美國“地球透鏡計劃”10年回顧＊

美國“地球透鏡計劃”10年回顧＊

2001年，美國國家科學基金會（NSF）、美國地質調查局（USGS）和美國國家航空與航天局（NASA）聯合發起地球透鏡（Earthscope）計劃。2003年該計劃獲美國國會批準，該為期15年（2003—2018）的探測項目預計將投入200億美元，其目標是通過多學科、跨領域的研究與合作揭秘北美大陸的構造與演化。2014年1月，正值該計劃啟動10年之際，《今日物理學》（Physics Today）期刊刊登文章《北美大陸探測10年回顧》（Scoping out the North American continent，10years on），對美國地球透鏡計劃在過去10年所取得的研究進展總體進行了概括，以下就該文主要內容做個簡要介紹。

1 研究進展

地球透鏡計劃包括4個子計劃，即圣安德烈斯斷裂深部觀測站（SAFOD）、美國地震臺陣（USArray）、板塊邊界觀測站（PBO）和合成孔徑干涉雷達（InSAR）建設計劃。過去10年，該項目獲得的有關北美大陸結構、演化和動力學數據已超過115TB，僅在剛剛過去的3年，就產出了超過330本相關出版物。

SAFOD的目的是打一口穿越圣安德烈斯斷裂帶的深鉆孔，直接采集斷裂帶樣品，測定斷裂帶的各種性質，監測深部蠕動和地震活動斷裂帶。最終該鉆井選擇在帕克菲爾德（Parkfield），在那里斷層蠕動速率為2.54cm／a，鉆孔內安裝的金屬套管的變形則顯示出蠕動發生的位置。USGS研究人員表示，SAFOD最大的成果就是穿透了圣安德烈斯斷裂帶的蠕變部分并取得了在斷層兩側巖石發生強烈變形的地帶的巖芯，這也是人類首次鉆至活動板塊邊界斷層內孕震區深度。研究人員發現，在斷層下方斷層泥的巖石中只含有蛇紋巖，并且正是蛇紋巖和圍巖的化學作用生成了異常的含水粘土礦物，這也是導致斷層在一個低的剪切力下保持連續緩慢滑動的原因。這就解釋了為什么圣安德烈斯斷裂帶在加州中部的活動比周圍地區弱這一長期困擾科學家的難題。對研究地震力學的科學家來講，這些巖芯珍貴得就好比是月巖。然而，SAFOD的目標并未完全實現。原本打算在井中放入眾多觀測儀器以測量斷層帶的各種屬性。但是，設計用來測量地震信號、變形和電磁場的儀器由于地下深部惡劣的條件而宣告失敗。過去5年該鉆孔底部也僅是一個地震檢波器在記錄數據。

USArray最大的組成部分是移動臺陣（Transportable Array），利用400臺便攜式遙測地震儀組成陣列進行移動觀測，以70 km臺間距布設巨型規則網，每個臺站觀測時間為2年，由西向東將全美大陸覆蓋一次。當得知該移動臺陣會將全美大陸整個覆蓋，加州大學研究人員在每個臺站配備了壓力傳感器，這樣就可以記錄每年數百次的大氣層事件，包括煤礦爆炸、火箭發射等，他們甚至還記錄到了去年的俄羅斯隕石事件。

由連續記錄的遙感GPS接收器組成的中樞網絡是PBO的主要部分。該GPS接收器可以追蹤到至毫米級的地表變形，通過觀察大地震發生后的數年甚至數十年變形速率的變化，就可以研究地殼和地幔的流變學。在美國西部正在利用400個GPS接收器的實時傳輸數據用作地震早期預警系統的關鍵部分。另有研究人員利用PBO數據得出植被、土壤水分和降雪等信息，并希望這些數據對水文學家、氣候科學家和水管理者有用。

2 未來展望

目前移動臺陣正在往阿拉斯加州轉移，在那里臺間距會變得更寬，并且為了適應凍土環境，還需要一些更小的儀器。很多的地球科學團體越來越依賴地球透鏡計劃觀測站的設施。隨著移動臺陣的使用，一些觀測站將變為永久的固定觀測站。自地球透鏡計劃啟動后，歐洲和中國已建立了地震檢波器網絡，未來很有可能建立新的網絡并連接全球現有的網絡以擴大其覆蓋范圍。未來還可能沿美洲西海岸部署一個俯沖帶觀測站，但這需要國際合作以及開發出連接海底地震與海表的GPS接收器和陸地觀測站的相關技術。SAFOD科學家希望可以在靠近小型地震的區域進行鉆井，并且在鉆井中可以放置更多的儀器。當然，美國地球科學家的愿望清單中還包括一顆用來高分辨測量變形的雷達衛星，這也是地球透鏡計劃當初設計中未實現的第4大塊內容。

P315；

： D； doi：10.3969／j.issn.0235－4975.2014.02.003

自：Physics Today，2014，67（1）：19.

10.1063／PT.3.2237

2014－01－30。

原題：Scoping out the North American continent，10years on

（中國科學院國家科學圖書館蘭州分館／中國科學院資源環境科學信息中心 劉學 編譯）

（編譯者電子信箱，劉學：liuxue＠llas.ac.cn）