为一个沉睡的巨人——而且是一个危险的巨人，波特兰和西雅图等主要城市都面临风险。
在陆地上，工程师可以使用全球定位系统 (GPS) 的测量结果来跟踪更微妙的地质不稳定迹象——包括火山爆发前地面隆起，或岩石沿着主要地质断层（如加利福尼亚州的圣安地列斯断层）滑动。但在海底进行这些测量非常困难且昂贵。由于新工具和在海洋中部署它们的创新方法，海底大地测量学直到最近几年才开始赶上其陆基同行（参见“水下威胁”）。
从新西兰和日本到智利，地球物理学家正在努力了解长期地质风险，并开发方法来警告沿海社区已经开始发生的地震和海啸。大部分工作基于政府资助的海底传感器网络。其他网络则有私人支持，来自帕罗斯等资助者。他的六个石英压力传感器目前位于俄勒冈州附近的海底，监测卡斯卡迪亚的哪些部分正在缓慢蠕动，哪些部分被锁定到位。
根据陆地上的 GPS 测量结果，地球物理学家开发了卡斯卡迪亚的两种竞争模型（G. M. Schmalzle et al. Geochem. Geophys. Geosyst. 15, 1515–1532; 2014）。其中一种模型认为，下降的构造板块在上覆板块下方移动非常缓慢，并在蠕动时释放应变。另一种模型认为，两个板块锁定在一起，从而允许危险的应变累积。
承受应变
仅使用陆基仪器，无法判断哪种模型是正确的——如果其中任何一种是正确的话。“我们只是不知道它在多大程度上被锁定，”王说。“这就是我们需要海上测量的原因。我们已经耗尽了来自陆基观测的信息。”
时不时地，海洋学家会在卡斯卡迪亚的海底布满监测仪器。由华盛顿大学和加利福尼亚州拉霍亚的斯克里普斯海洋研究所领导的一个团队一直在努力创建一个系统，该系统可以测量海底随时间的运动，并确定威胁的性质。这项工作的关键是帕罗斯的石英传感器。
五十年前，Paroscientific 开始开发石英传感器来测量物理因素，如加速度、压力变化和温度。这些传感器依赖于石英的压电特性——当受到挤压时，它会产生电荷。当发送到海底时，Paroscientific 压力传感器会测量上方水柱的变化压力。在校正波浪和潮汐等因素后，海洋学家可以检测到约 1 厘米以内的海底向上或向下运动。
“我们已经耗尽了来自陆基观测的信息。”
Paroscientific 是众多制造海洋压力传感器的公司之一。但帕罗斯本人却是一个不寻常的混合体：一位企业家出身的业余科学家，现在与该地区许多顶尖的地球物理学家交往。“杰瑞喜欢与工程师和技术头脑的科学家互动，”华盛顿大学的海洋地球物理学家威廉·威尔科克说。“他确实以其一心一意想要完成这项工作的愿望推动着社区前进。”
早在 1983 年，Paroscientific 传感器就被送入太平洋，作为美国国家海洋和大气管理局海啸观测系统的一部分。2006 年，帕罗斯被两年前印度洋海啸的破坏震惊，向华盛顿大学捐赠了 100 万美元，以刺激传感器网络的研究。这笔钱，加上 2012 年的另外 100 万美元，帮助大学研究人员设计和测试新一代海底压力传感器（G. Sasagawa 和 M. A. Zumberge IEEE J. Ocean. Eng. 38, 447–454; 2013）。
斯克里普斯-华盛顿团队开发的最新海底仪表以大致直线排列，从俄勒冈州海岸附近一直延伸到俯冲带。它们静静地在那里，探测着上方水的脉搏。研究人员可以将这些数据与他们关于卡斯卡迪亚如何滑动的模型进行比较。“在十年内，我们将知道断层是否被锁定，”帮助领导这项工作的威尔科克说。
但即使是最好的压力传感器也只能揭示海底运动的一个方面——向上和向下。它们无法检测到水平位移。为此，研究人员必须转向另一种技术，该技术涉及两个或多个相距 2-3 公里的海底应答器。科学家们每年左右都会乘船访问应答器位置，并向这些设备发射声波信号。通过测量信号在水中传播所需的时间，研究人员可以判断自上次访问以来应答器是否相对于彼此发生了位移，从而判断海底是否发生了水平移动。
运动的声音
这种类型的海底声学测距在全球范围内使用。德国基尔的 GEOMAR 亥姆霍兹海洋研究中心于 2015 年底在智利附近的海底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花费数月时间收集该国海岸线数十个地点的数据。斯克里普斯海洋研究所的地球物理学家戴维·查德韦尔说，通过使用称为波浪滑翔机的自主航行器收集数据，而不是使用船舶，研究可以以一小部分成本完成。“这已经是一场变革，”查德韦尔说，他一直在俄勒冈州附近测试波浪滑翔机，并希望很快将其更广泛地投入使用。
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，包括地震仪以及大地测量仪器，无论是在海上还是在陆地上。但地球物理学家们争论传感器应该放在哪里，以及每种类型的传感器的理想数量。这些分歧有时会归结为追求基础研究的人和专注于开发地震和海啸早期预警系统的人之间的分歧。华盛顿大学的研究人员希望他们的网络能够为这两个群体服务。“我们需要并且可以使这些科学仪器服务于多种目的，既促进科学理解，又监测灾害，”华盛顿大学的地震学家海蒂·休斯顿说，她也来自华盛顿大学，但不是传感器网络工作的一部分。
四月初，在华盛顿大学校园潮湿的几天里，主要研究人员聚集在一起，集思广益，讨论监测卡斯卡迪亚危险的最佳方法。经过两天的会谈，与会者分成小组，设计他们理想的网络。每个小组都得到了一张卡斯卡迪亚海岸地图的大幅打印件、一堆彩色笔以及“大胆梦想”的劝诫。“谁准备好画画了？”威尔科克在带领小组进入分组讨论室时问道。
一些小组设想了海岸附近的海底大地测量阵列线，波浪滑翔机经过那里收集数据。其中点缀着地震仪，用于测量正在进行的地震活动，以及海啸警报浮标，用于警告任何危险海浪。其他小组则绘制了铺设在海底的供电电缆，上面装饰着科学仪器。这些阵列不会使用滑翔机或浮标传输数据，而是通过电缆将信息直接发送回岸边。
卡斯卡迪亚已经存在两个基本观测站。海洋观测倡议有线阵列运行着一条 900 公里长的电缆，从俄勒冈州海岸延伸到海底火山，然后再返回。在边境北部，加拿大海洋网络拥有一条类似长度的电缆，环绕到俯冲带。两者都在沿其长度的几个节点携带大地测量和地震仪器。
研讨会上梦想的电缆将是对这些电缆的大规模扩展。它们将更像日本耗资 1 亿美元的海底观测站 DONET-2，该观测站于去年在南海海槽（大阪和神户等城市附近的俯冲带的一部分）建成。日本海洋地球科学技术机构横须贺观测站副主任川口克义说，它的主干电缆长 500 公里，沿线分布着 29 个独立的观测站。
日本正在进行第二个，甚至更雄心勃勃的项目，即沿 5,700 公里的供电电缆串起 150 个观测站。耗资 3.2 亿美元的 S-NET 项目正在北海道以南的近海分阶段安装。第一段于 2016 年 5 月开始运行，最深水段将在未来几个月内安装。每个观测站都包括 Paroscientific 压力传感器，每个组件的成本约为 50,000 美元。
来自日本两个观测站的数据被输入到全国性的地震和海啸早期预警系统中，该系统在 2011 年东北地震造成近 16,000 人死亡后得到了彻底加强。该事件还引发了海啸袭击福岛核电站，引发了反应堆事故和全国性能源危机。
帕罗斯希望有一天能看到他的传感器遍布卡斯卡迪亚附近的海底，作为自然灾害广泛监测网络的一部分。“每 300 年发生一次海啸的问题在于，你无法从当地官员那里获得太多支持，”当他开着一辆朴素的汽车——他的福特 Five Hundred，带有个性化车牌 QUARTZ——在西雅图周围行驶时，他说道。因此，他走向科学家们，努力将他的压力表尽可能多地放入海洋中。上周，华盛顿大学的工程师在加利福尼亚州蒙特雷附近的一个小型有线海底观测站上部署了一组新的传感器；它将在那里停留数月进行测试。
“我一直在做西西弗斯式的事情，把巨石滚上山，已经很久了，”帕罗斯说。“我只是想播下种子，表明这是可行的，希望政府能够认识到这是一个重要的公共安全问题。”
本文经许可转载，并于 首次发表 于 2017 年 6 月 21 日。