2022年11月8日，美国国家科学基金会（NSF）发布报告《“俯冲带四维”（SZ4D）实施计划2022》（SZ4D Implementation Plan 2022）指出，SZ4D计划是一项由社区驱动、历时多年的跨学科科学计划。地球板块俯冲过程驱动地球内部的演化并造成破坏性的地质灾害，如地震、海啸和火山爆发，SZ4D计划寻求对这一过程更深入的理解，不同地球科学背景和专业技能的科学家将聚集在一起，研究地震、火山爆发和地表过程。SZ4D计划将通过利用新的观测、分析和计算技术，以及对俯冲带的物理化学特征和过程的基础研究，来解决在地质灾害认识方面的差距，该计划同时提供了战略性综合灾害调查的机会，通过开展自然实验来分析研究驱动地质灾害的关键因素。 

　　地球的主要地质灾害集中在俯冲带，即一个构造板块滑动向另一个构造板块的位置。地震和海啸可以造成巨大的破坏，对社会经济造成巨大损失。尽管全球都在预测这些地质灾害，但对板块相互作用引发地震、海啸和火山爆发的复杂物理和化学过程的了解有限（图1）。同时，对这些地质灾害与地球表面过程（如泥沙侵蚀和沉积）之间关联方式的了解也很有限。迄今为止，了解地质灾害潜在可预测性方面的进展，不仅受到知识差距的限制，还受到历史上在学科界限研究的阻碍。SZ4D计划所确定的必须解决的关键问题包括： 

　　（1）破坏性大地震何时何地发生？ 

　　（2）地壳过程如何引发岛弧火山喷发？ 

　　（3）地球大气、水圈和固体地球内部的事件如何在俯冲带陆-海景观间生成和运输沉积物？ 

　　（4）预测一个俯冲带有多少能量用于建造和塑造俯冲带的陆-海景观？ 

　　（5）如何转变业界的思维方式，将教育、外部网络关系、国际伙伴关系、多样性、公平性、包容性和社会科学作为研究的关键要素？ 

　　这些问题引出了几个交叉研究主题。大地震、火山爆发和滑坡的发生都反映了地球物质质量和能量在俯冲带内被引入、平衡和转移的方式。无论这些物质是在固体地球内部、近地表还是大气中，这些质量和能量输入的应力引起的运动取决于地球物质的流变学。流体及其如何在地球系统中迁移，是决定大规模滑坡、火山爆发和地震发生地点、时间和方式的关键因素。气候变化和变率可以改变影响火山流体输送的地表载荷、地壳内的应力以及可能引发滑坡的近地表水文特征。最后，地质灾害并不是孤立发生的，而是可以被触发和由可放大这些现象的影响的一系列其他灾害所导致。 

图1 俯冲带与每个科学问题的相关性

　　1  SZ4D计划基础设施需求 

　　要回答SZ4D计划提出的关键科学问题，需要在陆地和海底收集一系列不同时间和空间尺度的观测数据。SZ4D计划基础设施的3个关键组成部分使数据收集成为可能： 

　　（1）巨型阵列（MegaArray）：大规模、长期的两栖（即无缝集成陆上和海上观测）大地测量和地震仪器阵列在关键地区得到强化。 

　　（2）火山阵列（VolcArray）：一组由多设施组成的标准化火山阵列。 

　　（3）浅层阵列（SurfArray）：一组地表和环境变化探测阵列，对地球浅层地表、地表和大气条件的变化进行成像。 

　　虽然主要阵列将对俯冲带活动提供新的限定，但还需要额外的观测、实验和建模工作，以及相关的人才发展计划。这项工作的关键是SZ4D计划综合小组提供的计算基础设施，这些设施将使社区能够集成阵列和其他活动的结果，从而形成空间和时间的俯冲带影像（图2）。 

图2  SZ4D主要仪器阵列和活动示意图

　　2  SZ4D计划实施阶段和预期时间表 

　　所有SZ4D计划阵列强调阶段的重要性，其中后期阶段要基于早期阶段生成的信息。每个SZ4D计划工作和综合小组活动的预期阶段具有不同的时间表。 

　　MegaArray建设和相关的地球物理成像和地质特征研究将被大规模开展，然后在5年后继续确定需要重点研究和密集阵列部署的关键目标区域。 

　　VolcArray将首先在一些火山上开发和测试仪器网络，然后扩展到大约30个不稳定系统的观测阵列组合，用于长期观测并对6个关键系统开展密集研究。 

　　陆-海景观研究人员将采用SurfArray类似的方法，并对成对研究地点进行精心比较，以区分关键过程。与观测工作并行的是，建模和实验工作也将遵循数据同化、工作流开发和主要数据收集的分阶段方法。协调观测、实验和数据的阶段是必要的，以整合研究结果，为未来阶段的规划提供信息，并回答SZ4D计划的研究问题。总之，所有SZ4D计划阵列必须以一种不同的、相互依赖的阵列组合在SZ4D计划的生命周期内，并顺利执行研究任务。 

　　3  SZ4D计划实施的地理位置 

　　SZ4D计划工作小组和综合小组系统地评估了全球俯冲带的特征，以确定聚焦于一个或多个地区的努力是否能使研究人员回答SZ4D计划的科学问题。同时，该计划必须为填补影响美国国内灾害风险的基本知识空白做出实质性贡献。在考虑了以工作组和综合组为代表的所有研究社团的需求后，SZ4D计划认识到，将国际和美国国内俯冲带之间的重点比较为解决关键科学问题的提供了最佳机会。智利、卡斯卡迪亚和阿拉斯加被认为是SZ4D计划部署的理想地点。智利俯冲带的地质活动足够活跃，可以在计划科学部署期间提供有用的信息，在单个伙伴国家中具有重要的基础设施，可访问度高，并具有与美国国内12个SZ4D计划站点形成重要对比研究的区域。工作组和综合组建议将大约70%的仪器工作部署在智利，大约20%部署在卡斯卡迪亚，大约10%部署在阿拉斯加。这些工作组和综合组还认识到，相关的科学活动，如地质研究、建模、实验室实验和建设的公平和能力，要适当地进行平衡。在全球范围内发展强有力的国际伙伴关系，与相辅相成的小规模项目合作，将实现俯冲带研究参与者的多样性及其研究范围的广泛性，以建立对俯冲带地质灾害的普遍共识。 

　　4  SZ4D计划的组织与管理 

　　SZ4D计划的实施需要在几个关键领域进行资助，其中一些关键领域已经存在，而另一些需要开发、合并或扩展。SZ4D计划中央管理中心，将协调负责收集不同现有和新设施的绝大多数数据，促进SZ4D计划的科学整合，并与合作伙伴和利益相关者相互协调，最大化实现SZ4D计划的影响。该中心将由一个指导委员会监督，其成员将由建立公平和能力的地球科学（BECG）小组监督公开选出，从而使多样性、公平性和包容性成为该管理过程的核心。当前资助的关键领域包括5个新建和现有设施： 

　　（1）海上阵列，包括MegaArray和SurfArray。该新设施将为地震通过大地测量仪器提供高分辨率水深测量和其他地球物理成像数据的收集，用于部署、服务密集部署地点附近的快速响应。 

　　（2）陆上仪器阵列，包括VolcArray、SurfArray和MegaArray组件。目前的设备可以部分用于满足陆上仪器的需要。 

　　（3）样本收集、仪器和涉及人力部署的现场项目的后勤保障，都将通过主要观测仪器来收集系统的、标准化的数据，包括古地震学、框架制图、地质年代学、地球化学和岩石学的样本数据。该计划设想的设施包括一个可以支持现场后勤、成像采集、样品许可、存档和运输的野外站。 

　　（4）一个建模协作实验室。该设施将开发新的俯冲带物理模型和计算工具，利用机器学习为整个SZ4D计划研究社团提供资源，包括学生、博士后和研究人员。 

　　（5）实验室和样品联盟。该联盟将有助于研究材料性质、变形过程中的流变学和熔融体系的相平衡。 

　　5  愿景 

　　SZ4D计划将战略性地通过在两个俯冲带部署新的仪器，利用先进的计算技术开发更复杂、更精确的模型，利用集成方法协调地质灾害研究的广度，并整合多样化的科学家和利益相关者带来的广泛的技能、知识和想法，从而在理解俯冲带灾害背后的科学方面取得重大进展。这种长期的协作需要从早期阶段部署所有阵列之间的密切协调和整个计划的深度集成。实现SZ4D计划目标不仅将为俯冲带的物理和化学过程提供新的认识，还可能为生活在受俯冲带危险影响地区的社区提供切实的好处。 

　　（编译/王立伟）

原文题目：SZ4D Implementation Plan 2022

来源：https://stacks.stanford.edu/file/druid:hy589fc7561/SZ4D%20Implementation%20Plan%202022.pdf