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海底断层：地震监测死角

撰文 内奥米·卢比克（Naomi Lubick） 翻译 陈通 冯蔚

日本地震学家担忧一条海底断层好些年了。日本东南沿海的南海海槽在历史上曾经引发过许多破坏性巨大的地震，人们认为又一场大地震也孕育成熟。所以，今年早些时候，研究者利用KAIYO号在海底安装了水下监测仪，能更多地展现断层情况，并在下一场大地震到来之前数秒发出警报。今年3月，当KAIYO号正在部署一批传感器时，距KAIYO号东北方向800千米处的另一断层上发生了宫城大地震，引发了摧毁沿岸生活社区的海啸。

地震学家没有想到东北海岸之外的日本海沟能够发生如此巨大的地震，某种程度上是因为他们缺乏足够的海底设备去捕捉应力信号。这种缺乏数据的情况非常普遍，包括一个构造板块与另外一个构造板块发生撞击以及向其下方俯冲的那些区域（这是破坏性最强的“逆冲型”地震发生的原因），也没有相应的监控数据。这类俯冲带上，曾发生过地球上最强烈的地震，包括有记录以来最大的一次——1960年智利沿海9.5级地震。2004年，位于印度尼西亚苏门答腊岛俯冲带的地震引发了海啸，夺走了超过23万人的生命。研究者预测，美国西北沿海的俯冲带正孕育着一个超过9级的地震，可能在未来百年内发生。

问题是，这些主要的断层离陆地数百千米远，并处于几千米深的海水下，这使得装有地震仪、GPS以及其他设备的监视器难以被安置与维护。而只有这些设备才能揭示断层结构，检测到地壳形变等变化。

日本近海仅有50个地震检波器用于监测海底断层，而陆地上则部署了8 700多个同类设备。其他国家更缺乏准备，在俯冲带最危险的地方只部署少数几个甚至没有部署监测设备。相反，他们更依赖陆地台站的观测——它提供了遥远而模糊的读数，就像一个医生把听诊器放在病人鞋子上监听心跳，这显然毫无效果。

研究者现在尝试对板块运动做更近距离的监测。日本努力为其南海海槽铺设监测线路，这是该国迄今为止最大胆的计划。但美国与加拿大此前已经有监视卡斯卡迪亚俯冲带的计划，这个俯冲带北起北加利福尼亚，南至英属哥伦比亚（参见《海底的传感器》）。地球物理学家希望能够通过更好的数据，提高他们对俯冲带如何运动的认知，以及识别即将发生地震的信号。

新加坡地球观测与研究所的大地测量学家艾玛·希尔（Emma Hill）指出：“没有海底测量设备，我们总是在猜测。”希尔正在研究印度尼西亚的地震风险。

断层认识

从俯冲带作为主要回跳区域的板块构造理论来看，俯冲带描述了组成地球脆弱外壳的大洋型地壳和大陆型地壳的运动。当两个板块碰撞时，冷而稠密的洋壳下沉，而更轻的陆壳覆盖其上。但这种卡通式模型（一个传送带式的大洋板块的岩石圈潜入层状大陆板块的下方）不过是一张过于简化的图片。“模型将是复杂的，”希尔说，“我们仍然把它当做一个理想的平滑面来建模”。

地球物理学家想要知道两个板块相互摩擦的细节。他们猜测，这些板块由于某种原因开始互相锁定，可能是俯冲带上的海底山脉或其他粗糙物质与上层板块的底部黏合住了。在数十年乃至数个世纪以后，板块弹性释放，引发一场强烈地震。就日本在今年3月发生的地震而言，研究者业已猜测到两个板块的边界已经锁定，却没有察觉到这种风险，因为他们缺乏俯冲带结构以及此处应力如何积累的认识。

他们更担心日本南海海槽区域，根据日本官方灾害预测，在未来30年内，这里发生8级地震的可能性超过70%。作为研究地震和海啸的洋底网络系统（DONET）的一部分，地球物理学家将在他们认为可能孕育地震的区域，组建一个包含20个水下观测器的网络。DONET项目始于2006年，将在今年完工。项目运行花费了63亿日元，这还不含船只费用。

观测器包含地震仪，记录俯冲带发出的震动，也记录全球的地震波，这些记录将揭示上下两个板块交界处的几何形状。压力传感器通过测量上方水柱的重量的改变来跟踪地壳形变。信号电缆把观测器与陆地台站相连，使得研究者能够实时获取传感器数据。

DONET项目负责人金田义行（Yoshiyuki Kaneda）希望这些仪器能够捕获整个地震周期的数据——从应力积累到它们在地震中的释放，然后重新逐渐积累应力。研究者希望了解诸如大地震如何发生、以及发生之前有些什么活动这类问题。

当一场大地震来临之前，DONET观测仪应该离震中足够近，并为大阪、东京以及其他可能受地震波影响的城市提供预警。压力传感器也可以提前通知海啸来临。

西部的担忧

美国研究者也对地震感到担忧，他们主要担心卡斯卡迪亚区域。至少300年以前，这里遭受过巨大的地震与海啸。“卡斯卡迪亚俯冲带的地震灾害影响深远，”哥伦比亚大学拉蒙特多尔蒂地球观测站的玛雅·托尔斯泰（Maya Tolstoy）说。

托尔斯泰是卡斯卡迪亚计划的主要研究者之一，这个计划为期4年，通过安装临时观测设备来获知大量近海断层的活动方式。上个月，这个组织开始在海底部署第一批60部观测仪，这将增强海岸附近的网络监测能力。在美国国家科学基金会的支持下，这个项目从《2009年美国复苏与再投资法》获得部分资金。

每套海底设备价值6万~8万美元，包括一个压力测量仪和一个汤罐状地震检波仪，并封装在一个带有水平仪的压力容器内，配备一个钢罩来避免漏电及保护设备。

这些观测仪将不会用光缆与大陆连接。研究者每年回收这些设备并下载它们的数据，然后把这些设备移动到新的地点。加利福尼亚大学伯克利分校的理查德·艾伦（Richard Allen）介绍说，通过精确查找俯冲带上发生地震的点，卡斯卡迪亚倡议计划的数据有助于明确两个板块交界的位置与结构，例如交界处有多粗糙，以及哪些区域仍然是闭锁的。

这些海底观测仪能够帮助破译不寻常的地震信号，这些信号被卡斯卡迪亚区域的陆地地震检波器记录。这些陆地传感器感知微小的震动，这种震动大约每12~14个月发生一次，地震的孕育过程如此缓慢，以至于没人能够感觉到震动。尽管如此，它们仍然释放出大量能量。研究者猜测，这些信号反映了俯冲带的活动，可能是板块的地层分离运动或者是表层深处的流体式位移，希望这些近海传感器的记录能够帮助他们破解上述谜题。这些传感器还可以检测俯冲带闭锁区的变化。

作为Neptune计划的一部分，美国和加拿大共同在卡斯卡迪亚区域安装长期的海底观测仪。这个计划将收集广泛的生物学、海洋地理学和地震学数据，用于基础研究和潜在的早期灾害预警，比如蓝藻水华或地震。加拿大为这个计划花费了1.43亿加元（约合1.45亿美元）。截至去年，加拿大安装了包括3个地震台站，5个海底压力记录仪和其他设备的系统，这些设备用800千米长的环路光缆连接，并将信息传送至一个陆地站点。由于预算方面的问题，美国推迟了Neptune计划，今年夏天才开始部署光缆，预计在未来几年内完成。

由于安装数百千米长的光纤花费不菲，研究者正在开发能够收集数据的自动航海机器人。一个草拟的项目预备为独立的海底传感器配备由美国Liguid Robotics公司研发的波动力机器人。

随着近海传感器的读数通过各种网络接入，研究者希望最终能获知更多的俯冲带以及俯冲带上的地震信息。在希尔看来，这种海底观测器“将成为今后几年的传奇”。尽管一些工程在3月地震之前就开始计划了，但这场灾难增加了研究的紧迫性。希尔说：“因为日本（大地震），人们开始注意这些计划了。”