当光纤光缆用于地震探测器

光缆可以通过密集、低成本的阵列提供早期地震预警。

光纤光缆构成了巨大的地下神经系统（underground nervous system），以满足我们对高速互联网和通信服务日益增长的需求。然而，光缆中的信号偶尔会受到从头顶驶过的汽车、附近建筑甚至地震的振动影响。研究人员提出利用这些扰动将数千公里的地下光缆转化为灵敏的地震传感阵列。

在一项新的研究中，加州理工学院的研究人员表明，光纤光缆不仅能检测地震，还能测量地震事件的细微差别和复杂性。在一个例子中，研究人员使用100公里长的光缆，能够精确定位构成6级地震的四个较小的小地震的时间和位置。

加州理工学院地球物理学博士后研究员、8 月 2 日发表于《Nature》杂志的论文合著者Jiaxuan Li表示：“这项工作不仅仅是检测，而是超越了检测。我们正在对地震破裂过程的细节进行成像。

JIAXUAN LI, CALTECH：我们可以将这些非常密集的“光纤”网络转化为可用于预警的地震阵列。

通过利用更多的光缆和获取更多的数据，地震学家可以更好地了解地震。虽然一系列光纤光缆不太可能在地震发生前预测到地震，但研究人员可以利用这项技术帮助开发更好的预警系统，以挽救生命。

加利福尼亚州每年通常会遭受两到三次足够严重的地震，即5.5级或更高，对建筑物造成中度破坏。全州有700多个地震仪。每个地震仪的成本高达5万美元，探测器网络的维护费用也很昂贵。

加州理工学院的研究人员表明，光纤光缆不仅能检测地震，还能测量地震事件的细微差别和复杂性。在一个例子中，研究人员使用100公里长的光缆，能够确定构成6级地震的四个较小微震的时间和位置。

加州理工学院地球物理学博士后研究员、8 月 2 日发表于《Nature》杂志的论文合著者Jiaxuan Li表示：“这项工作不仅仅是检测，而是超越了检测。我们正在对地震破裂过程的细节进行成像。”

对于早期检测而言，传感器离地震源越近越好。Li说，昂贵的地震仪无法做到这一点。另一方面，光纤光缆已经铺设在地下，纵横交错，形成了一个密集、低成本的地震传感器网络。“我们在城市之间建立了非常密集的光纤网络，”他说。“我们可以将这些密集的网络转化为可用于预警的地震阵列。”

Li的团队使用了分布式声学传感（DAS）的技术，虽然这项技术在地震学领域是新的，但已经用于监测管道的缺陷。该方法通过向光纤发送激光脉冲并测量从光纤缺陷反射回来的信号的强度来实现。光纤的轻微拉伸或收缩（例如：地震）可以改变反射的信号。

根据脉冲返回的时间，你可以确定沿光缆的干扰发生的时间和位置。因为光线从光纤上数千个缺陷点反射回来，一公里长的光缆可以充当数千个地震仪。这意味着有更多的地震数据，导致更高的分辨率，这使得能够精确定位较小的地震活动的位置。

加州理工学院的研究人员已经将现有的光纤光缆转换成分布式声学传感阵列。电信公司通常铺设比他们需要更多的光纤，研究团队利用了一些“暗”光纤（以前分享过相关技术，参看：Dark fiber 暗光纤）。在加州宽带合作公司的许可下，研究团队在加州和内华达州边界沿线的一根光纤光缆的一端安装了分布式声学传感收发器。

在他们的研究中，研究人员分析了来自两段50公里长的光纤光缆的光信号，这些光纤光缆记录了2021年羚羊谷（Antelope Valley）的6级地震。这两段光纤光缆位于旧猛犸镇（town of Old Mammoth）的北部和南部。总的来说，这100公里的光纤光缆提供了相当于10,000个地震仪的数据。

利用高分辨率数据，研究人员发现地震是由一系列较小的破裂组成（分析能力很强），称为“子事件”（sequence of four smaller ruptures, called “subevents,”），这些子事件无法通过常规地震网络检测到。通过基于数据创建地震的计算机模型，研究人员能够详细说明这些子事件的确切时间和位置。

研究中使用的光纤距离震中100公里。“如果在其他方向，比如地震的东侧和西侧，也有光纤，我们的图像分辨率可以大大提高。”

处理和存储密集光纤地震阵列产生的大量数据将是一项艰巨的技术挑战。但“第一个也是最困难的”挑战将是获取光纤以创建广阔的DAS阵列，为此他们必须与电信运营商沟通。“这不是一个容易的过程，但我希望基于这项工作，运营商能够看到合作的优势。

作者：PRACHI PATEL，14 AUG 2023

审核编辑：黄飞