科学家利用海底暗光缆,构建全球地震监测网络

来源:中国海洋网   发布时间:2020-03-17 12:44:34 
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  沿光纤(图中发亮的线)传输的光可用于测量微小的震动。

  撰文|香农·霍尔(Shannon Hall)

  翻译|张哲

  塞莱斯特·拉贝兹(Celeste Labedz)听到了一声巨响,就好像是从冰层里传来的滚滚雷声。地震发生时她正在美国阿拉斯加的塔库冰川(Taku Glacier),这里被积雪覆盖,四周都是耸立的高山。

  此次地震是由冰川突然运动引发的。她赶紧在笔记本上记下了时间。拉贝兹是加州理工学院的一名研究生,她正在铺设一套光缆,今后可用于研究地震——这是一种很有潜力的新方法,正在深刻地改变地质学及其相关领域。

  当信息以脉冲光的形式在光缆中传输时,大部分光都会很安分地沿着比头发丝还细的光纤前进。不过,如果光纤中存在缺陷,部分光线会在被散射后向光源方向折回。

  当光缆因为地震、卡车经过引发震动等因素被拉伸或弯曲时,散射也会表现出不同的特征。因此,科学家可以通过检测散射光的强度变化,量化震动的强度。这种技术被称作分布式声波传感(distributed acoustic sensing,简称DAS),在十多年前由石油行业率先研发。

  目前,这项技术也开始应用于学术研究。美国劳伦斯伯克利国家实验室(Lawrence Berkeley National Laboratory)的地球物理学家乔纳森·阿霍富兰克林(Jonathan Ajo-Franklin)表示,“过去几年,DAS技术越来越流行”。

  2019年12月,有很多使用过这项技术的科学家参与了美国地球物理学会(American Geophysical Union)举办的一场研讨会,他们用这项技术测绘冰川,检测雷暴,研究深海。

  DAS技术的第一个优势在于,用这项技术铺设的光缆可长达数千米,每条光缆都相当于由数千个传感器组成的网络,能记录周围数米内的数据。与之相对,传统的地震仪只能以单点的形式记录地表移动(在测绘地球内部时,这也是非常棘手的主要问题之一)。比如,1980年,圣海伦火山在猛烈喷发前就不停地发出轰鸣声。由于附近只有一台地震仪,科学家甚至无法确定当时的震动是不是由逐渐苏醒的火山引发的。

  “这就好比街上的路灯,”劳伦斯伯克利国家实验室地球和行星科学方向的研究生纳撒尼尔·林赛(Nathaniel Lindsey)说,“如果路灯数量不足,就无法照亮整座火山。”

  这套技术的第二个优势在于,它已经遍布全球。尽管在塔库冰川之类的地区需要铺设新的光缆,但是,城市、海底等大部分地区都已经铺上光缆了。一部分光缆目前还未启用,部分改造后即可使用。

  这一切都要归功于20世纪90年代互联网的蓬勃发展。当时,通信公司铺设了大量光缆,其中还没用上的那部分被称作暗光缆。于是,科学家只需在这些光缆的一端连上“询问器”(interrogator,会朝光缆的另一端发出一束激光,并检测散射后的光强变化),一个新的地震波检测网络就搭建好了。

  朱铁源(Tieyuan Zhu)是美国宾夕法尼亚州立大学的地球物理学家,去年他改装了学校现有的光纤网络,试图测定校园地面下的微弱震动。在一个雷雨交加的夜晚,他惊喜地在数据中发现了多处波动。尽管在很早之前科学家就已经知道,当空中发出巨响时,气体分子的震动也会引起地表震动,但是没人知道这项新技术是否能检测到这样的“雷震”。

  当朱铁源把自己的监测结果与NASA的数据同步后,他们获得了非常明确的答案,“雷震”确实可以被监测。朱铁源说:“我认为,这项技术拥有让城市获得全方位预警的巨大潜力。它不仅可以监测地震,还可以监测山体滑坡、海啸等地质灾害,以及天气变化。”

  还有科学家在更偏远的地方测试这套系统。2019年11月,林赛以第一作者的身份在《科学》(Science)杂志发表了一篇论文。研究者将一台询问机连在了一条20千米长的光缆上。这条光缆连接着蒙特雷湾(Monterey Bay)外海床上的科研仪器,原本是用来传输仪器数据的。当时这些设施正处于维护状态,因此科学家恰好有机会使用这些光缆检测沿途的震动。

  他们仅用了4天就绘制出了多处水下断裂带,还检测到了由海浪引发的海床震动。对海床进行更详细的测绘,有助于科学家更好地预测地震和海底火山——这些现象都有可能引发致命的海啸。

  在塔库冰川,拉贝兹和同事用一条光缆改造出了3000个地震传感器。早期结果表明,这套系统连续运行5小时,检测到了100次冰震,其中大多数很可能是融水胀破冰川中的裂缝造成的。

  詹中文(Zhongwen Zhan)是拉贝兹的导师,也是加州理工学院的地震学家。他希望,有朝一日能在格陵兰岛或南极铺设永久光缆,帮助研究人员收集相关信息,更好地理解气候变化引发的冰川融化对海平面上升造成的影响。

  不仅如此,詹中文还想利用近1000千米的暗光缆,在加利福利亚州搭建相当于上百万个传感器的监测网络。在帕萨迪纳市(Pasadena),他已经将37千米的暗光缆改造成了永久性的地震监测网络。此后,他还打算在加利福利亚州的其他城市开展同样的工作。

  这套网络收集的数据可以反映城市基础设施的牢固程度,并且在地震开始时立即向市民发出警报。目前,科学家还无法预测地震,但是,能够更深入认识那些可能会引发大地震的前兆地震,也是非常有价值的。

  罗伯特·梅勒斯(Robert Mellors,未参与这项研究)是美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室的地震学家,他表示:“任何有助于准确理解地震启动和形成的数据,都有可能彻底改变地震预测的现状。”

  值得注意的是,这种方法会收集到海量的数据。一条光缆一天就能产生10 TB的数据,也就是说,只需100天就会增加到1 PB。然而,负责收集全世界所有地震数据的国际地震数据库,容量也不到1 PB。

  在科学家把光缆铺设到更遥远的地区前,他们或许得先找个合适的解决方案,以此存储和分享这么庞大的数据量。

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查看原文:http://www.hellosea.net/News/11/2020-03-17/74194.html


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