構(gòu)成全球海底通信網(wǎng)絡(luò)的光纖電纜，有一天可能會幫助科學家研究海底地震和隱藏在海洋深處的地質(zhì)結(jié)構(gòu)。

地球表面大約70％的面積被水覆蓋，但幾乎所有的地震探測器都設(shè)置在陸地上，地震學家很難監(jiān)測那些波及海底并可能引發(fā)海嘯的地震。不過，海底光纖電纜有望填補這一空白。這些電纜承載了全球互聯(lián)網(wǎng)和電信通信，而通過尋找光信號的微小變化，科學家或可探測并定位地震。

美國加州大學伯克利分校勞倫斯·伯克利國家實驗室、蒙特利灣水族館研究所和萊斯大學等機構(gòu)的聯(lián)合研究團隊，描述了一項將20公里海底光纜改造成相當于10000個海底地震臺的實驗。在蒙特利灣進行的為期4天的實驗中，他們記錄了一次3.5級地震和水下斷裂帶的地震散射。相關(guān)論文近日刊登于《科學》。

該研究負責人、萊斯大學地球物理學教授、伯克利實驗室客座教授Lindsey Ajo-Franklin說：“這是地震學前沿的一項研究，也是第一次有人使用離岸光纖電纜觀察這些類型的海洋信號或成像斷層結(jié)構(gòu)，有助于填補海洋這一全球地震學網(wǎng)絡(luò)的空白點。”

未參與該研究的德國亥姆霍茲地球科學研究中心的Philippe Jousset在相關(guān)評論文章中表示，Lindsey Ajo-Franklin等人描述的研究海底地震的方法——分布式聲波傳感（DAS），使發(fā)現(xiàn)之前未被識別的蒙特利灣斷層成為可能。

改變游戲規(guī)則

該方法“可能會改變‘游戲規(guī)則’，針對海洋地區(qū)的更多觀測可能會填補相當大的空白”。未參與該研究的科羅拉多大學地震學家Anne Sheehan說。

“地震主要是由大塊陸地板塊運動引起的，此外，斷層有時會輸送富含礦物質(zhì)的流體、石油、天然氣和熱水，從而為我們貢獻了礦物和能源資源。”Jousset告訴《中國科學報》，“不幸的是，科學家還不知道地球上所有的斷層都位于何處，尤其是當它們位于城市或海底時，其運動可能會引發(fā)大地震和海嘯。”

之前就有研究人員將目光聚焦在這根小小的電纜上。

這是一個意外發(fā)現(xiàn)。英國特丁頓國家物理實驗室計量學家Giuseppe Marra主要負責歐洲實驗室原子鐘的連接。他依靠穩(wěn)定的共振激光環(huán)路，測試了從特丁頓到雷丁79公里地下電纜的連接情況。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，電纜附近的震動，即使是路面的交通噪聲，都可以在不知不覺中彎曲線路。而這能夠微弱地縮短或延長光的行程距離，從而使共振光束略微偏離相位。

當Marra從2016年10月回顧數(shù)據(jù)時，他看到的不只是平均噪聲量。事實證明，造成這一情況的原因是10月下旬意大利中部發(fā)生的5.9級和6.5級地震的局部影響。Marra意識到這種噪聲可能暗示了地震探測的新方法。

這種方法可以“照亮”新的斷層結(jié)構(gòu)，以及構(gòu)造板塊碰撞或斷裂的區(qū)域。Marra表示，如果光信號強度能顯示地震的規(guī)模，它還可以幫助建立海嘯預(yù)警系統(tǒng)。

建立海底地震網(wǎng)

此次，Lindsey和萊斯大學教授Jonathan Ajo-Franklin在擁有光纜的MBARI公司的Craig Dawe協(xié)助下領(lǐng)導了這項實驗。這條電纜延伸到距海岸52公里的地方，是迄今為止第一個設(shè)在太平洋海底的地震監(jiān)測站。

17年前，MBARI和加州大學伯克利分校地球與行星科學系教授Barbara Romanowicz將其放置在那里。2009年，研究人員又鋪設(shè)了通往蒙特利加速研究系統(tǒng)節(jié)點的永久電纜，其中20公里在2018年3月離線進行年度維護時用于此次測試。

“海底地震學有巨大的需求。任何你能在海洋中使用的儀器，即使只是在距離海岸50公里的地方，都將非常有用。”該論文的主要作者、加州大學伯克利分校研究生Nate Lindsey告訴《中國科學報》。

各種技術(shù)的發(fā)展使科學家能夠從地球看到深空，但我們星球地下的細節(jié)仍然難以捉摸。“鉆探地殼是一種精確但昂貴的探索方法，有時還會造成環(huán)境破壞。幸運的是，科學家可以利用地球物理方法從地球表面探測地球內(nèi)部。我們星球的主要內(nèi)部結(jié)構(gòu)是通過記錄地震波在震源（斷層）和傳感器之間的傳播時間來繪制的。”Jousset說。

研究人員的終極目標是使用密集的全球光纖網(wǎng)絡(luò)，打造一張地震地圖。“現(xiàn)有的地震網(wǎng)絡(luò)往往有高精度的儀器，但相對稀疏，而這能給你一個更密集的陣列。”Lindsey Ajo-Franklin說。

加州大學伯克利分校地球和行星學教授Michael Manga表示：“我們對海底過程和海洋地殼結(jié)構(gòu)存在巨大的知識空白，因為將地震儀等儀器置于海底是一項挑戰(zhàn)。這項研究顯示了利用現(xiàn)有的光纖電纜作為傳感器陣列從而以新方式成像的前景。而且，研究組發(fā)現(xiàn)了以前沒有探測到的假設(shè)波。”

地震探測也要有“光”

研究人員使用的技術(shù)是分布式聲傳感，該技術(shù)利用一種光子裝置，能將激光短脈沖沿電纜發(fā)送，并檢測由拉伸引起的電纜應(yīng)變產(chǎn)生的后向散射。通過干涉測量法，他們可以測量每2米的反向散射，有效地將20公里長的電纜變成10000個單獨的移動傳感器。

研究人員表示，這些系統(tǒng)對每米長度上從納米到數(shù)百皮米的變化都非常敏感。這是10億分之一的變化。

今年早些時候，他們報告了在薩克拉門托附近用22公里長的電纜進行的為期6個月的陸地實驗結(jié)果。該電纜由美國能源部鋪設(shè)，是其1.3萬英里的ESnet暗光纖實驗臺的一部分。暗光纖指的是埋在地下，但未使用或租出去短期使用的光纜，與目前使用頻繁的“亮”互聯(lián)網(wǎng)形成對比。與傳統(tǒng)的傳感器網(wǎng)絡(luò)相比，研究人員能夠借此監(jiān)測地震活動和環(huán)境噪聲，并獲得分辨率更高、規(guī)模更大的地下圖像。

“光纖地震學的美妙之處在于，你可以使用現(xiàn)有的通信電纜，而不必安裝1萬個地震儀。”Lindsey說，“你只要走到現(xiàn)場，把儀器和光纖的一端連接起來即可。”

而在水下測試期間，他們能夠測量在加州吉爾羅伊附近45公里內(nèi)陸發(fā)生的3.4級地震的地震波的廣泛頻率范圍，并繪制出圣格雷戈里奧斷層系統(tǒng)的多個已知和以前未繪制的海底斷裂帶。研究人員還能夠探測到穩(wěn)定狀態(tài)的海浪，即所謂的海洋微震，以及風暴波，所有這些都與浮標和陸地地震測量結(jié)果相匹配。

“通過使用這些沿海光纜，我們基本上可以看到這些海浪映射到海底的情況，以及這些海浪與地球結(jié)合產(chǎn)生地震波的方式。”Lindsey說。