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无人机揭示深海地震风险

无人机揭示深海地震风险

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  • 发布时间:2020-01-14 00:00
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一架水下“滑翔机”正在拖动一艘可以从海底信标收集数据的船。图片来源:LIQUID ROBOTICS

俯冲带是大洋板块俯冲于大陆板块之下的构造带,其产生的力可引发强烈的地震和海啸,比如2011年的日本地震、2004年的印度洋海啸和1964年的阿拉斯加大地震,但这些断层的运动引发灾难的机制尚不明确。

找到合适的探测手段很关键,比如尽管GPS无线电信号功能强大,但多用于追踪陆地上的地壳运动,无法穿透深海。以往科学家为了测量水下运动轨迹,会先让一艘船在海上跟踪声学信号,然后再用GPS固定其位置——船舶的使用价格通常不菲。现在,美国斯克里普斯海洋研究所的地球物理学家戴维·查德威尔领导的团队找到了一种替代方法:用远洋无人机替代船只,以降低研究成本。

2019年10月,美国国家科学基金会对这一研究成果表示支持,并提供该团队550万美元资助,用于购买16个海底站点信标和3架无人机,这将有助于提升该国科学家调查海底地貌的能力。

利用GPS,地球科学家能够测量地震间隙形成的张力。比如在西北太平洋外的卡斯卡迪亚俯冲带,陆地上的GPS站数据表明,当断层最终发生破裂时,已经积累了足够引发9级地震的应力。但基于陆地的测量结果也表明,美国俄勒冈州沿海断层中段产生的张力正在被一种名为蠕变的无害滑移消解,这意味着断层可能会在一系列小型的地震中破裂,但若没有海洋观测数据,研究者无法做出完整分析。

定期监视海底断层,可以发现其中的应力如何不规则地累积,这有助于科学家预测地震的发生。更令人激动的是,这些监测或许能帮助人们在大地震发生之前的几周而非几分钟内判断异常。在俯冲带地震发生之前,位于断层之间的缓慢滑移若可以作为地震预警的信号,将有重要意义。

通过船只跟踪海底信标的声学手段是获取海洋观测数据的方法之一,但造价昂贵。过去10年中,日本在声学GPS上的花费超过了30亿美元,以监控破坏性较强的断层运动。到2020年,日本的声学GPS网络站点将达27个,每个站点包括多个信标。2011年日本大地震发生时,只有几个站点在运转,研究者通过这些站点的数据发现,断层滑动超过30米,从而引发毁灭性的海啸。

但要跟踪声学信标,研究船只需配备GPS导航推进器,单日运行费用可达5万美元,这导致测量只能是间歇性的。

查德威尔等人从2012年开始研究如何用无人机替代船只进行检测,他们采用的无人驾驶飞机由美国森尼韦尔研制。这种总长3米的水上飞机拴有一根管子,向下8米,有可以震荡的“鳍”,能从海浪波动中获取能量。

这架飞机每天运行成本为500美元,可携带一个GPS装置,并在海底信标上方的小圆圈中徘徊数周。在卡斯卡迪亚2016年的测试中,无人机在40天内行驶近500公里,其运行时近乎无声,与船舶引擎相比对信号的干扰更小。查德威尔等人已经在卡斯卡迪亚的6个GPS站点、阿拉斯加和新西兰的其他GPS站点使用这些无人机进行了研究。

美国国家科学基金会尚未决定如何部署它资助的新设备,但这些设备可以覆盖一个俯冲带的观测范围,甚至可能覆盖多个。建模研究显示,每个新的海底站点带来的数据量等同于30个陆地GPS站点。查德威尔表示,这些设备的用途不仅限于俯冲带,还可以放置在海底火山的侧面,或是构造板块的接缝处,这些接缝大多发现于水下。

许多人希望美国国家科学基金会为更大规模的项目拨款,比如先前耗资数亿美元的俯冲带观测站,可对俯冲带进行密集监测,甚至有可能捕捉到9级地震信号

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