傑瑞·帕羅斯擔心地質定時炸彈正在他位於華盛頓州海岸附近的家外滴答作響。但與數百萬擔心有一天會震撼該地區的地震和海嘯的人們不同，帕羅斯正在為此做些什麼。他的公司透過為石油、天然氣和其他行業應用製造極其精確的石英感測器賺了數百萬美元。現在他想用它們來拯救世界免受自然災害。
在他公司位於雷德蒙德的總部，這位 79 歲的發明家從桌子上拿起一個排球大小的金屬架，舉到肩膀的高度，然後放下。在裝置內部，感測器會捕捉到裝置上下移動時大氣壓的微小變化。“來，我給你一個非常昂貴的門鈴，”他說，開啟和關閉辦公室的門，再次改變氣壓。在空氣中，帕羅斯的儀器可以記錄到如此細微的壓力變化。但該裝置的最終目的地是在離岸數公里的海浪之下，在那裡它將感知上方水的重量，以檢測海底深度的變化。
帕羅斯希望他的超精密儀表成為早期預警系統的核心，該系統旨在探測地震何時移動海底，從而引發海嘯。他已向華盛頓大學捐贈了 200 萬美元，並與該大學的研究人員合作，在太平洋西北海岸線附近測試感測器。
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包括日本和智利在內的許多其他沿海國家正在努力監測海底的運動，這項工作被稱為海底大地測量。他們競相安裝感測器，因為這些地區的地質斷層會產生地球上最強烈的地震——以及一些最具破壞性的災難。2004 年，印度尼西亞附近的一次海底地震引發海嘯，造成近 25 萬人喪生。
地球物理學家長期以來一直努力掌握海底斷層的行為，但帕羅斯等人創造的感測器正在為他們提供首次機會來窺探佔地球地殼 70% 的水域的大地測量運動，這使得標準工具無法觸及。這些網路可以揭示海底斷層的哪些部分正在無害滑動，哪些部分可能正在為下一次大地震儲存能量。
“這將幫助我們回答那些區域在哪裡的重大問題，”華盛頓大學西雅圖分校的海洋學家艾米麗·羅蘭說，她與帕羅斯合作。“這是我們一直缺失的東西。”
沉睡的巨人
當帕羅斯於 1970 年首次搬到太平洋西北地區時，很少有人認識到該地區發生巨型地震的風險。該地區有記錄以來最大的震動是 1949 年襲擊華盛頓州奧林匹亞的 7.1 級地震。但到 20 世紀 80 年代末，研究人員開始發現跡象表明，從北加利福尼亞州到加拿大不列顛哥倫比亞省南部的整個海岸線都可能發生 9 級地震和巨型海嘯。危險源位於離岸約 50 公里的地方，那裡地球外殼的一部分潛入另一部分之下。這個交界處被稱為卡斯卡迪亞俯衝帶，長 1000 公里，是“環太平洋火山帶”的一部分，環太平洋火山帶是一系列類似的特徵環繞太平洋。俯衝帶產生有史以來測量到的最大地震，包括 1960 年智利創紀錄的 9.5 級地震。1700 年，卡斯卡迪亞發生估計為 9 級的地震，釋放出的海嘯摧毀了卡斯卡迪亞海岸沿線的村莊，並橫掃太平洋，淹死了日本的人們。
地震學家不確定下一次大地震何時可能襲擊卡斯卡迪亞。可能是明天，也可能是幾百年後。在其他俯衝帶，科學家透過傾聽較小地震的模式來監測地質活動並評估未來大地震的風險。然而，卡斯卡迪亞“異常安靜”，加拿大地質調查局位於不列顛哥倫比亞省悉尼市的地震學家凱林·王說。它很少發生小地震，否則這些小地震可能會闡明兩個構造板塊是如何相互移動的。這使得卡斯卡迪亞成為一個沉睡的巨人——而且是一個危險的巨人，波特蘭和西雅圖等主要城市都面臨風險。
在陸地上，工程師可以使用全球定位系統 (GPS) 的測量結果來跟蹤更微妙的地質不穩定跡象——包括火山爆發前地面隆起，或岩石沿著主要地質斷層（如加利福尼亞州的聖安地列斯斷層）滑動。但在海底進行這些測量非常困難且昂貴。由於新工具和在海洋中部署它們的創新方法，海底大地測量學直到最近幾年才開始趕上其陸基同行（參見“水下威脅”）。
從紐西蘭和日本到智利，地球物理學家正在努力瞭解長期地質風險，並開發方法來警告沿海社群已經開始發生的地震和海嘯。大部分工作基於政府資助的海底感測器網路。其他網路則有私人支援，來自帕羅斯等資助者。他的六個石英壓力感測器目前位於俄勒岡州附近的海底，監測卡斯卡迪亞的哪些部分正在緩慢蠕動，哪些部分被鎖定到位。
根據陸地上的 GPS 測量結果，地球物理學家開發了卡斯卡迪亞的兩種競爭模型（G. M. Schmalzle et al. Geochem. Geophys. Geosyst. 15, 1515–1532; 2014）。其中一種模型認為，下降的構造板塊在上覆板塊下方移動非常緩慢，並在蠕動時釋放應變。另一種模型認為，兩個板塊鎖定在一起，從而允許危險的應變累積。
承受應變
僅使用陸基儀器，無法判斷哪種模型是正確的——如果其中任何一種是正確的話。“我們只是不知道它在多大程度上被鎖定，”王說。“這就是我們需要海上測量的原因。我們已經耗盡了來自陸基觀測的資訊。”
時不時地，海洋學家會在卡斯卡迪亞的海底佈滿監測儀器。由華盛頓大學和加利福尼亞州拉霍亞的斯克裡普斯海洋研究所領導的一個團隊一直在努力建立一個系統，該系統可以測量海底隨時間的運動，並確定威脅的性質。這項工作的關鍵是帕羅斯的石英感測器。
五十年前，Paroscientific 開始開發石英感測器來測量物理因素，如加速度、壓力變化和溫度。這些感測器依賴於石英的壓電特性——當受到擠壓時，它會產生電荷。當傳送到海底時，Paroscientific 壓力感測器會測量上方水柱的變化壓力。在校正波浪和潮汐等因素後，海洋學家可以檢測到約 1 釐米以內的海底向上或向下運動。
“我們已經耗盡了來自陸基觀測的資訊。”
Paroscientific 是眾多製造海洋壓力感測器的公司之一。但帕羅斯本人卻是一個不尋常的混合體：一位企業家出身的業餘科學家，現在與該地區許多頂尖的地球物理學家交往。“傑瑞喜歡與工程師和技術頭腦的科學家互動，”華盛頓大學的海洋地球物理學家威廉·威爾科克說。“他確實以其一心一意想要完成這項工作的願望推動著社群前進。”
早在 1983 年，Paroscientific 感測器就被送入太平洋，作為美國國家海洋和大氣管理局海嘯觀測系統的一部分。2006 年，帕羅斯被兩年前印度洋海嘯的破壞震驚，向華盛頓大學捐贈了 100 萬美元，以刺激感測器網路的研究。這筆錢，加上 2012 年的另外 100 萬美元，幫助大學研究人員設計和測試新一代海底壓力感測器（G. Sasagawa 和 M. A. Zumberge IEEE J. Ocean. Eng. 38, 447–454; 2013）。
斯克裡普斯-華盛頓團隊開發的最新海底儀表以大致直線排列，從俄勒岡州海岸附近一直延伸到俯衝帶。它們靜靜地在那裡，探測著上方水的脈搏。研究人員可以將這些資料與他們關於卡斯卡迪亞如何滑動的模型進行比較。“在十年內，我們將知道斷層是否被鎖定，”幫助領導這項工作的威爾科克說。
但即使是最好的壓力感測器也只能揭示海底運動的一個方面——向上和向下。它們無法檢測到水平位移。為此，研究人員必須轉向另一種技術，該技術涉及兩個或多個相距 2-3 公里的海底應答器。科學家們每年左右都會乘船訪問應答器位置，並向這些裝置發射聲波訊號。透過測量訊號在水中傳播所需的時間，研究人員可以判斷自上次訪問以來應答器是否相對於彼此發生了位移，從而判斷海底是否發生了水平移動。
運動的聲音
這種型別的海底聲學測距在全球範圍內使用。德國基爾的 GEOMAR 亥姆霍茲海洋研究中心於 2015 年底在智利附近的海底俯衝帶安裝了這樣一個網路，以監測那裡的地震威脅。日本海岸警衛隊每年花費數月時間收集該國海岸線數十個地點的資料。斯克裡普斯海洋研究所的地球物理學家戴維·查德韋爾說，透過使用稱為波浪滑翔機的自主航行器收集資料，而不是使用船舶，研究可以以一小部分成本完成。“這已經是一場變革，”查德韋爾說，他一直在俄勒岡州附近測試波浪滑翔機，並希望很快將其更廣泛地投入使用。
為了瞭解卡斯卡迪亞的真正危險，地球物理學家需要部署多種型別的工具，包括地震儀以及大地測量儀器，無論是在海上還是在陸地上。但地球物理學家們爭論感測器應該放在哪裡，以及每種型別的感測器的理想數量。這些分歧有時會歸結為追求基礎研究的人和專注於開發地震和海嘯早期預警系統的人之間的分歧。華盛頓大學的研究人員希望他們的網路能夠為這兩個群體服務。“我們需要並且可以使這些科學儀器服務於多種目的，既促進科學理解，又監測災害，”華盛頓大學的地震學家海蒂·休斯頓說，她也來自華盛頓大學，但不是感測器網路工作的一部分。
四月初，在華盛頓大學校園潮溼的幾天裡，主要研究人員聚集在一起，集思廣益，討論監測卡斯卡迪亞危險的最佳方法。經過兩天的會談，與會者分成小組，設計他們理想的網路。每個小組都得到了一張卡斯卡迪亞海岸地圖的大幅列印件、一堆彩色筆以及“大膽夢想”的勸誡。“誰準備好畫畫了？”威爾科克在帶領小組進入分組討論室時問道。
一些小組設想了海岸附近的海底大地測量陣列線，波浪滑翔機經過那裡收集資料。其中點綴著地震儀，用於測量正在進行的地震活動，以及海嘯警報浮標，用於警告任何危險海浪。其他小組則繪製了鋪設在海底的供電電纜，上面裝飾著科學儀器。這些陣列不會使用滑翔機或浮標傳輸資料，而是透過電纜將資訊直接傳送回岸邊。
卡斯卡迪亞已經存在兩個基本觀測站。海洋觀測倡議有線陣列執行著一條 900 公里長的電纜，從俄勒岡州海岸延伸到海底火山，然後再返回。在邊境北部，加拿大海洋網路擁有一條類似長度的電纜，環繞到俯衝帶。兩者都在沿其長度的幾個節點攜帶大地測量和地震儀器。
研討會上夢想的電纜將是對這些電纜的大規模擴充套件。它們將更像日本耗資 1 億美元的海底觀測站 DONET-2，該觀測站於去年在南海海槽（大阪和神戶等城市附近的俯衝帶的一部分）建成。日本海洋地球科學技術機構橫須賀觀測站副主任川口克義說，它的主幹電纜長 500 公里，沿線分佈著 29 個獨立的觀測站。
日本正在進行第二個，甚至更雄心勃勃的專案，即沿 5,700 公里的供電電纜串起 150 個觀測站。耗資 3.2 億美元的 S-NET 專案正在北海道以南的近海分階段安裝。第一段於 2016 年 5 月開始執行，最深水段將在未來幾個月內安裝。每個觀測站都包括 Paroscientific 壓力感測器，每個元件的成本約為 50,000 美元。
來自日本兩個觀測站的資料被輸入到全國性的地震和海嘯早期預警系統中，該系統在 2011 年東北地震造成近 16,000 人死亡後得到了徹底加強。該事件還引發了海嘯襲擊福島核電站，引發了反應堆事故和全國效能源危機。
帕羅斯希望有一天能看到他的感測器遍佈卡斯卡迪亞附近的海底，作為自然災害廣泛監測網路的一部分。“每 300 年發生一次海嘯的問題在於，你無法從當地官員那裡獲得太多支援，”當他開著一輛樸素的汽車——他的福特 Five Hundred，帶有個性化車牌 QUARTZ——在西雅圖周圍行駛時，他說道。因此，他走向科學家們，努力將他的壓力錶儘可能多地放入海洋中。上週，華盛頓大學的工程師在加利福尼亞州蒙特雷附近的一個小型有線海底觀測站上部署了一組新的感測器；它將在那裡停留數月進行測試。
“我一直在做西西弗斯式的事情，把巨石滾上山，已經很久了，”帕羅斯說。“我只是想播下種子，表明這是可行的，希望政府能夠認識到這是一個重要的公共安全問題。”
本文經許可轉載，並於 首次發表 於 2017 年 6 月 21 日。