海底通信电缆变身超大地震监测器

广阔偏远的海底地震观测站十分稀少，这使得研究人员常常难以探测引发海啸的地震初震，或是像X射线一样穿透地球深部、携带地幔和地核结构信息的地震波。不过，海底还存在另一种技术：传输全球互联网数据的光纤光缆。近年来，研究人员一直试图利用这些光缆来补充海底地震仪，方法是监测在光纤中传输的光的变化。如今，由诺基亚贝尔实验室研究人员领导的团队将这项技术推向了极致，把一条连接夏威夷和加利福尼亚、长达4400公里的通信光缆，转化成了相当于44000个地震台站的阵列，台站间距仅100米。这项在今年美国地球物理联盟年会上公布的突破，有望开启地球内部成像以及海底和上层海洋监测的新时代。“这正是我们一直期待的仪器，”雷克雅未克大学地球物理学家瓦拉· Hjörleifsdóttir表示，她曾与贝尔实验室合作处理早期数据。在今年早些时候的测试中，这条太平洋光缆不仅捕捉到了7月底堪察加半岛发生的8.8级地震信号，还记录到了随后海啸波穿过海洋时轻微变形海底产生的微弱特征。“我们已经观测到了许多事件，”该项目负责人、贝尔实验室光学传感工程师米凯尔·马祖尔说，该团队9月在arXiv上传的预印本中详细介绍了这些早期探测结果。这项新技术建立在英国国家物理实验室计量学家朱塞佩·马拉开发的方法基础之上，他在本年代初设计出了一种让激光脉冲与互联网流量共存的方式。不过，瑞士苏黎世联邦理工学院地震学家安德烈亚斯·菲希特纳指出，这种方法的灵敏度究竟如何，能否产生可用数据，仍有待观察。“仅仅记录到一些东西是不够的，”他说，“这是高精度科学。”该方法依赖一种名为分布式声学传感（DAS）的光纤技术，科学家已在陆地上用它来探测火山和冰川的震动，甚至大学军乐队的脚步声。当光在玻璃光纤中传播时，会从随机分布的缺陷处反射。当声波或压力波（无论是鲸歌还是地震引起的）穿过光纤时，会拉伸和挤压这些缺陷，导致它们反射回光缆源头的光发生相位偏移。测量这些偏移就能将光纤变成密集的应变仪阵列。到目前为止，一切顺利——但海底光缆每隔约75公里就会有中继器。中继器会放大光以实现跨洋长途传输，但会衰减光纤沿途微弱的背向反射光。马祖尔的团队意识到，这些中继器不一定是障碍。每根光缆中的光纤束就像分道行驶的高速公路：光在一些光纤中向外传输，在另一些中返回。但每个中继器都有一个“环回”装置，用于监测光纤健康状况，它可以让光“越过中线”，在返回光纤中传输。马祖尔的团队意识到，这些内置的旁路装置能让研究人员将每段光纤的缺陷反射光沿返回光纤传回，这样反射光会被中继器放大，而非被传出的光阻挡。研究人员表示，通过复杂的计算，他们甚至能恢复来自光缆最远端的反射光——实际上相当于创建了一个密集的跨洋二维地震仪阵列。渴望获取数据的科学家不需要专用光纤，只需让激光以高于互联网流量的频率“搭便车”使用商用光缆即可。“这项技术的美妙之处在于它可以在现有光缆上运行，”合著者、Seismics Unusual公司地球科学家马丁·卡伦巴赫说，他是分布式声学传感发展的主要推动者之一，“无需花费数亿美元。”菲希特纳担心，向科学家推广这项技术并非易事。军方可能会反对，因为光纤传感器可能探测到潜艇活动。电信公司可能因安全原因不愿向科学家透露光缆的确切位置。如果研究人员必须签署保密协议才能知道光缆位置，其他科学家将难以重现他们的研究结果。“这些后勤和政治问题可能比技术问题更棘手，”他说。不过，亥姆霍兹德国地球科学研究中心地球物理学家韦罗妮卡·罗德里格斯·特里巴尔多斯表示，获得长期被忽视区域的高分辨率视图的潜力十分诱人。这类传感器可以追踪鲸鱼、监测洋流；能观察海洋中板块的分离过程，或精确研究海洋热点地区上升的岩浆柱如何与地幔底部相连。“传感器已经就位，”Hjörleifsdóttir说，“它们正等着我们去询问它们看到了什么。”