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設(shè)備與工具
一架水下“滑翔機”正在拖動一艘可以從海底信標(biāo)收集數(shù)據(jù)的船。圖片來源：LIQUID ROBOTICS
俯沖帶是大洋板塊俯沖于大陸板塊之下的構(gòu)造帶，其產(chǎn)生的力可引發(fā)強烈的地震和海嘯，比如2011年的日本地震、2004年的印度洋海嘯和1964年的阿拉斯加大地震，但這些斷層的運動引發(fā)災(zāi)難的機制尚不明確。
找到合適的探測手段很關(guān)鍵，比如盡管GPS無線電信號功能強大，但多用于追蹤陸地上的地殼運動，無法穿透深海。以往科學(xué)家為了測量水下運動軌跡，會先讓一艘船在海上跟蹤聲學(xué)信號，然后再用GPS固定其位置——船舶的使用價格通常不菲。現(xiàn)在，美國斯克里普斯海洋研究所的地球物理學(xué)家戴維·查德威爾領(lǐng)導(dǎo)的團隊找到了一種替代方法：用遠(yuǎn)洋無人機替代船只，以降低研究成本。
2019年10月，美國國家科學(xué)基金會對這一研究成果表示支持，并提供該團隊550萬美元資助，用于購買16個海底站點信標(biāo)和3架無人機，這將有助于提升該國科學(xué)家調(diào)查海底地貌的能力。
利用GPS，地球科學(xué)家能夠測量地震間隙形成的張力。比如在西北太平洋外的卡斯卡迪亞俯沖帶，陸地上的GPS站數(shù)據(jù)表明，當(dāng)斷層最終發(fā)生破裂時，已經(jīng)積累了足夠引發(fā)9級地震的應(yīng)力。但基于陸地的測量結(jié)果也表明，美國俄勒岡州沿海斷層中段產(chǎn)生的張力正在被一種名為蠕變的無害滑移消解，這意味著斷層可能會在一系列小型的地震中破裂，但若沒有海洋觀測數(shù)據(jù)，研究者無法做出完整分析。
定期監(jiān)視海底斷層，可以發(fā)現(xiàn)其中的應(yīng)力如何不規(guī)則地累積，這有助于科學(xué)家預(yù)測地震的發(fā)生。更令人激動的是，這些監(jiān)測或許能幫助人們在大地震發(fā)生之前的幾周而非幾分鐘內(nèi)判斷異常。在俯沖帶地震發(fā)生之前，位于斷層之間的緩慢滑移若可以作為地震預(yù)警的信號，將有重要意義。
通過船只跟蹤海底信標(biāo)的聲學(xué)手段是獲取海洋觀測數(shù)據(jù)的方法之一，但造價昂貴。過去10年中，日本在聲學(xué)GPS上的花費超過了30億美元，以監(jiān)控破壞性較強的斷層運動。到2020年，日本的聲學(xué)GPS網(wǎng)絡(luò)站點將達27個，每個站點包括多個信標(biāo)。2011年日本大地震發(fā)生時，只有幾個站點在運轉(zhuǎn)，研究者通過這些站點的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，斷層滑動超過30米，從而引發(fā)毀滅性的海嘯。
但要跟蹤聲學(xué)信標(biāo)，研究船只需配備GPS導(dǎo)航推進器，單日運行費用可達5萬美元，這導(dǎo)致測量只能是間歇性的。
查德威爾等人從2012年開始研究如何用無人機替代船只進行檢測，他們采用的無人駕駛飛機由美國森尼韋爾研制。這種總長3米的水上飛機拴有一根管子，向下8米，有可以震蕩的“鰭”，能從海浪波動中獲取能量。
這架飛機每天運行成本為500美元，可攜帶一個GPS裝置，并在海底信標(biāo)上方的小圓圈中徘徊數(shù)周。在卡斯卡迪亞2016年的測試中，無人機在40天內(nèi)行駛近500公里，其運行時近乎無聲，與船舶引擎相比對信號的干擾更小。查德威爾等人已經(jīng)在卡斯卡迪亞的6個GPS站點、阿拉斯加和新西蘭的其他GPS站點使用這些無人機進行了研究。
美國國家科學(xué)基金會尚未決定如何部署它資助的新設(shè)備，但這些設(shè)備可以覆蓋一個俯沖帶的觀測范圍，甚至可能覆蓋多個。建模研究顯示，每個新的海底站點帶來的數(shù)據(jù)量等同于30個陸地GPS站點。查德威爾表示，這些設(shè)備的用途不僅限于俯沖帶，還可以放置在海底火山的側(cè)面，或是構(gòu)造板塊的接縫處，這些接縫大多發(fā)現(xiàn)于水下。
許多人希望美國國家科學(xué)基金會為更大規(guī)模的項目撥款，比如先前耗資數(shù)億美元的俯沖帶觀測站，可對俯沖帶進行密集監(jiān)測，甚至有可能捕捉到9級地震信號。
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