當光纖光纜用于地震探測器

光纜可以通過密集、低成本的陣列提供早期地震預警。

光纖光纜構成了巨大的地下神經系統（underground nervous system），以滿足我們對高速互聯網和通信服務日益增長的需求。然而，光纜中的信號偶爾會受到從頭頂駛過的汽車、附近建筑甚至地震的振動影響。研究人員提出利用這些擾動將數千公里的地下光纜轉化為靈敏的地震傳感陣列。

在一項新的研究中，加州理工學院的研究人員表明，光纖光纜不僅能檢測地震，還能測量地震事件的細微差別和復雜性。在一個例子中，研究人員使用100公里長的光纜，能夠精確定位構成6級地震的四個較小的小地震的時間和位置。

加州理工學院地球物理學博士后研究員、8 月 2 日發表于《Nature》雜志的論文合著者Jiaxuan Li表示：“這項工作不僅僅是檢測，而是超越了檢測。我們正在對地震破裂過程的細節進行成像。

JIAXUAN LI, CALTECH：我們可以將這些非常密集的“光纖”網絡轉化為可用于預警的地震陣列。

通過利用更多的光纜和獲取更多的數據，地震學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生前預測到地震，但研究人員可以利用這項技術幫助開發更好的預警系統，以挽救生命。

加利福尼亞州每年通常會遭受兩到三次足夠嚴重的地震，即5.5級或更高，對建筑物造成中度破壞。全州有700多個地震儀。每個地震儀的成本高達5萬美元，探測器網絡的維護費用也很昂貴。

加州理工學院的研究人員表明，光纖光纜不僅能檢測地震，還能測量地震事件的細微差別和復雜性。在一個例子中，研究人員使用100公里長的光纜，能夠確定構成6級地震的四個較小微震的時間和位置。

加州理工學院地球物理學博士后研究員、8 月 2 日發表于《Nature》雜志的論文合著者Jiaxuan Li表示：“這項工作不僅僅是檢測，而是超越了檢測。我們正在對地震破裂過程的細節進行成像?！?/p>

對于早期檢測而言，傳感器離地震源越近越好。Li說，昂貴的地震儀無法做到這一點。另一方面，光纖光纜已經鋪設在地下，縱橫交錯，形成了一個密集、低成本的地震傳感器網絡?！拔覀冊诔鞘兄g建立了非常密集的光纖網絡，”他說?！拔覀兛梢詫⑦@些密集的網絡轉化為可用于預警的地震陣列?！?/p>

Li的團隊使用了分布式聲學傳感（DAS）的技術，雖然這項技術在地震學領域是新的，但已經用于監測管道的缺陷。該方法通過向光纖發送激光脈沖并測量從光纖缺陷反射回來的信號的強度來實現。光纖的輕微拉伸或收縮（例如：地震）可以改變反射的信號。

根據脈沖返回的時間，你可以確定沿光纜的干擾發生的時間和位置。因為光線從光纖上數千個缺陷點反射回來，一公里長的光纜可以充當數千個地震儀。這意味著有更多的地震數據，導致更高的分辨率，這使得能夠精確定位較小的地震活動的位置。

加州理工學院的研究人員已經將現有的光纖光纜轉換成分布式聲學傳感陣列。電信公司通常鋪設比他們需要更多的光纖，研究團隊利用了一些“暗”光纖（以前分享過相關技術，參看：Dark fiber 暗光纖）。在加州寬帶合作公司的許可下，研究團隊在加州和內華達州邊界沿線的一根光纖光纜的一端安裝了分布式聲學傳感收發器。

在他們的研究中，研究人員分析了來自兩段50公里長的光纖光纜的光信號，這些光纖光纜記錄了2021年羚羊谷（Antelope Valley）的6級地震。這兩段光纖光纜位于舊猛犸鎮（town of Old Mammoth）的北部和南部?？偟膩碚f，這100公里的光纖光纜提供了相當于10,000個地震儀的數據。

利用高分辨率數據，研究人員發現地震是由一系列較小的破裂組成（分析能力很強），稱為“子事件”（sequence of four smaller ruptures, called “subevents,”），這些子事件無法通過常規地震網絡檢測到。通過基于數據創建地震的計算機模型，研究人員能夠詳細說明這些子事件的確切時間和位置。

研究中使用的光纖距離震中100公里?！叭绻谄渌较?，比如地震的東側和西側，也有光纖，我們的圖像分辨率可以大大提高?！?/p>

處理和存儲密集光纖地震陣列產生的大量數據將是一項艱巨的技術挑戰。但“第一個也是最困難的”挑戰將是獲取光纖以創建廣闊的DAS陣列，為此他們必須與電信運營商溝通?！斑@不是一個容易的過程，但我希望基于這項工作，運營商能夠看到合作的優勢。

作者：PRACHI PATEL，14 AUG 2023

審核編輯：黃飛