密切关注动荡不安的地球，以防下一次“大地震”
2021 年，阿拉斯加海岸附近发生里氏 8.2 级奇格尼克地震，这是一个重要的警示信号。
这是自 1965 年以来美国发生的最大地震，也是近年来全球发生的最大地震之一；它提醒我们，在我们海岸线附近潜伏着看不见的地质灾害。
此类近海事件可能引发海啸，使沿海主要城市和地区面临风险。
但是，直到最近，导致像奇格尼克地震这样的地质活动对科学家来说还是一个巨大的盲点，它隐藏在海浪之下，难以接近。
现在，得益于水下技术公司 Sonardyne、斯克里普斯海洋研究所和美国地质调查局 (USGS) 之间的持续合作与开发，远程监测我们动荡不安的地球不仅成为可能，而且正在成为标准做法。
利用一种名为 GNSS-A 的技术，越来越多的易受地震和海啸灾害影响的海岸线，包括美国太平洋沿岸，正在接受监测。
什么是GNSS-A？
GNSS-A 的工作原理是将卫星定位与水下声学相结合，以厘米级的精度追踪海底运动。一艘搭载 Sonardyne 公司 GNSS-A 有效载荷的无人水面艇 (USV) 在海底 Sonardyne Fetch 应答器阵列上方巡逻。
结合已知的表面位置和到达每个 Fetch 应答器的声学脉冲，它可以计算出每个应答器的精确位置，从而计算出它所在的海底位置。
通过反复进行这些测量，科学家可以追踪构造板块在断层上的运动，从而更好地了解和评估地震和海啸灾害。
美国地质调查局 (USGS) 是利用这项技术监测俯冲带（一个板块滑到另一个板块之下）的组织之一。
他们于 2017 年开始探索其用途，与夏威夷大学和斯克里普斯海洋研究所合作，使用波浪滑翔机和海底传感器，以测量两个构造板块之间的摩擦如何限制滑动并导致应力积累——本质上是测量“板块的粘连程度”。
从那时起，他们继续使用 Sonardyne GNSS-A 模块和 Fetch 应答器为 GNSS-A 的发展做出贡献。
准备将美国地质调查局波浪滑翔机搭载在加州州立理工大学洪堡分校的“北风”号研究船上发射。图片来源：美国地质调查局
扩大卡斯卡迪亚俯冲带的GNSS-A监测范围
美国地质调查局的重点研究区域之一是卡斯卡迪亚俯冲带，这是一条位于太平洋西北海岸的1000公里长的断层，从加拿大温哥华岛一直延伸到加利福尼亚州北部。
2021 年至 2025 年间，美国地质调查局 (USGS) 在美国太平洋沿岸海床，即该区域最南端，安装了四个监测站。
它们是卡斯卡迪亚俯冲带更广泛网络的一部分，该俯冲带涉及三个板块，即探险者板块、胡安·德·富卡板块和戈尔达板块，它们滑入北美板块之下，从而可能引发 9 级以上的地震和大型海啸。
美国地质调查局 GNSS-A 站点，每个站点配备三个 Fetch 转发器，位于戈尔达板块的最南端，戈尔达板块相对于北美板块运动的不确定性会对该地区地震的规模和复发产生影响。
“在我们拥有这种能力之前，我们只能利用陆地上的 GPS 网络来估算 50 英里以外海底的缓慢运动，精度可达亚毫米级，”美国地质调查局加州地震科学中心的测绘工程师托德·埃里克森说道。
“但海底是一个盲区；它是全球构造拼图中缺失的重要一块，这意味着我们对海底灾害的真实规模知之甚少。我们的仪器只能探测到海岸线。”
“对于像卡斯卡迪亚俯冲带这样的地方，海洋板块俯冲到北美板块之下，海底大地测量站点正在填补一个重要的空白，帮助我们更好地了解地震和海啸灾害。如果板块在这个区域‘锁定’，导致应力积聚，那么整个海岸线以及像温哥华、维多利亚和西雅图这样的城市都将面临严重的海啸风险。”
配备GNSS-A系统的波浪滑翔机位于船体中部，装载于加州尤里卡的“北风”号研究船上，周围环绕着三个海底大地测量基准点，这些基准点将被部署在喀斯喀特俯冲带沿线。图片来源：美国地质调查局
卡斯卡迪亚俯冲带地形-水深图，显示了陆地和近海的大地测量速度，数据来自美国地质调查局（USGS）和国家科学基金会（NSF）的海底大地测量站点。图片来源：美国地质调查局（USGS）
来自阿留申俯冲带的关键见解
美国地质调查局（USGS）一直在监测的大地震构造源之一是阿留申俯冲带。奇格尼克地震就发生在这里——USGS当时已做好震后响应任务的准备。
就在几年前，由美国国家科学基金会 (NSF) 资助的一个科学家团队在阿拉斯加阿留申俯冲带的海底建立了三个 GNSS-A 监测站。
在 8.2 级奇格尼克地震发生之前，美国地质调查局和斯克里普斯海洋研究所曾多次进行波浪滑翔机调查，监测约 1200 米水深处的站点位置。
地震发生几周后，美国地质调查局再次派出波浪滑翔机，测量地震期间和地震后不久发生的运动情况。
尽管天气条件恶劣，但此次任务收集到了高保真度的 GNSS 和声学数据，并取得了令人瞩目的成果。
“海啸规模不大，但地震却是近六十年来美国发生的最大地震，”埃里克森说，“所以我们预料到会有较大的位移。但令人难以置信的是，我们竟然能精确地知道位移量——高达1.4米。”这对于了解震中和震后的运动至关重要，有助于理解俯冲带的动力学。
最大的问题是，奇格尼克地震是否增加了断层上倾部分的应力状态和海啸风险？
他说：“测量结果显示，断层在海床以下不到20公里的浅层区域发生了2-3米的水平位移，这有助于我们了解断层沿线应力是如何积聚并在地震中释放的。”
“这些结果表明，累积滑动缓解了断层浅层的应力，因此，奇格尼克地震可能没有增加浅层断层的海啸潜力。
“这也表明了 GNSS-A 技术的有效性，以及快速响应 GNSS-A 测量在更好地评估该地区海啸和地震灾害方面的实用性。”
GNSS-A的起源
测量海底板块运动的能力并非什么新鲜事。它基于最初被称为GNSS-A的技术，该技术最初由斯克里普斯海洋研究所开发，具体来说是大卫·查德威尔和弗雷德·斯皮斯开发的。
“将 GNSS 定位和声学测量结合起来跟踪海底运动是一个巧妙的想法——而且它奏效了，”Sonardyne 海洋科学业务发展经理 Michelle Barnett 说。
“但是，使用载人船舶进行定位的成本太高，而且技术上也极具挑战性。”
“所以，在早期与斯克里普斯合作
2010 年代，我们开发了一种结合了 Fetch 长寿命传感器和现成 GNSS-A 有效载荷的波浪滑翔机方案，这种方案可以以比使用载人船低得多的成本进行勘测工作。
美国地质调查局波浪滑翔机在成功完成勘测后，已由“北风”号科考船回收。图片来源：美国地质调查局
即使等待天气预报，也值得等待。
然而，这项技术并非没有挑战。在收集到阿留申俯冲带应答器的位置信息后，埃里克森和他的团队自然迫切地想要查看数据。
由于涉及的数据量巨大——每个站点的数据量为 25-30 GB（包括三个 Fetch），因此只有子样本会从无人水面艇 (USV) 发送回岸上，主要是为了进行质量控制。
因此，他们必须等到无人水面艇返回岸边——或者被拖回岸边。阿拉斯加冬季（奇格尼克调查进行期间）日照时间短，意味着无人水面艇的电力供应有限。
由于天气恶劣，协调回收工作变得十分困难，导致回收 Wave Glider 和卸载数据耗时四个月。
不过，等待是值得的，结果为我们提供了前所未有的深刻见解。
有关 Chignik 数据的更多信息，请参阅 ScienceAdvances Vol.9, No.17，海底大地测量揭示了 2021 年 M8.2 Chignik 阿拉斯加地震的快速浅层巨型逆冲断层余滑。
