利用海底的暗光缆，构建全球地震监测网络 - 海洋地震监测技术

撰文：香农·霍尔（Shannon Hall）

来源：中国数字科技馆

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沿光纤（图中发亮的线）传输的光可用于测量微小的震动。

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塞莱斯特·拉贝兹（Celeste Labedz）听到了一声巨响，就好像是从冰层里传来的滚滚雷声。地震发生时她正在美国阿拉斯加的塔库冰川（Taku Glacier），这里被积雪覆盖，四周都是耸立的高山。

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此次地震是由冰川突然运动引发的。她赶紧在笔记本上记下了时间。拉贝兹是加州理工学院的一名研究生，她正在铺设一套光缆，今后可用于研究地震——这是一种很有潜力的新方法，正在深刻地改变地质学及其相关领域。

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当信息以脉冲光的形式在光缆中传输时，大部分光都会很安分地沿着比头发丝还细的光纤前进。不过，如果光纤中存在缺陷，部分光线会在被散射后向光源方向折回。

当光缆因为地震、卡车经过引发震动等因素被拉伸或弯曲时，散射也会表现出不同的特征。因此，科学家可以通过检测散射光的强度变化，量化震动的强度。这种技术被称作分布式声波传感（distributed acoustic sensing，简称DAS），在十多年前由石油行业率先研发。

目前，这项技术也开始应用于学术研究。美国劳伦斯伯克利国家实验室（Lawrence Berkeley National Laboratory）的地球物理学家乔纳森·阿霍富兰克林（Jonathan Ajo-Franklin）表示，“过去几年，DAS技术越来越流行”。

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2019年12月，有很多使用过这项技术的科学家参与了美国地球物理学会（American Geophysical Union）举办的一场研讨会，他们用这项技术测绘冰川，检测雷暴，研究深海。

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DAS技术的第一个优势在于，用这项技术铺设的光缆可长达数千米，每条光缆都相当于由数千个传感器组成的网络，能记录周围数米内的数据。与之相对，传统的地震仪只能以单点的形式记录地表移动（在测绘地球内部时，这也是非常棘手的主要问题之一）。比如，1980年，圣海伦火山在猛烈喷发前就不停地发出轰鸣声。由于附近只有一台地震仪，科学家甚至无法确定当时的震动是不是由逐渐苏醒的火山引发的。

“这就好比街上的路灯，”劳伦斯伯克利国家实验室地球和行星科学方向的研究生纳撒尼尔·林赛（Nathaniel Lindsey）说，“如果路灯数量不足，就无法照亮整座火山。”

这套技术的第二个优势在于，它已经遍布全球。尽管在塔库冰川之类的地区需要铺设新的光缆，但是，城市、海底等大部分地区都已经铺上光缆了。一部分光缆目前还未启用，部分改造后即可使用。

这一切都要归功于20世纪90年代互联网的蓬勃发展。当时，通信公司铺设了大量光缆，其中还没用上的那部分被称作暗光缆。于是，科学家只需在这些光缆的一端连上“询问器”（interrogator，会朝光缆的另一端发出一束激光，并检测散射后的光强变化），一个新的地震波检测网络就搭建好了。

朱铁源（Tieyuan Zhu）是美国宾夕法尼亚州立大学的地球物理学家，去年他改装了学校现有的光纤网络，试图测定校园地面下的微弱震动。在一个雷雨交加的夜晚，他惊喜地在数据中发现了多处波动。尽管在很早之前科学家就已经知道，当空中发出巨响时，气体分子的震动也会引起地表震动，但是没人知道这项新技术是否能检测到这样的“雷震”。

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当朱铁源把自己的监测结果与NASA的数据同步后，他们获得了非常明确的答案，“雷震”确实可以被监测。朱铁源说：“我认为，这项技术拥有让城市获得全方位预警的巨大潜力。它不仅可以监测地震，还可以监测山体滑坡、海啸等地质灾害，以及天气变化。”

还有科学家在更偏远的地方测试这套系统。2019年11月，林赛以第一作者的身份在《科学》（Science）杂志发表了一篇论文。研究者将一台询问机连在了一条20千米长的光缆上。这条光缆连接着蒙特雷湾（Monterey Bay）外海床上的科研仪器，原本是用来传输仪器数据的。当时这些设施正处于维护状态，因此科学家恰好有机会使用这些光缆检测沿途的震动。

他们仅用了4天就绘制出了多处水下断裂带，还检测到了由海浪引发的海床震动。对海床进行更详细的测绘，有助于科学家更好地预测地震和海底火山——这些现象都有可能引发致命的海啸。

在塔库冰川，拉贝兹和同事用一条光缆改造出了3000个地震传感器。早期结果表明，这套系统连续运行5小时，检测到了100次冰震，其中大多数很可能是融水胀破冰川中的裂缝造成的。

詹中文（Zhongwen Zhan）是拉贝兹的导师，也是加州理工学院的地震学家。他希望，有朝一日能在格陵兰岛或南极铺设永久光缆，帮助研究人员收集相关信息，更好地理解气候变化引发的冰川融化对海平面上升造成的影响。

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不仅如此，詹中文还想利用近1000千米的暗光缆，在加利福利亚州搭建相当于上百万个传感器的监测网络。在帕萨迪纳市（Pasadena），他已经将37千米的暗光缆改造成了永久性的地震监测网络。此后，他还打算在加利福利亚州的其他城市开展同样的工作。

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这套网络收集的数据可以反映城市基础设施的牢固程度，并且在地震开始时立即向市民发出警报。目前，科学家还无法预测地震，但是，能够更深入认识那些可能会引发大地震的前兆地震，也是非常有价值的。

罗伯特·梅勒斯（Robert Mellors，未参与这项研究）是美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室的地震学家，他表示：“任何有助于准确理解地震启动和形成的数据，都有可能彻底改变地震预测的现状。”

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值得注意的是，这种方法会收集到海量的数据。一条光缆一天就能产生10 TB的数据，也就是说，只需100天就会增加到1 PB。然而，负责收集全世界所有地震数据的国际地震数据库，容量也不到1 PB。

在科学家把光缆铺设到更遥远的地区前，他们或许得先找个合适的解决方案，以此存储和分享这么庞大的数据量。

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