光纜可以通過(guò)密集、低成本的陣列提供早期地震預(yù)警。

光纖光纜構(gòu)成了巨大的地下神經(jīng)系統(tǒng)（underground nervous system），以滿足我們對(duì)高速互聯(lián)網(wǎng)和通信服務(wù)日益增長(zhǎng)的需求。然而，光纜中的信號(hào)偶爾會(huì)受到從頭頂駛過(guò)的汽車、附近建筑甚至地震的振動(dòng)影響。研究人員提出利用這些擾動(dòng)將數(shù)千公里的地下光纜轉(zhuǎn)化為靈敏的地震傳感陣列。

在一項(xiàng)新的研究中，加州理工學(xué)院的研究人員表明，光纖光纜不僅能檢測(cè)地震，還能測(cè)量地震事件的細(xì)微差別和復(fù)雜性。在一個(gè)例子中，研究人員使用100公里長(zhǎng)的光纜，能夠精確定位構(gòu)成6級(jí)地震的四個(gè)較小的小地震的時(shí)間和位置。

加州理工學(xué)院地球物理學(xué)博士后研究員、8 月 2 日發(fā)表于《Nature》雜志的論文合著者Jiaxuan Li表示：“這項(xiàng)工作不僅僅是檢測(cè)，而是超越了檢測(cè)。我們正在對(duì)地震破裂過(guò)程的細(xì)節(jié)進(jìn)行成像。

JIAXUAN LI, CALTECH：我們可以將這些非常密集的“光纖”網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)化為可用于預(yù)警的地震陣列。

通過(guò)利用更多的光纜和獲取更多的數(shù)據(jù)，地震學(xué)家可以更好地了解地震。雖然一系列光纖光纜不太可能在地震發(fā)生前預(yù)測(cè)到地震，但研究人員可以利用這項(xiàng)技術(shù)幫助開發(fā)更好的預(yù)警系統(tǒng)，以挽救生命。

加利福尼亞州每年通常會(huì)遭受兩到三次足夠嚴(yán)重的地震，即5.5級(jí)或更高，對(duì)建筑物造成中度破壞。全州有700多個(gè)地震儀。每個(gè)地震儀的成本高達(dá)5萬(wàn)美元，探測(cè)器網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)費(fèi)用也很昂貴。

加州理工學(xué)院的研究人員表明，光纖光纜不僅能檢測(cè)地震，還能測(cè)量地震事件的細(xì)微差別和復(fù)雜性。在一個(gè)例子中，研究人員使用100公里長(zhǎng)的光纜，能夠確定構(gòu)成6級(jí)地震的四個(gè)較小微震的時(shí)間和位置。

加州理工學(xué)院地球物理學(xué)博士后研究員、8 月 2 日發(fā)表于《Nature》雜志的論文合著者Jiaxuan Li表示：“這項(xiàng)工作不僅僅是檢測(cè)，而是超越了檢測(cè)。我們正在對(duì)地震破裂過(guò)程的細(xì)節(jié)進(jìn)行成像。”

對(duì)于早期檢測(cè)而言，傳感器離地震源越近越好。Li說(shuō)，昂貴的地震儀無(wú)法做到這一點(diǎn)。另一方面，光纖光纜已經(jīng)鋪設(shè)在地下，縱橫交錯(cuò)，形成了一個(gè)密集、低成本的地震傳感器網(wǎng)絡(luò)。“我們?cè)诔鞘兄g建立了非常密集的光纖網(wǎng)絡(luò)，”他說(shuō)。“我們可以將這些密集的網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)化為可用于預(yù)警的地震陣列。”

Li的團(tuán)隊(duì)使用了分布式聲學(xué)傳感（DAS）的技術(shù)，雖然這項(xiàng)技術(shù)在地震學(xué)領(lǐng)域是新的，但已經(jīng)用于監(jiān)測(cè)管道的缺陷。該方法通過(guò)向光纖發(fā)送激光脈沖并測(cè)量從光纖缺陷反射回來(lái)的信號(hào)的強(qiáng)度來(lái)實(shí)現(xiàn)。光纖的輕微拉伸或收縮（例如：地震）可以改變反射的信號(hào)。

根據(jù)脈沖返回的時(shí)間，你可以確定沿光纜的干擾發(fā)生的時(shí)間和位置。因?yàn)楣饩€從光纖上數(shù)千個(gè)缺陷點(diǎn)反射回來(lái)，一公里長(zhǎng)的光纜可以充當(dāng)數(shù)千個(gè)地震儀。這意味著有更多的地震數(shù)據(jù)，導(dǎo)致更高的分辨率，這使得能夠精確定位較小的地震活動(dòng)的位置。

加州理工學(xué)院的研究人員已經(jīng)將現(xiàn)有的光纖光纜轉(zhuǎn)換成分布式聲學(xué)傳感陣列。電信公司通常鋪設(shè)比他們需要更多的光纖，研究團(tuán)隊(duì)利用了一些“暗”光纖（以前分享過(guò)相關(guān)技術(shù)，參看：Dark fiber 暗光纖）。在加州寬帶合作公司的許可下，研究團(tuán)隊(duì)在加州和內(nèi)華達(dá)州邊界沿線的一根光纖光纜的一端安裝了分布式聲學(xué)傳感收發(fā)器。

在他們的研究中，研究人員分析了來(lái)自兩段50公里長(zhǎng)的光纖光纜的光信號(hào)，這些光纖光纜記錄了2021年羚羊谷（Antelope Valley）的6級(jí)地震。這兩段光纖光纜位于舊猛犸鎮(zhèn)（town of Old Mammoth）的北部和南部。總的來(lái)說(shuō)，這100公里的光纖光纜提供了相當(dāng)于10,000個(gè)地震儀的數(shù)據(jù)。

利用高分辨率數(shù)據(jù)，研究人員發(fā)現(xiàn)地震是由一系列較小的破裂組成（分析能力很強(qiáng)），稱為“子事件”（sequence of four smaller ruptures, called “subevents,”），這些子事件無(wú)法通過(guò)常規(guī)地震網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)到。通過(guò)基于數(shù)據(jù)創(chuàng)建地震的計(jì)算機(jī)模型，研究人員能夠詳細(xì)說(shuō)明這些子事件的確切時(shí)間和位置。

研究中使用的光纖距離震中100公里。“如果在其他方向，比如地震的東側(cè)和西側(cè)，也有光纖，我們的圖像分辨率可以大大提高。”

處理和存儲(chǔ)密集光纖地震陣列產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)將是一項(xiàng)艱巨的技術(shù)挑戰(zhàn)。但“第一個(gè)也是最困難的”挑戰(zhàn)將是獲取光纖以創(chuàng)建廣闊的DAS陣列，為此他們必須與電信運(yùn)營(yíng)商溝通。“這不是一個(gè)容易的過(guò)程，但我希望基于這項(xiàng)工作，運(yùn)營(yíng)商能夠看到合作的優(yōu)勢(shì)。

作者：PRACHI PATEL，14 AUG 2023

審核編輯：黃飛