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

  當(dāng)信息以脈沖光的形式在光纜中傳輸時，大部分光都會很安分地沿著比頭發(fā)絲還細(xì)的光纖前進(jìn)。不過，如果光纖中存在缺陷，部分光線會在被散射后向光源方向折回。

  沿光纖(圖中發(fā)亮的線)傳輸?shù)墓饪捎糜跍y量微小的震動

  撰文 | 香農(nóng)·霍爾(Shannon Hall)

  翻譯 | 張哲

  塞萊斯特·拉貝茲(Celeste Labedz)聽到了一聲巨響，就好像是從冰層里傳來的滾滾雷聲。地震發(fā)生時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引發(fā)的。她趕緊在筆記本上記下了時間。拉貝茲是加州理工學(xué)院的一名研究生，她正在鋪設(shè)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(dāng)信息以脈沖光的形式在光纜中傳輸時，大部分光都會很安分地沿著比頭發(fā)絲還細(xì)的光纖前進(jìn)。不過，如果光纖中存在缺陷，部分光線會在被散射后向光源方向折回。

  當(dāng)光纜因為地震、卡車經(jīng)過引發(fā)震動等因素被拉伸或彎曲時，散射也會表現(xiàn)出不同的特征。因此，科學(xué)家可以通過檢測散射光的強(qiáng)度變化，量化震動的強(qiáng)度。這種技術(shù)被稱作分布式聲波傳感(distributed acoustic sensing，簡稱DAS)，在十多年前由石油行業(yè)率先研發(fā)。

  目前，這項技術(shù)也開始應(yīng)用于學(xué)術(shù)研究。美國勞倫斯伯克利國家實驗室(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，“過去幾年，DAS技術(shù)越來越流行”。

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

  DAS技術(shù)的第一個優(yōu)勢在于，用這項技術(shù)鋪設(shè)的光纜可長達(dá)數(shù)千米，每條光纜都相當(dāng)于由數(shù)千個傳感器組成的網(wǎng)絡(luò)，能記錄周圍數(shù)米內(nèi)的數(shù)據(jù)。與之相對，傳統(tǒng)的地震儀只能以單點的形式記錄地表移動(在測繪地球內(nèi)部時，這也是非常棘手的主要問題之一)。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)家甚至無法確定當(dāng)時的震動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，“如果路燈數(shù)量不足，就無法照亮整座火山。”

  這套技術(shù)的第二個優(yōu)勢在于，它已經(jīng)遍布全球。盡管在塔庫冰川之類的地區(qū)需要鋪設(shè)新的光纜，但是，城市、海底等大部分地區(qū)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(jì)90年代互聯(lián)網(wǎng)的蓬勃發(fā)展。當(dāng)時，通信公司鋪設(shè)了大量光纜，其中還沒用上的那部分被稱作暗光纜。于是，科學(xué)家只需在這些光纜的一端連上“詢問器”(interrogator，會朝光纜的另一端發(fā)出一束激光，并檢測散射后的光強(qiáng)變化)，一個新的地震波檢測網(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)校現(xiàn)有的光纖網(wǎng)絡(luò)，試圖測定校園地面下的微弱震動。在一個雷雨交加的夜晚，他驚喜地在數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)了多處波動。盡管在很早之前科學(xué)家就已經(jīng)知道，當(dāng)空中發(fā)出巨響時，氣體分子的震動也會引起地表震動，但是沒人知道這項新技術(shù)是否能檢測到這樣的“雷震”。

  當(dāng)朱鐵源把自己的監(jiān)測結(jié)果與NASA的數(shù)據(jù)同步后，他們獲得了非常明確的答案，“雷震”確實可以被監(jiān)測。朱鐵源說：“我認(rèn)為，這項技術(shù)擁有讓城市獲得全方位預(yù)警的巨大潛力。它不僅可以監(jiān)測地震，還可以監(jiān)測山體滑坡、海嘯等地質(zhì)災(zāi)害，以及天氣變化?！?

  還有科學(xué)家在更偏遠(yuǎn)的地方測試這套系統(tǒng)。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。研究者將一臺詢問機(jī)連在了一條20千米長的光纜上。這條光纜連接著蒙特雷灣(Monterey Bay)外海床上的科研儀器，原本是用來傳輸儀器數(shù)據(jù)的。當(dāng)時這些設(shè)施正處于維護(hù)狀態(tài)，因此科學(xué)家恰好有機(jī)會使用這些光纜檢測沿途的震動。

  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。對海床進(jìn)行更詳細(xì)的測繪，有助于科學(xué)家更好地預(yù)測地震和海底火山——這些現(xiàn)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個地震傳感器。早期結(jié)果表明，這套系統(tǒng)連續(xù)運行5小時，檢測到了100次冰震，其中大多數(shù)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(dǎo)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(shè)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(dāng)于上百萬個傳感器的監(jiān)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(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。此后，他還打算在加利福利亞州的其他城市開展同樣的工作。

  這套網(wǎng)絡(luò)收集的數(shù)據(jù)可以反映城市基礎(chǔ)設(shè)施的牢固程度，并且在地震開始時立即向市民發(fā)出警報。目前，科學(xué)家還無法預(yù)測地震，但是，能夠更深入認(rèn)識那些可能會引發(fā)大地震的前兆地震，也是非常有價值的。

  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驗室的地震學(xué)家，他表示：“任何有助于準(zhǔn)確理解地震啟動和形成的數(shù)據(jù)，都有可能徹底改變地震預(yù)測的現(xiàn)狀?！?

  值得注意的是，這種方法會收集到海量的數(shù)據(jù)。一條光纜一天就能產(chǎn)生10 TB的數(shù)據(jù)，也就是說，只需100天就會增加到1 PB。然而，負(fù)責(zé)收集全世界所有地震數(shù)據(jù)的國際地震數(shù)據(jù)庫，容量也不到1 PB。

  在科學(xué)家把光纜鋪設(shè)到更遙遠(yuǎn)的地區(qū)前，他們或許得先找個合適的解決方案，以此存儲和分享這么龐大的數(shù)據(jù)量。