地震学家将光缆视为地震传感器的未来

埋入式光缆中的每根细如发丝的玻璃纤维都包含微小的内部缺陷——这对于正在寻找从繁忙的市中心到偏远冰川等地收集地震数据的新方法的科学家来说是一件好事。

在Seismological Research Letters 中，加州理工学院地震学家 Zhongwen Zhan 描述了人们对这种称为分布式声学传感的方法及其潜在应用日益增长的兴趣。他的论文是该期刊 Emerging Topics 系列的一部分，其中作者受 SRL 编辑的邀请，探索正在塑造地震学和地震科学各个领域的发展。

DAS 的工作原理是将长光纤的微小内部缺陷用作沿数十公里光纤电缆的数千个地震传感器。一端的仪器沿电缆发送激光脉冲，并收集和测量每个脉冲从内部光纤缺陷反射时的“回声”。

当光纤受到温度、应变或振动变化的干扰时（例如由地震波引起），散射回 DAS 仪器的激光的大小、频率和相位会发生变化。地震学家可以利用这些变化来确定可能推动光纤的地震波的种类，即使只是几十纳米。

詹说，DAS 仪器的灵敏度在过去五年中显着提高，为其部署开辟了新的可能性。“灵敏度越来越好，以至于几年前，如果将光纤部分的波形与地震检波器的波形进行比较，它们看起来非常相似。”

它们的性能使其适合在各种环境中使用，尤其是在建立更敏感或更密集的地震网络过于昂贵的地方。研究人员还可以利用电信公司和其他公司以前铺设的大量未使用或“暗”光纤。詹说，从一根较大的电缆上取下几股线，就可以满足地震学家的需要。

詹说，石油和天然气行业一直是新方法的最大推动力之一，因为他们使用电缆在钻孔中监测深水油田以及水力压裂和废水注入过程中的流体变化。

DAS 研究人员认为，该方法特别适用于南极洲或月球等恶劣环境中的地震监测。詹解释说，有了常规的地震仪网络，科学家们“需要保护网络中仪器的每个节点并为其供电”。“对于 DAS，你铺设一根长长的光纤，它相当坚固，你所有的敏感仪器都只在光纤的一端。”

“你可以想象，在月球或其他行星上，在高辐射或高温情况下，电子设备可能无法在那种环境中存活那么久，”他补充道。“但纤维可以。”

科学家们已经在使用 DAS 来探测永久冻土和冰川的融化和冻结循环，以更好地描述冰流和在基岩上滑动的动态运动，这可以帮助研究人员更多地了解气候变化驱动的冰川融化如何导致海平面上升.

目前，大多数 DAS 系统的范围是 10 到 20 公里。研究人员希望在不久的将来将其扩展到 100 公里，詹说，这可能有助于海底环境的地震覆盖，包括近海俯冲带。

DAS 也非常适合地震后的快速响应，特别是在暗光纤众多且地震学家已事先安排使用光纤的地区。例如，在 2019 年加利福尼亚州南部的里奇克莱斯特地震之后，詹和他的同事迅速采取行动，使用 DAS 监测该地区的余震序列。“我们在三天内将大约 50 公里的电缆变成了 6,000 多个传感器，”他说。

詹说，如果地震学家在识别和请求访问光纤方面提前做好了工作，那么 DAS 系统可以在地震发生后的几个小时内部署。

使用光纤的一项挑战是准确了解它在地下的位置。使用 DAS 方法，研究人员知道特定传感器沿光纤铺设多远，但如果光纤电缆盘绕、弯曲或下垂，则计算可能会出错。为了解决这个问题，地震学家有时会进行“轻敲测试”——用 GPS 将大锤在电缆上方的地面上的冲击映射到地图上，因为这些冲击会从光纤上产生回响，从而形成一种其曲折的声纳图像。

与传统地震传感器相比，DAS 传感器还包含更多的“自噪声”——可能干扰地震识别的背景地震信号，“但坦率地说，我们并不确切知道为什么，”詹说。一些噪声可能来自询问激光脉冲（可能不稳定）或来自电缆本身。一些电缆在它们的隧道中松散，而另一些电缆有多个光纤连接器，这可能会产生光信号的反射和损失。

“虽然仍处于起步阶段，但 DAS 已经表明自己是一种有价值的新型地震侦听工具的工作心脏——或者可能是耳鼓，”詹总结道。

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