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译者:Explorer,他的更多译作请见

译者的话:计划用时十年,使用四百多个自动地震波测量站,由美国西海岸扫描到东海岸。“美国阵列”实在是一个雄心勃勃的项目,这将是对北美地质情况的一次全面调查。地震相关科学和技术的进步对全球的防灾减灾都会有所帮助,但就中国的地震工作而言,在我们的土地上进行类似的研究计划可能会有更直接的效用。

 

与我们脚下的行星相比,我们对外太空知道得倒还更多些。不过,一个雄心勃勃的地震研究项目将会改变这一现状。Rachel Courtland报道。

Gary Anderson在科罗拉多州阿克伦附近有一个牧场,技术人员们用锄耕机拔掉那里的野牛草的时候他没有在旁边观看。但是几星期后他观看了技术人员们前来向他们挖出的那个两米深的洞里填入绝缘材料和仪器设备的过程。

技术人员留下来的东西看上去并没有多少:一个毫无特色的小土堆,距它几步远处有一个细长的金属框架支撑着太阳能电池板。Anderson所知道的全部就是他正在协助某种科学实验。他被告知这个实验不会导致什么麻烦,也不会打扰牧场上的牛群。两年之后,安装这套设备的人会回来把它取走。

事实上他已经参加了一个可能是历史上最具雄心壮志的地震研究项目。这个被称为“美国阵列”的研究项目将对美国本土的48个州进行超声扫描。通过对地球内部的震动和地震杂音的研究,这个项目将提供有关北美地下情况的前所未有的3D图像。

这是一项庞大的事业,在这一研究中“美国阵列”的扫描器——全部共400个可移动的地震检波器——将从太平洋一路扫描到大西洋。该研究于2004年在加州开始,目前刚到达洛基山东部,覆盖一个从蒙大拿州美加边界经埃尔帕索到德克萨斯州美墨边界的南北向带状区域。到2013年任务结束时,扫描器将会抵达东北海岸。

尽管研究工作还在进行中,这一项目已经使美国下面的岩层得到了空前的关注。地质学家们正在利用采集到的丰富的信息来获得对这块大陆动乱过去的理解——以及这块大陆可能的未来。

我们脚下的东西是如此的基础,但对于它们的认识却十分粗略。地质学家们确立现在的标准板块构造理论才仅仅过去半个世纪。板块构造理论认为地球最外表面的一层分裂成多个部分,就像拼图游戏一样,而拼图游戏中的每一片——支撑着大陆和海底的巨大“板块”——处于不断的运动之中。我们现在知道当两个板块碰撞的时候,一个常常会潜入到另一个的下面,这个过程称为“下降”,产生的力量强大得足以形成壮观的山脉:比如仍在成长的南美安第斯山脉和北美西部的洛基山。

在地幔的高温高压作用下,下降的岩石发生形变并缓慢地流动,以百万年的时间尺度进行循环。最终这些下降下的岩石将破开地质构造的另一处弱点,强行重新回到地表。中大西洋海脊,还有北美板块的东部边缘,都是这一进行中过程的典型实例。

我们现在所不知道的是当这些岩石在地球内部旅行时确切地发生了什么。它在地下经过的路径和我们在地表所见到的特征地形如何关联?板块的潜入是一个平稳流畅的过程还是一个凌乱、破碎、走走停停的过程?

美国阵列将容许地质学家们拔开地表的遮盖,检视地球内部直到地幔与铁核接触界面的情况,那个界面的深度是地表以下2900千米——而且还有可能更深一些。来自位于坦佩的亚利桑那州立大学的Matthew Fouch说:“它(美国阵列)是我们的哈勃望远镜。依靠它,我们能够以一个完全不同的视角来观察地球。”

美国阵列的400个地震测量仪器的联合工作将能以空前全面的程度测量大地竖直和水平方向的振动。每一个测量仪器都放置在一个铁质的球顶圆柱内,这个大约有篮球大小的圆柱体埋在十厘米厚的混凝土层下面,防止在土壤被水淹没时测量仪器浮出地面。测量仪器由地面上的太阳能电池板供电,大多数测量站点都有用作地震测量数据中继的蜂窝电话调制解调器,数据最终都将被传送到位于华盛顿西雅图的整理中心。

这些测量站点大体上排列成70千米间距的正方形网格。每一个站点在同一个地方设置两年,同时在东边更远的地方添加更多的站点。一个站点在一个地方工作了两年时间以后,工程人员就会把它挖出来,运往整个阵列东边的最前线。大学生们利用暑假探查未来的站点设置地点,并联系像Anderson这样可能的地皮提供者。整个计划共需在48个州建立1624个站点,如果你认为你拥有合适的土地,可以登录该项目的网站提交建议。站点位置必须偏远和孤立,因为敏感的地震检波仪会采集到泵、水井、路过的卡车、水电站涡轮甚至大风吹过山颠引起的振动。

在地图上看,安装工作随着季节上下迂回而前进,因为技术人员们跟随着最适宜的天气,在夏季安装较冷的北方的站点,冬季则在南方工作。当主体阵列揭示出某个区域有特别的重要性时,可以部署一个更灵活的阵列,这个阵列将由2000个更小的站点组成,提供短期但高密度的观测。

保持美国阵列的移动不是一桩小工作。来自马萨诸塞法尔茅斯的办事处的Robert Busby说:“有不少人曾说这个工作完不成。”他现在为地震综合研究所(IRIS)的工作社团管理这个阵列。“几年前,我也是一个说‘完不成’的人。”现在仍然存在一些奇奇怪怪的事故:今年年初,人们不得不挖开6米深的雪,把爱达荷州的两个测量点的太阳能电池板挖出来。还有四次,盖满泥土的地震检波器被愣头愣脑的推土机铲成两段。Busby说:除去这些灾祸,目前能够正常工作并传回数据的测量点占总数的99%。

每个站点都将绘图记录来自各个方向的声波——这些声波信号源于地震、火山爆发、甚至源于风暴和远处海岸边海浪的拍击。粗看起来信息不算太多,但综合各个站点的记录则将为研究地表下面的情况提供丰富的信息资源。声波的减弱、折射和扭曲与其经过的岩石的温度、压强和成分有关。通过测定振动从地震点或是别的振源传递到阵列中的多个地震检波器的时间长度,地质学家们能够推导出传递振动的介质的材料属性。如果某些岩石中声波传递的速度与通常情况下相同深度的岩石不同,那么它们将立即成为重点关注对象:这一差异暗示这些与众不同的岩石可能有与众不同的起源。

对这些信息的分析可以得到的认识之一就是法拉龙板块的命运,如附图所示。法拉龙板块曾经位于美洲西部的海洋的海底,但在大约1亿5千万年前从地幔中升起的玄武岩楔入了它和它西边的太平洋板块之间,将它向东推入了北美板块。在这一过程中法拉龙板块没能保持完整。夹在新形成的岩石和一个坚硬的板块之间,被强行挤入了北美板块的下方,洛基山脉就是在这一过程中升起的。在离美国西北海岸较远的一处被称为卡斯卡底古陆下降区的区域内,法拉龙板块最后的残余——胡安德富卡板块——现在仍然在继续向地幔这个无底洞中下降。

破碎的板块

温度较低的致密的岩石传递声波的速度要比温度较高的快,小规模的地震测量阵列曾经隐约观察到下降后的法拉龙板块的一些部分尚未达到包围着它的地幔的温度。这些不规则信号出现在不同的位置和深度——美国西部地表下400千米,靠近东海岸的地区则更向下深入地幔中一些——但这些碎片之间的联系仍然十分贫乏。

美国阵列帮助填补了这些空缺。它揭示出了以前未能发现的法拉龙板块的其它碎片,这些碎片如同一个拼图游戏一样很好地拼合了起来,并且显示出法拉龙板块的消亡过程还远未结束(自然地理科学,第1卷,460页)。当这个板块下降时,它似乎遭遇到一个由古老坚固的材料形成的固体坚壁,发生了多次破裂——同时北美大陆被从更远的东方的中大西洋海脊中升起的材料向西推动了。法拉龙板块的一个碎片由西海岸一直倾斜延伸到美国中西部平原地表下1500千米处。另一个碎片则独立地存在于东边更远处的地下。

在这个板块中可以辨别出的上千公里长的裂缝改变了地球物理学家们对整个地震过程的理解。那篇自然地理科学论文的作者之一,现在法国赖斯大学的Guust Nolet说:“法拉龙板块在这些区域被撕成了碎片,这和标准教科书式的海洋板块连续下沉进入地幔的漂亮图像严重冲突。”这一发现还可能为解决北美地质学中最大的迷题照亮道路——为何黄石国家公园附近会集中出现地热现象和火山活动(参见《一个新的热柱》)。

亚利桑那州立大学的Fouch对美国阵列提供的数据的分析呈现了另一个惊喜。他用计算机进行大量复杂的运算,发现了北美板块上部内华达州下面的一大滴密集的物质有缓慢沉入地幔中的迹象。Fouch说“我们曾经以为只有下降运动中的板块是下沉的,但是内华达这里的发现显示,情况并不是那么简单。”密集的物质滴的存在影响着地球内部的热量流动,这可能有助于解释为什么地震断层和火山活动区会随着时间变化。

随着美国阵列扫过地质活跃的西部各州,它将进入更加稳定的北美稳定地块,在那里北美大陆的远古核心并未受到其周边区域那样的冲撞。对稳定地块的测量将是对北美大陆更久远的过去的观测——同时也是对其未来的一瞥。

利尔福特裂谷是将会被高度关注的地区之一,地表构造在这里沿南—西走向的密西西比河谷裂开了大约200千米,从密苏里的新马德里一直到田纳西的孟菲斯。五亿多年前,这一地区下的地幔中有岩石开始强行升起。如果这个过程继续的话将可能形成新的裂谷,最终形成新的海洋。

但是这个过程没有继续。因为未知的原因,上升停止了,但是这场远古的演出仍然留下的它的记号:美国洛基山东部地震最为活跃的地区因此形成。1811年12月和1812年2月,新马德里经历了一系列的强震,其中有一次地震波强得撞响了1500千米以外位于马萨诸塞州波士顿的教堂大钟。新马德里在未来50年中再次发生这样的地震的可能性估计为7%-10%;发生更小一点,但仍然影响重大的地震的可能性为25%-40%。所以,与这些地震直接相关的地区已经成功地设置了数百个地震检波器,但是在更远一点的地方地震检波器的设置就稀疏一些了,相应的关于地震风险的认识也要模糊一些。

美国阵列将改变这个状况——而且将很快改变这个状况。在2011年,这个阵列的中心将处于断裂带上,阵列的北端会抵达五大湖湖岸。伊利诺依州埃文斯西北大学的地质学家Suzan van der Lee说:“那将告诉我们在稳定地块当中看起来本不该存在的应力集中是如何形成的。”那时候我们就能判断新马德里的情况是一个特例,还是美国中部大陆的其它部分都是如此。她说:“如果是后一种情况的话就有点骇人了。”

Nolet承认这个项目得到的数据可能会令人瞠目。他说:“很有可能存在其它一些目前还很安静的断裂带,但这些断裂带有可能再次恢复活动。”美国阵列只能提供一个短时期的快照,由此无法预报什么时间会发生地震,但是通过认识我们脚下的大地是如何构造的,我们能够知道什么地区可能存在集中的应力,在地震将要发生时哪些区域特别地危险。

地质学家们习惯于思考非常长的时间尺度的问题,美国阵列获得的数据可能会提供一些北美的长期命运的线索。对van der Lee来说,沿美国东海岸约300千米宽,至少660千米深的一处反常物质带就可能包含着重要的线索。她说:“关于这个,现在我们有模糊的图片,我们需要美国阵列来获得更清晰的图像。”

她和她的同事已经阐述了一个奇妙的可能:这个神秘的区域是从法拉龙板块边缘富含水的物质中升起的被水浸透的岩石(地球与行星科学通讯, 第273卷,15页)。如果真是这样的话,这就指出了美国东部一般说来很坚实的地质构造中的一个弱点。随着中大西洋海脊中持续升起的新物质不断从东边向北美板块施加压力,这里可能会自然地断裂。与连续的推动相比,物质更有可能沿着弱线下降。

由于法拉龙板块下降的方向与这个方向相反,这个断裂的形成将会影响重大,由此触发熔岩平原和火山的形成,通常地,还会伴有强烈的地震。在数千万年之内,美国东部地质相对的安静将成为历史。

Van der Lee认为这些地质活动可能是一些大陆的拉锯式动力学变迁史的一部分。从大陆的一边下降的物质可能把含水岩石推到它的前面,形成一个弱点,最终触发向着相反方向的下降。

好好回顾一下地球的历史,就不会有人去赌这样一个启示录般的情形不会发生。我们的后代是否会目睹这个情形则是另一回事了。美国阵列的主管Robert Woodward则更加关注一些更急迫的事。在2014年美国阵列完成对美国本土的扫描之后,他计划把这套系统搬到阿拉斯加,进行一个为期五年的全州地质扫描,或是对某个感兴趣的区域进行更细致的研究。他说:“我想不管我们把这些设备搬到哪里,我们都能认识到一些东西。即使我们不能百分之百确定我们认识到的究竟是什么。”

一个新发现的热柱

因其丰富的野生生物和宏伟的风景,位于洛基山的黄石公园成为了美国最受欢迎的旅游目的地,但这里最引人入胜的还是各种地热奇观,比如老忠实喷泉。黄石国家公园的间歇泉占全世界总数的三分之二。

一段时间前地质学家们就已经知道这里不同寻常的地质活动是位于黄石地下的“超级火山”发出的柔和的信号。这个超级火山曾在64万年前持续喷发,形成了一千米深的火山坑,喷出的火山灰在其周围的区域铺了两米多厚。但这座火山的热量来源仍然是一个谜。

加州伯克利大学的地质学家Richard Allen指出:现在美国阵列使我们可以仔细探查这里了。他对美国阵列采集到的数据进行分析,显示黄石正在位于下降中的法拉龙板块的一个裂口上,这使得炽热的岩石可以不受阻碍地从至少1000千米的地下升起。这个热柱可能是在1700万年前打出的通道,那时候这个通道位于当今的俄勒冈州的地下。从那时起,这个热柱就在那里稳定地存在着,随着北美板块向西移动,黄石被拖到了它的正上方。

这种熔岩热柱存在的证据在中大西洋海脊这样的海底最为常见,地球深处的物质向上升起,形成分裂板块的裂口,然后形成新的地壳。这种热柱在德国和其它一些地区也有发现。Allen指出:“但这是第一次发现在黄石地下很深处有一个持续存在的热柱。”

这个热柱具体有多深还并不清楚。但是美国阵列正在经过这一地区,随着这一项目的进行,应该能揭示这个热柱根源的更多信息,以及热量如何是传递到地表的。这将有助于我们认识黄石的过去和它未来可能的变化——2008年12月黄石地区显著的地震活动高潮更推动了这方面的研究。

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5 Responses to “[小红猪]地球在呼唤”

  1. Kirk说道:

    欧冠中场休息,来坐个沙发

  2. [...] 小红猪翻译小分队新一期:《地球在呼唤》:粽子啊~ [...]

  3. 屈臣氏说道:

    端午节快乐

  4. babala说道:

    吃粽子喽

  5. 翔之子说道:

    (⊙v⊙)嗯

    整体感觉不够通俗

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