科学家用地下光缆打造“地球CT机”，想靠它预测地震海啸火山

在土耳其伊斯坦布尔蜿蜒的街道之下，一段曾被闲置的光缆，如今正奔涌着高速激光脉冲。一群研究人员围在电脑前，屏幕上闪动着一条条波形——这是来自地层深处、由地震引发的微弱振动。直到近些年，利用光纤“透视地层”的技术才化作现实，并一举成为数十年来科学界不懈解读地球内部结构的重要突破口。

事实上，除了在伊斯坦布尔帮助科学家获取关乎生命安全的重要数据，为抗震与城市基础设施保护提供依据外，在世界其他角落，光纤探测技术还让研究人员“听”到了伦敦地下因城市运行而产生的细微震动、追踪冰岛的火山活动，甚至绘制出地幔浅层结构图。

这种全新的地下观测方式，有望彻底改变我们对地球持续振动的认知。“我们的终极目标，是让地球内部变得透明、可观测。”美国莱斯大学的乔纳森·阿霍-富兰克林表示。

解码“光之舞”

捕捉最微弱的振动

这项技术的起点是向光纤注入快速的激光脉冲。日常通信中，这类脉冲用于传递信息，光纤仅是媒介。但这些激光同样能用来检测光缆的状态变化：如果你正在通过光纤通话，而所在区域发生地震，对方的声音可能会出现轻微的频率失真。

这种失真源于地下震动对光纤的拉伸或弯曲。形变会改变光在光纤内部反射的时间延迟——这些反射来自光纤玻璃结构中微小的缺陷，被称为“背向散射信号”。一台名为“解调仪”的设备通过分析背向散射的变化，可判断光纤的哪一段被拉伸、拉伸了多少，并据此重建真实的振动波形。

十多年前，地震学家意识到，光纤可以被“改造”为地震监测设备。与造价高昂、维护困难的地震仪网络相比，光纤监测成本更低。而且，光纤能沿线路在众多位置测量振动，获取的地下图像比单点式地震仪更为精细——至少在浅层地下结构中如此。

分布式声学传感（DAS）技术由此诞生——它使得光纤能够在多个点位测量振动的传播。石油天然气行业在2009年左右率先测试DAS，将光纤置入钻井以监测井内振动。此后，该技术迅速拓展至追踪动物足迹、测量土壤湿度等多种用途。“当你有了一把新锤子，就会想敲遍世界上所有的钉子。”瑞士苏黎世联邦理工学院的安德烈亚斯·菲希特纳打趣道。

过去，大多数DAS监测依赖专门铺设的光缆，例如为管道、铁路等基础设施配套的监测线路。但更野心勃勃的计划是利用现有的通信光缆网络。这样不仅成本更低，更重要的是，现有光纤的覆盖范围远超传统地震监测网络。

激活“暗光纤”

编织地震预警网络

正在承载激光脉冲、也就是通信业务的光纤，常被称为“亮纤”，通常它们无法用于DAS，因为DAS激光会干扰通信信号。但通信网络中还有另一种资源：大量为未来的网络扩容而预留、但在当下暂时闲置的光纤芯，也就是“暗光纤”。

挪威地震研究基金会（NORSAR）的安德烈亚斯·伍斯特费尔德指出，利用暗光纤，可以填补地震仪网络的空白，包括海底等人迹罕至的区域。而受益最大的，将是那些地震风险高、监测系统却相对薄弱的大都市。

伊斯坦布尔正是世界上最易受地震威胁的城市之一。2023年2月，土耳其南部地区和叙利亚发生强震，造成逾5.5万人丧生，数十万幢建筑倒塌。伊斯坦布尔虽然距离震中800多千米，但仍感受到了轻微震动。

巧合的是，当时菲希特纳团队正在记录一段暗光纤的数据。“一听到地震消息，我们立马冲回电脑前查看数据。”瑞士苏黎世联邦理工学院的丹尼尔·鲍登回忆道。

地震前三天，团队恰好开始监测一段长约8千米的暗光纤，这段光纤位于伊斯坦布尔人口稠密的街区下方。研究人员原本的目标，是通过记录潮汐、交通等在地球上持续引发的微弱振动信号，绘制局部地质结构的地图。“我们可以测算地震波传播速度，从而构建地下50至100米深度的模型。”鲍登解释道。

在此次地震前，他们已采集到足够的振动数据，绘制出了街区级精度的地质图。该地图显示，地震期间，某些区域的光纤振动强度可达邻近街道的10倍。真实地震的到来验证了模型的准确性，伊斯坦布尔市政府现已将这些数据用于修订建筑规范与城市规划。

这条8千米的光纤只是起点。研究人员正在将这种方法推广到其他城市。

从2024年年中开始，他们使用四条各长50千米的暗光纤，覆盖希腊雅典约900平方千米的城市地下。这些光纤环绕城市四周，并以一个巨大的“X”形贯穿城区。“对地震学家而言，这简直是理想的几何布局。”菲希特纳说。团队还将尝试监测“微震”，以探索预测更大震级地震的可能性。

英国南安普顿大学的拉斐尔·梅斯特雷则正在筹备更大规模的项目，计划利用连接南安普顿、伦敦与剑桥的暗光纤网络，“从未有人在这些大城市中进行过如此大规模的连续数据采集”。尽管这些区域的地震风险较低，但暗光纤所采集到的数据，依然用途广泛，包括监测地下管道泄漏、评估建筑地基稳定性，甚至分析机场噪声传入地下的方式。

打开新视野

不断迈向“透明地球”

理论上，光纤足以用来探测脚步乃至人声。如此高的灵敏度，当然会引发隐私担忧。“这项技术有可能被恶意利用，而公众却可能完全不知情。”梅斯特雷指出。

另一方面，DAS在技术上也远非完美。“数据非常复杂，如同一团乱麻。”菲希特纳说，大量的背景噪声，可能使实时地震监测比最初预想的更为困难。

此外，光纤多集中于人口密集区，对偏远地区难以实现覆盖，而且获得通信公司的使用授权也是一大挑战。但菲希特纳补充说，他们正在一步步探索可行的路径。

尽管面临诸多挑战，这项技术还是在不断取得新的重要进展。

例如，美国莱斯大学乔纳森·阿霍-富兰克林团队利用加州的暗光纤绘制背景地震波场，发现了此前被忽视的地热储层；美国加州理工学院借助冰岛火山附近的暗光纤，捕捉到火山喷发前的早期信号；美国加州大学伯克利分校团队则正在利用海底光纤监测海洋盆地地震，有望提前数秒发出预警，从而为应对海啸争取宝贵的时间。

与此同时，更多研究者借助这类光纤网络探测地球深部结构。

近期，美国地质调查局（USGS）的詹姆斯·阿特霍尔特团队利用加州一段长约100千米的暗光纤，以前所未有的分辨率，绘制出地壳与地幔之间的分界面——莫霍面。该界面深度不一，意味着从地壳向上地幔的转变相当显著。“许多地表主要地质构造，如火山、断层等，都与莫霍面发生相互作用。”阿特霍尔特说，监测这些深部作用有助于评估断层可能引发的地震规模，或揭示火山系统的“地下通道”。

USGS还在探索如何利用美国北加州的一段暗光纤，研究该地区最活跃的地震区域之一——三大板块交汇的门多西诺三重交界点。持续监测该区域，能更清晰地揭示其复杂结构如何孕育强震。“能以更高分辨率对地球进行成像，实在令人兴奋。”阿特霍尔特表示，“我们正在尝试用光纤做一些非常有趣的科学研究。”

研究的视野甚至还扩展到了“亮纤”——科学家最近发现，在承载通信业务的光纤上获取DAS数据实际上是可行的，通过精确选择激光波长，使其不干扰通信信号，光纤便可同时用于通信与地震监测。这也就意味着，全球任何一段光纤都有可能成为一个地震传感器。

从城市到海底，从大陆到远洋，只要光纤所到之处，我们就有机会获得前所未有的地下图像。如果这一愿景完全实现，那将是迈向真正“透明地球”的关键一步。

原标题：《科学家用地下光缆打造“地球CT机”，想靠它预测地震海啸火山》

栏目主编：张懿 文字编辑：金奕伶

来源：作者：东冬/编译