4400公里海底老旧光缆，变身4.4万个地震监测站

一个由诺基亚贝尔实验室牵头的团队将一条连接夏威夷与加利福尼亚的4400公里海底光缆，改造成每两个间距100米的4.4万个地震监测站。12月15日，这项突破性技术在美国地球物理联合会年会上公布，有望开启地球内部成像和海底监测的新时代。

在广阔而遥远的海底，地震监测站分布极少。这种稀缺性意味着，研究人员无法探测到引发海啸的地震的最初震动，也难以捕捉像X射线一样穿透地球深部的地震波——这些地震波承载着地幔与地核结构的信息。但深海还存在另一种技术设施：承担全球互联网数据传输任务的光纤电缆。

一项新技术有望使交错于海底的光缆变为地震探测器。图片来源：REUTERS

近年来，研究人员一直尝试利用这些光缆实现海底地震仪的功能，即通过监测光纤传输的光信号变化探测地震。如今，诺基亚贝尔实验室成功将海底光缆变成巨型地震探测器。“这是我们一直期待的探测设备。”冰岛雷克雅未克大学的地球物理学家Vala Hjorleifsdóttir表示。

在今年早些时候的测试中，这条太平洋光缆不仅捕捉到7月下旬发生在堪察加半岛的8.8级地震信号，还记录了随后发生的海啸波的微弱信号。“我们已经探测到多个地质事件。”项目负责人、该实验室的光学传感工程师Mikael Mazur指出。9月，研究团队将早期探测成果以预印本形式公布在arXiv平台。

这项新技术基于英国国家物理实验室计量学家Giuseppe Marra开发的方法。他设计了一种让激光脉冲与互联网数据传输共存的技术。不过，瑞士苏黎世联邦理工学院的地震学家Andreas Fichtner认为，该方法灵敏度如何、能否产出可用数据，仍有待验证。

该技术的核心是分布式声传感（DAS）。这是一种光纤传感技术，科学家已在陆地上用它来探测火山与冰川的震动。当光在玻璃光纤中传播时，会被光纤内随机分布的缺陷反射；当声波或压力波穿过光纤时，会挤压或拉伸这些缺陷，导致其反射回光缆源头的光产生相位偏移。通过测量这些偏移，可以将光纤转化为密集的应变监测阵列。

目前来看，原理虽已成熟，但存在一个难题：海底光缆每隔约75公里就设有一个中继器。中继器的作用是放大光信号，确保跨洋长距离传输，但同时也会削弱光纤沿途微弱的反射光信号。

Mazur团队发现，每条光缆中的光纤束就像分开的高速公路：光在一些光纤中传播，在另一些光纤中返回。而每个中继器都设有一个监测光纤健康状况的“环路”，用于让光信号“跨越车道中线”，在返回方向的光纤中传输。

团队意识到，这些内置的“绕行通道”能让研究人员沿着返回的光纤发送每一段缺陷反射，使它们被中继器放大，而不是被输出的光纤阻挡。团队表示，借助复杂的计算，即便是光缆最远端的反射信号也能被捕捉到。这实际上相当于构建了一个跨洋的密集二维地震监测阵列。

对于迫切需要这类数据的科学家而言，他们无需专用光缆，只需一台以高于互联网数据传输频率“搭载”于商用光缆上的激光设备。“这项技术的精妙之处在于，它能在现有老旧光缆上运行，无需投入数亿美元资金。”研究合著者、美国Seismics Unusual公司的地球科学家Martin Karrenbach指出。

不过Fichtner担心，向科学界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；出于安全考虑，电信公司或许不愿向科学家透露光缆的精确位置。若研究人员必须签署保密协议才能知晓光缆位置，其他科学家将难以复现相关研究成果。“这些后勤与政策层面的问题，可能比技术问题更难解决。”

尽管如此，德国地学科学研究中心的地球物理学家Verónica Rodríguez Tribaldos认为，这项技术有望为长期被忽视的区域提供高分辨率监测数据，潜力十分诱人。这类传感器不仅能追踪鲸的活动、监测洋流，还能观测大洋中板块的分裂过程，有望进一步厘清大洋热点区域的上升岩浆柱与地幔底部的连接方式。