@ 2022.12.06 , 13:56

地下光缆正在监听地球的脉搏

地质学家们正在使用光纤来监测地震、火山和交通噪音。

地下光缆正在监听地球的脉搏

Andreas Fichtner剥去一根光缆的保护套,露出比头发还细的玻璃芯——一根脆弱的、四公里长的纤维,即将与另一根纤维融合。这是一项更适合在实验室进行的繁琐工作,但Fichtner和他的同事Sara Klaasen正在一个多风、寒冷的冰原上进行这项工作。

经过一天的劳动,他们已经将三段光缆拼接在一起,形成一条12.5公里长的光缆。它将一直埋在雪地里,窥探Grímsvötn(格里姆斯沃特火山)的活动情况,这是一座危险的、被冰川覆盖的冰岛火山。

稍后,坐在冰上的一个小屋里,Fichtner的团队看着来自他们脚下的火山的地震杂音在电脑屏幕上闪过:地震太小,感觉不到,但很容易被光纤接收到。“我们可以看到它们就在我们的脚下”,他说。“你坐在那里,感受着火山的心跳。”

Fichtner是苏黎世联邦理工学院的地球物理学家,是一批使用光纤检测地球脉搏的研究人员之一。这项工作大部分是在偏远地区进行的,从火山顶到海底,在那里传统的监测方式成本太高或太困难。在过去的五年中,光纤已经开始揭示地震颤动、海洋洋流甚至动物行为。

例如,Grímsvötn冰盖上的湖泊是由火山的热量融化的水。新光缆的数据显示,浮冰领域作为一个天然扬声器,放大来自下方的震颤。这项工作提出了一种新方法来窃听冰盖火山的活动,并捕捉到可能预示爆发的震颤。

Fichtner团队使用的技术称为分布式声学感测(DAS)。英国国家物理实验室(Teddington)的物理学家Giuseppe Marra说:“它几乎就像光纤中的雷达。”虽然雷达使用反射的无线电波来定位物体,但DAS利用反射的光来检测各种事件,如地震活动和流动交通,并确定它们发生的位置。

它的工作原理如下:光纤一端的激光源发出短暂的光脉冲。随着脉冲沿着光纤移动,大部分光继续向前。但光的一小部分光子会撞到光纤中的内在缺陷——密度异常的部位。这些光子会散射,其中一些会一直回到源头,在那里检测器会分析这些反射光,以寻找关于光纤长度上发生了什么的提示。

DAS的光纤通常伸展数十公里,并随着环境中的干扰而移动或弯曲。地球科学家Nate Lindsey说:“它随着汽车经过、地震发生、构造板块移动而摆动。”这些摆动会改变反射光信号,使研究人员能够提取信息,例如地震如何在某个点弯曲光缆。

光缆能捕捉整个长度的震动,例如地震震动。相比之下,典型的地震传感器或地震仪仅能从一个点发送信息。而且地震仪的部署和维护成本高昂,Lindsey说,他在FiberSense公司工作,该公司正在使用光纤网络在城市环境中进行应用。

DAS能提供约一米的分辨率,将10公里长的光纤变成大约10,000个传感器,Lindsey说。研究人员有时可以利用现有的或废弃的电信光缆。例如,2018年,包括Lindsey在内的一个小组在维护期间将由蒙特雷湾水族馆研究机构运营的20公里长的光缆转换成DAS传感器,该光缆通常用于拍摄珊瑚、蠕虫和鲸鱼。

“DAS能够深入海底几十公里,这真令人惊称奇”,Lindsey说。“以往部署一个海底传感器的成本是一千万美元。”

在四天的测量期间,科研小组捕捉到了30公里外加州Gilroy市地面上3.4级的地震。对于Lindsey的团队来说,这是一个幸运的机会。地球科学家可以使用地震的地震信号来了解地震所经过的地面结构,光纤光缆的信号使科研团队能够识别几条海底断层。“我们正在利用这种能量来基本上照亮圣安德烈斯断层的结构”,Lindsey说。

DAS最初由石油和天然气行业用来监控井口和探测钻孔内的气体,但研究人员也发现了它的其他用途。除了地震外,它还被用来监测城市中的交通和施工噪声。在像伊斯坦布尔这样的地震危险性较高的人口密集城市,DAS可以帮助绘制地下沉积物和岩石的地图,揭示在大地震期间最危险的区域,Fichtner说。最近甚至有一项研究在挪威附近的海底光缆上窃听鲸鱼的歌声。

DAS也有一些局限性。从100公里以上的光纤中获取良好的数据很困难。导致光散射的光缆缺陷(产生可测量的反射光)也会消耗源信号。随着距离的增加,原始脉冲会完全消失。

但是,一种较新的相关方法可能提供解决方案,并且可能允许研究人员利用现有的光缆来窥探通常不被监测的海底,这些光缆负责传输数十亿封电子邮件和流媒体内容的数据。

2016 年,Marra 的团队试图寻找一种方法来比较欧洲各地超精密原子钟的计时。卫星通信对于这项工作来说太慢了,因此研究人员转向埋在地下的光缆。起初它行不通:环境干扰给团队沿着光缆发送的信息带来了太多噪声。但科学家们感觉到了一个机会。“我们想摆脱的噪声实际上包含了非常有趣的信息”,Marra说。

使用最先进的光纤测量方法,Marra和他的同事们研究了噪声,发现与DAS相似,他们的技术通过光频率的变化来检测地震等事件。

但是,这种方法使用的是连续的激光光束。与DAS不同的是,激光光线沿着一个环形路径出去再回来;然后研究人员将回来的光与发出的光进行比较。如果光缆中没有扰动,那么这两个信号是相同的。但如果环境中的热量或振动扰动了光缆,光的频率就会改变。

由于采用了研究级的光源和对大量最初发射的光的测量(而不仅仅是反射的光),这种方法的作用范围比DAS更远。2018年,Marra的团队证明,他们可以使用长度长达535公里的海底和地下光缆检测地震,远远超过了DAS约100公里的极限。

这提供了一种监测通常难以到达且很少使用传统传感器进行跟踪的深海和地球系统的方法。Marra说,一根靠近海基地震震中的光缆可以改善陆基地震测量,为人们准备海啸并做出决策提供多几分钟的时间。探测海底压力变化的能力也可能为直接检测海啸打开大门。

2021年底,Marra的团队成功地在加拿大哈利法克斯和英格兰索特波特之间海底5860公里的光缆上感知大西洋地震活动。而且他们的分辨率远高于以前,因为早期的测量依赖于整条潜艇光缆长度的累积信号,而这项工作则解析了信号放大重复器之间几十公里跨度内光的变化。

跨大西洋光缆上捕获的信号强度的波动似乎是洋流。“这些本质上是随着洋流而上下起伏的光缆”,Marra说。虽然在表面观测洋流很容易,但海底观测可以改善对海洋环流及其在全球气候中的作用的理解,他补充说。

到目前为止,Marra的团队是唯一使用这种方法的团队。他们正在努力使其更容易部署并提供更容易获得的光源。

研究人员正在继续将基于光纤的感测技术推向新的前沿。在这之前,Fichtner和一位同事前往格陵兰岛,那里有东格陵兰冰芯项目正在对冰原进行深孔钻探,以取出冰芯。Fichtner的团队随后用手降低了1500米的光缆,捕获了一系列冰震——这是岩床和冰原摩擦在一起导致的激烈震动。

冰震可以使冰盖变形,并促进它们向海洋流动。但是研究人员之前没有办法调查它们是如何发生的;它们在地表上是看不见的。也许光纤最终会使它们隐藏的过程显露出来。

本文译自 The Atlantic,由 八里 编辑发布。


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