科學(xué)家計劃利用海底光纜構建全球地震監測網(wǎng)絡(luò )

  當信息以脈沖光的形式在光纜中傳輸時(shí)，大部分光都會(huì )很安分地沿著(zhù)比頭發(fā)絲還細的光纖前進(jìn)。不過(guò)，如果光纖中存在缺陷，部分光線(xiàn)會(huì )在被散射后向光源方向折回。

  沿光纖(圖中發(fā)亮的線(xiàn))傳輸的光可用于測量微小的震動(dòng)

  撰文 | 香農·霍爾(Shannon Hall)

  翻譯 | 張哲

  塞萊斯特·拉貝茲(Celeste Labedz)聽(tīng)到了一聲巨響，就好像是從冰層里傳來(lái)的滾滾雷聲。地震發(fā)生時(shí)她正在美國阿拉斯加的塔庫冰川(Taku Glacier)，這里被積雪覆蓋，四周都是聳立的高山。

  此次地震是由冰川突然運動(dòng)引發(fā)的。她趕緊在筆記本上記下了時(shí)間。拉貝茲是加州理工學(xué)院的一名研究生，她正在鋪設一套光纜，今后可用于研究地震——這是一種很有潛力的新方法，正在深刻地改變地質(zhì)學(xué)及其相關(guān)領(lǐng)域。

  當信息以脈沖光的形式在光纜中傳輸時(shí)，大部分光都會(huì )很安分地沿著(zhù)比頭發(fā)絲還細的光纖前進(jìn)。不過(guò)，如果光纖中存在缺陷，部分光線(xiàn)會(huì )在被散射后向光源方向折回。

  當光纜因為地震、卡車(chē)經(jīng)過(guò)引發(fā)震動(dòng)等因素被拉伸或彎曲時(shí)，散射也會(huì )表現出不同的特征。因此，科學(xué)家可以通過(guò)檢測散射光的強度變化，量化震動(dòng)的強度。這種技術(shù)被稱(chēng)作分布式聲波傳感(distributed acoustic sensing，簡(jiǎn)稱(chēng)DAS)，在十多年前由石油行業(yè)率先研發(fā)。

  目前，這項技術(shù)也開(kāi)始應用于學(xué)術(shù)研究。美國勞倫斯伯克利國家實(shí)驗室(Lawrence Berkeley National Laboratory)的地球物理學(xué)家喬納森·阿霍富蘭克林(Jonathan Ajo-Franklin)表示，“過(guò)去幾年，DAS技術(shù)越來(lái)越流行”。

  2019年12月，有很多使用過(guò)這項技術(shù)的科學(xué)家參與了美國地球物理學(xué)會(huì )(American Geophysical Union)舉辦的一場(chǎng)研討會(huì )，他們用這項技術(shù)測繪冰川，檢測雷暴，研究深海。

  DAS技術(shù)的第一個(gè)優(yōu)勢在于，用這項技術(shù)鋪設的光纜可長(cháng)達數千米，每條光纜都相當于由數千個(gè)傳感器組成的網(wǎng)絡(luò )，能記錄周?chē)鷶得變鹊臄祿?。與之相對，傳統的地震儀只能以單點(diǎn)的形式記錄地表移動(dòng)(在測繪地球內部時(shí)，這也是非常棘手的主要問(wèn)題之一)。比如，1980年，圣海倫火山在猛烈噴發(fā)前就不停地發(fā)出轟鳴聲。由于附近只有一臺地震儀，科學(xué)家甚至無(wú)法確定當時(shí)的震動(dòng)是不是由逐漸蘇醒的火山引發(fā)的。

  “這就好比街上的路燈，”勞倫斯伯克利國家實(shí)驗室地球和行星科學(xué)方向的研究生納撒尼爾·林賽(Nathaniel Lindsey)說(shuō)，“如果路燈數量不足，就無(wú)法照亮整座火山?！?

  這套技術(shù)的第二個(gè)優(yōu)勢在于，它已經(jīng)遍布全球。盡管在塔庫冰川之類(lèi)的地區需要鋪設新的光纜，但是，城市、海底等大部分地區都已經(jīng)鋪上光纜了。一部分光纜目前還未啟用，部分改造后即可使用。

  這一切都要歸功于20世紀90年代互聯(lián)網(wǎng)的蓬勃發(fā)展。當時(shí)，通信公司鋪設了大量光纜，其中還沒(méi)用上的那部分被稱(chēng)作暗光纜。于是，科學(xué)家只需在這些光纜的一端連上“詢(xún)問(wèn)器”(interrogator，會(huì )朝光纜的另一端發(fā)出一束激光，并檢測散射后的光強變化)，一個(gè)新的地震波檢測網(wǎng)絡(luò )就搭建好了。

  朱鐵源(Tieyuan Zhu)是美國賓夕法尼亞州立大學(xué)的地球物理學(xué)家，去年他改裝了學(xué)?，F有的光纖網(wǎng)絡(luò )，試圖測定校園地面下的微弱震動(dòng)。在一個(gè)雷雨交加的夜晚，他驚喜地在數據中發(fā)現了多處波動(dòng)。盡管在很早之前科學(xué)家就已經(jīng)知道，當空中發(fā)出巨響時(shí)，氣體分子的震動(dòng)也會(huì )引起地表震動(dòng)，但是沒(méi)人知道這項新技術(shù)是否能檢測到這樣的“雷震”。

  當朱鐵源把自己的監測結果與NASA的數據同步后，他們獲得了非常明確的答案，“雷震”確實(shí)可以被監測。朱鐵源說(shuō)：“我認為，這項技術(shù)擁有讓城市獲得全方位預警的巨大潛力。它不僅可以監測地震，還可以監測山體滑坡、海嘯等地質(zhì)災害，以及天氣變化?！?

  還有科學(xué)家在更偏遠的地方測試這套系統。2019年11月，林賽以第一作者的身份在《科學(xué)》(Science)雜志發(fā)表了一篇論文。研究者將一臺詢(xún)問(wèn)機連在了一條20千米長(cháng)的光纜上。這條光纜連接著(zhù)蒙特雷灣(Monterey Bay)外海床上的科研儀器，原本是用來(lái)傳輸儀器數據的。當時(shí)這些設施正處于維護狀態(tài)，因此科學(xué)家恰好有機會(huì )使用這些光纜檢測沿途的震動(dòng)。

  他們僅用了4天就繪制出了多處水下斷裂帶，還檢測到了由海浪引發(fā)的海床震動(dòng)。對海床進(jìn)行更詳細的測繪，有助于科學(xué)家更好地預測地震和海底火山——這些現象都有可能引發(fā)致命的海嘯。

  在塔庫冰川，拉貝茲和同事用一條光纜改造出了3000個(gè)地震傳感器。早期結果表明，這套系統連續運行5小時(shí)，檢測到了100次冰震，其中大多數很可能是融水脹破冰川中的裂縫造成的。

  詹中文(Zhongwen Zhan)是拉貝茲的導師，也是加州理工學(xué)院的地震學(xué)家。他希望，有朝一日能在格陵蘭島或南極鋪設永久光纜，幫助研究人員收集相關(guān)信息，更好地理解氣候變化引發(fā)的冰川融化對海平面上升造成的影響。

  不僅如此，詹中文還想利用近1000千米的暗光纜，在加利福利亞州搭建相當于上百萬(wàn)個(gè)傳感器的監測網(wǎng)絡(luò )。在帕薩迪納市(Pasadena)，他已經(jīng)將37千米的暗光纜改造成了永久性的地震監測網(wǎng)絡(luò )。此后，他還打算在加利福利亞州的其他城市開(kāi)展同樣的工作。

  這套網(wǎng)絡(luò )收集的數據可以反映城市基礎設施的牢固程度，并且在地震開(kāi)始時(shí)立即向市民發(fā)出警報。目前，科學(xué)家還無(wú)法預測地震，但是，能夠更深入認識那些可能會(huì )引發(fā)大地震的前兆地震，也是非常有價(jià)值的。

  羅伯特·梅勒斯(Robert Mellors，未參與這項研究)是美國勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗室的地震學(xué)家，他表示：“任何有助于準確理解地震啟動(dòng)和形成的數據，都有可能徹底改變地震預測的現狀?！?

  值得注意的是，這種方法會(huì )收集到海量的數據。一條光纜一天就能產(chǎn)生10 TB的數據，也就是說(shuō)，只需100天就會(huì )增加到1 PB。然而，負責收集全世界所有地震數據的國際地震數據庫，容量也不到1 PB。

  在科學(xué)家把光纜鋪設到更遙遠的地區前，他們或許得先找個(gè)合適的解決方案，以此存儲和分享這么龐大的數據量。