利用海底的暗光缆构建全球地震监测网络

  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，科学家可以通过检验测试散射光的强度变化，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技术的第一个优点是，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体问题之一）。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点是，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。它不但可以监测地震，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》（

  ）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一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——这些现象都可能会引发致命的海啸。

  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。早期根据结果得出，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，更好地理解气候平均状态随时间的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，都可能会彻底改变的现状。”

  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。