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又一海量數據源，光纖傳感打造地殼運動的“心電圖”

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2022年1月23日 -
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又一海量數據源，光纖傳感打造地殼運動的“心電圖”
原創2021-12-20 20:40·
互聯網時代，世界被籠罩在一張光纖織就的網絡之中。 這張網聯通著我們生活中的社區公共設施、交通系統、攝像監控系統等，將各類信息源源不斷地送到我們身邊。 近幾年，光纖又被發現了新用途。 地球科學家使用光纖成功探測到了冰川、雪崩、火山等地殼運動的隱藏機制。 而在此過程中，人們發現，光纖本身就是一種既廉價又好用的傳感器。 
光纖傳感的原理並不複雜。 光纜固定了一束束比發絲還細的玻璃纖維來傳輸用光編碼的信息。 纖維中隨機取向的小缺陷（defect）就像散射光的微鏡，標出了相應的反應。 其原理和雷達類似。 
在對地震監測的研究中，科學家通過設置特殊裝置——“詢問器”來記錄光纖的反應。 研究人員向未使用的光纖發射一個激光脈沖，並記錄沿著光纜缺陷反射回來的模式。 當外部壓力波穿過一段光纖時，無論是地震還是腳步聲，它都會拉伸並擠壓缺陷。 該部分的反射呈現納米級位移，導致反彈光發生相移。 通過每秒發射數千個脈沖，研究人員可以建立一幅地震波沿光纖傳播100公裏乃至更長距離的圖像。 
與傳統的、相隔數公裏設置的地震儀不同，光纖相當於在傳輸線上每隔一兩米就設置一個檢波儀。 這種密度加上光纖的低成本和堅固性，使得在冰川、火山、永凍層和地震斷層帶等這些“高難度”點位上鋪設地震傳感器成為可能。 
研究人員還利用現有電信光纜中未使用的暗光纖來接收來自腳步和汽車等微弱來源的振動。 斯坦福大學地球物理學家比昂多·比昂迪（Biondo Biondi）說：“光纖顛覆了地震傳感器傳統的技術路徑。 因為它便宜，而且到處都可以買到。 ”
分布式聲傳感系統的“地球-海洋-大氣-空間”概念模型
圖源：Landr%uF8, et al. (2021). Sensing whales, storms, ships and earthquakes using an Arctic fibre-optic cable. Earth and Space Science Open Archive, 39.
與許多突破性的科學技術一樣，光纖傳感也起源於美國的軍事研究。 從20世紀80年代開始，海軍在艦艇後面拖曳光纜來感應敵方潛艇的動向，這也是該技術有時仍被稱為分布式聲傳感（DAS）的原因之一。 到20世紀末，石油和天然氣行業開始使用光纖鋪設管道和鑽孔。 技術人員使用後向散射激光來尋找劇烈的溫度變化——這是油井或管道破裂的跡象。 此外，在礦業生產中，壓裂技術也在使用光纖來監測岩石破裂和高壓注水所引起的微震動。 
到了21世紀，科學家們開始將這項技術應用於科研。 2015年，德國地球科學研究中心（GFZ Potsdam）的科學家們利用連接冰島兩座地熱發電廠的15公裏長光纜上未使用的光纖，做出了一項開創性的努力。 菲利普·朱塞特（Philippe Jousset）和他的同事不僅能夠探測到遙遠的地震，而且還能夠通過測量電纜小彎曲兩側地震波到達時間的差異來定位破裂源。 
2018年，光纖監測地震獲得了首次成功。 當時，蒙特利灣水族館研究所在加利福尼亞海岸外運行著一根光纜，連接著海底儀器。 在儀器維護關閉期間，萊斯大學地球物理學家喬納森·阿霍·富蘭克林（Jonathan Ajo-Franklin）團隊設置了“詢問器”，並意外地檢測到當時襲擊加利福尼亞州的一次小地震。 更有趣的是，當地震波到達時，還帶來了一項“額外收獲”——檢測到在距離海岸10公裏的光纜下存在這一個以前未知的斷層帶。 這一發現表明，光纖可以探測出未知的地震威脅。 
蘇黎世聯邦理工學院（ETH Z%uFCrich）地震學家安德烈亞斯·費希特納（Andreas Fichtner）常年研究地球深處的“脈動”。 在光纖成功應用的案例中，他看到了潛在的範式轉變，決定將研究目標鎖定在傳統地震儀無法企及的偏遠寒冷環境。 
首個研究從瑞士阿爾卑斯山的羅恩冰川（Rh%uF4ne Glacier）開始。 在全球氣候變暖的影響下，那裏15平方公裏的冰正在消退。 2019年，費希特納的團隊在靠近冰川前部的地方鋪設了一條長達一公裏的三角形光纜，然後蓋上冰雪，將其保留一周。 盡管時間很短，但光纖仍能夠准確捕捉到了一系列快速運動，這些運動可以追溯到以前只在冰蓋偶發的冰震，而不是較小的冰川。 三角形光纜將地震源頭追溯到同一個滑動帶，這表明冰川構造與地震斷層帶非常相似。 這改變了以往研究中對於冰川移動的理解。 
接下來是雪崩。 研究人員在瑞士西南部的辛恩穀雪崩試驗場布設了“詢問器”，讓光纜沿著積雪覆蓋的山脈向上延伸。 當人工雪崩觸發後，積雪沿著斜坡轟鳴而下，光纖探測到了氣流中的內部結構，包括由密集流動核心中的不穩定性產生的波浪。 
幾次實驗都成功了，研究小組將目光轉向了冰島最大、最危險的火山之一——格裏姆斯火山（Gri%u301msvo%u308tn）。 該火山埋在冰蓋下，僅由一個地震台監測。 它上一次噴發是在2011年，一共持續了4天。 熾熱的岩漿在冰蓋上炸了一個洞，噴出了大量火山灰，導致使數百架跨大西洋的航班停飛。 隨著全球氣候變暖，火山上的冰蓋融化速度加劇，這可能會讓火山更容易再次噴發。 
圖源：JACQUELYN SMALE
研究小組在火山口的冰雪中埋下一條12公裏長、繞過火山口的光纜。 通過對“詢問器”運行數月的數據顯示：火山口10公裏範圍內區域共發生了1800次小地震，是傳統地震儀觀測到次數的10倍以上。 
光纖還傳回了一種比火山地震更平穩的“嗡嗡”聲。 研究人員猜測，這是300米厚的冰蓋在震動中產生的共振。 這有可能是冰層厚度變化的信號，或者是火山活動加劇的警告。 
費希特納並不是唯一關注冰凍地區的人。 2016年，富蘭克林帶領一個團隊前往阿拉斯加費爾班克斯（Fairbanks），研究光纖是否能夠監測凍土層——這些冰凍的土地裏有著保存完好的、來自遠古的有機物，而這些有機物正受到北極氣候變化的威脅。 
研究團隊在一個軍事研究基地鋪設了一條縱橫交錯的4公裏長的光纜。 100多個小型加熱器對光纜周圍的土壤進行加熱，來讓土壤解凍，同時用不停晃動的設備在地表引起振動。 結果顯示，光纖確實可以檢測到融化：融水顯著降低了地震波的速度。 這項將於今年發表的研究提出了利用暗光纖和環境地震波追蹤永久凍土融化的可能性，將被用於預測隨著北極持續變暖，凍土融化將產生多少碳排放。 
現在我們回到地震研究上。 兩年前，加利福尼亞洛杉磯以北180公裏處的裏奇克萊斯特（Ridgecrest）地區發生裏氏7.1級地震，這是20年來加州發生的最強烈地震。 當時，加州理工學院的地震學家詹仲文（Zhongwen Zhan）正在通過部署光纖陣列來檢測和分析地震。 他和團隊用暗光纖連接了四個“詢問器”，其中一個延伸到鎮下8公裏的地方。 在短短幾天內，該團隊就布設了相當於數千個地震傳感器的設備。 
在傳統的地震災害圖上，裏奇克萊斯特是一個單一的像素，整片區域連綿一處，具有相同的風險等級。 然而這次地震中，光纖陣列捕捉到的餘震顯示了該像素內的劇烈變化：城鎮一側的震動強度是另一側的三倍。 由於強度較高的那一側地質更為松散，這對於居住在這一側的居民是一種未知的風險。 
在未來，科學家希望光纖陣列集成到永久性地震網絡中，持續監測地震易發地區並生成預警。 這些光纖在偏遠地區和海上等運維成本高的地區尤其有用。 去年，研究人員利用新一代“詢問器”創造了DAS長度的新紀錄，該詢問器在距離世界最北端的斯瓦爾巴特島120公裏處的光纜上檢測到了振動。 
不僅僅是地殼運動，研究人員還從海洋光纜中收集到了來自風暴、船只運輸、鯨魚叫聲等、海洋溫度變化產生的震動，這些未來都將是很有用的研究數據。 
光纖甚至可以用來研究空氣運動。 賓夕法尼亞州立大學地球物理學家朱鐵元（Tieyuan Zhu）團隊通過設在學校的一個小陣列來展示如何捕捉和定位雷電。 他們還可以通過光纖來區分傾盆大雨和陣風。 他說，光纖很容易“聽”到颶風過境時，雨水滲入岩石風化層的聲音。 因為團隊“看到了一個漂亮的信號變化”。 
當然，光纖也有它的缺點：產生的數據量驚人。 過去，地震學家可以從分散的、低密度分布的儀器中收集數據，然後在筆記本電腦上進行處理。 然而，一根光纖上數千個不同的傳感器可以在幾天內收集數百TB的數據。 這樣龐大的數據處理工作給科學家帶來了新挑戰。 目前，許多實驗室已經開始著手通過開發人工智能算法，有效地篩選數據並進行分析，以便更高效地開展相關研究。 
參考文獻：

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原創2021-12-20 20:40·

互聯網時代，世界被籠罩在一張光纖織就的網絡之中。這張網聯通著我們生活中的社區公共設施、交通系統、攝像監控系統等，將各類信息源源不斷地送到我們身邊。近幾年，光纖又被發現了新用途。地球科學家使用光纖成功探測到了冰川、雪崩、火山等地殼運動的隱藏機制。而在此過程中，人們發現，光纖本身就是一種既廉價又好用的傳感器。

光纖傳感的原理並不複雜。光纜固定了一束束比發絲還細的玻璃纖維來傳輸用光編碼的信息。纖維中隨機取向的小缺陷（defect）就像散射光的微鏡，標出了相應的反應。其原理和雷達類似。

在對地震監測的研究中，科學家通過設置特殊裝置——“詢問器”來記錄光纖的反應。研究人員向未使用的光纖發射一個激光脈沖，並記錄沿著光纜缺陷反射回來的模式。當外部壓力波穿過一段光纖時，無論是地震還是腳步聲，它都會拉伸並擠壓缺陷。該部分的反射呈現納米級位移，導致反彈光發生相移。通過每秒發射數千個脈沖，研究人員可以建立一幅地震波沿光纖傳播100公裏乃至更長距離的圖像。

與傳統的、相隔數公裏設置的地震儀不同，光纖相當於在傳輸線上每隔一兩米就設置一個檢波儀。這種密度加上光纖的低成本和堅固性，使得在冰川、火山、永凍層和地震斷層帶等這些“高難度”點位上鋪設地震傳感器成為可能。

研究人員還利用現有電信光纜中未使用的暗光纖來接收來自腳步和汽車等微弱來源的振動。斯坦福大學地球物理學家比昂多·比昂迪（Biondo Biondi）說：“光纖顛覆了地震傳感器傳統的技術路徑。因為它便宜，而且到處都可以買到。”

分布式聲傳感系統的“地球-海洋-大氣-空間”概念模型

圖源：Landr%uF8, et al. (2021). Sensing whales, storms, ships and earthquakes using an Arctic fibre-optic cable. Earth and Space Science Open Archive, 39.

與許多突破性的科學技術一樣，光纖傳感也起源於美國的軍事研究。從20世紀80年代開始，海軍在艦艇後面拖曳光纜來感應敵方潛艇的動向，這也是該技術有時仍被稱為分布式聲傳感（DAS）的原因之一。到20世紀末，石油和天然氣行業開始使用光纖鋪設管道和鑽孔。技術人員使用後向散射激光來尋找劇烈的溫度變化——這是油井或管道破裂的跡象。此外，在礦業生產中，壓裂技術也在使用光纖來監測岩石破裂和高壓注水所引起的微震動。

到了21世紀，科學家們開始將這項技術應用於科研。2015年，德國地球科學研究中心（GFZ Potsdam）的科學家們利用連接冰島兩座地熱發電廠的15公裏長光纜上未使用的光纖，做出了一項開創性的努力。菲利普·朱塞特（Philippe Jousset）和他的同事不僅能夠探測到遙遠的地震，而且還能夠通過測量電纜小彎曲兩側地震波到達時間的差異來定位破裂源。

2018年，光纖監測地震獲得了首次成功。當時，蒙特利灣水族館研究所在加利福尼亞海岸外運行著一根光纜，連接著海底儀器。在儀器維護關閉期間，萊斯大學地球物理學家喬納森·阿霍·富蘭克林（Jonathan Ajo-Franklin）團隊設置了“詢問器”，並意外地檢測到當時襲擊加利福尼亞州的一次小地震。更有趣的是，當地震波到達時，還帶來了一項“額外收獲”——檢測到在距離海岸10公裏的光纜下存在這一個以前未知的斷層帶。這一發現表明，光纖可以探測出未知的地震威脅。

蘇黎世聯邦理工學院（ETH Z%uFCrich）地震學家安德烈亞斯·費希特納（Andreas Fichtner）常年研究地球深處的“脈動”。在光纖成功應用的案例中，他看到了潛在的範式轉變，決定將研究目標鎖定在傳統地震儀無法企及的偏遠寒冷環境。

首個研究從瑞士阿爾卑斯山的羅恩冰川（Rh%uF4ne Glacier）開始。在全球氣候變暖的影響下，那裏15平方公裏的冰正在消退。2019年，費希特納的團隊在靠近冰川前部的地方鋪設了一條長達一公裏的三角形光纜，然後蓋上冰雪，將其保留一周。盡管時間很短，但光纖仍能夠准確捕捉到了一系列快速運動，這些運動可以追溯到以前只在冰蓋偶發的冰震，而不是較小的冰川。三角形光纜將地震源頭追溯到同一個滑動帶，這表明冰川構造與地震斷層帶非常相似。這改變了以往研究中對於冰川移動的理解。

接下來是雪崩。研究人員在瑞士西南部的辛恩穀雪崩試驗場布設了“詢問器”，讓光纜沿著積雪覆蓋的山脈向上延伸。當人工雪崩觸發後，積雪沿著斜坡轟鳴而下，光纖探測到了氣流中的內部結構，包括由密集流動核心中的不穩定性產生的波浪。

幾次實驗都成功了，研究小組將目光轉向了冰島最大、最危險的火山之一——格裏姆斯火山（Gri%u301msvo%u308tn）。該火山埋在冰蓋下，僅由一個地震台監測。它上一次噴發是在2011年，一共持續了4天。熾熱的岩漿在冰蓋上炸了一個洞，噴出了大量火山灰，導致使數百架跨大西洋的航班停飛。隨著全球氣候變暖，火山上的冰蓋融化速度加劇，這可能會讓火山更容易再次噴發。

圖源：JACQUELYN SMALE

研究小組在火山口的冰雪中埋下一條12公裏長、繞過火山口的光纜。通過對“詢問器”運行數月的數據顯示：火山口10公裏範圍內區域共發生了1800次小地震，是傳統地震儀觀測到次數的10倍以上。

光纖還傳回了一種比火山地震更平穩的“嗡嗡”聲。研究人員猜測，這是300米厚的冰蓋在震動中產生的共振。這有可能是冰層厚度變化的信號，或者是火山活動加劇的警告。

費希特納並不是唯一關注冰凍地區的人。2016年，富蘭克林帶領一個團隊前往阿拉斯加費爾班克斯（Fairbanks），研究光纖是否能夠監測凍土層——這些冰凍的土地裏有著保存完好的、來自遠古的有機物，而這些有機物正受到北極氣候變化的威脅。

研究團隊在一個軍事研究基地鋪設了一條縱橫交錯的4公裏長的光纜。100多個小型加熱器對光纜周圍的土壤進行加熱，來讓土壤解凍，同時用不停晃動的設備在地表引起振動。結果顯示，光纖確實可以檢測到融化：融水顯著降低了地震波的速度。這項將於今年發表的研究提出了利用暗光纖和環境地震波追蹤永久凍土融化的可能性，將被用於預測隨著北極持續變暖，凍土融化將產生多少碳排放。

現在我們回到地震研究上。兩年前，加利福尼亞洛杉磯以北180公裏處的裏奇克萊斯特（Ridgecrest）地區發生裏氏7.1級地震，這是20年來加州發生的最強烈地震。當時，加州理工學院的地震學家詹仲文（Zhongwen Zhan）正在通過部署光纖陣列來檢測和分析地震。他和團隊用暗光纖連接了四個“詢問器”，其中一個延伸到鎮下8公裏的地方。在短短幾天內，該團隊就布設了相當於數千個地震傳感器的設備。

在傳統的地震災害圖上，裏奇克萊斯特是一個單一的像素，整片區域連綿一處，具有相同的風險等級。然而這次地震中，光纖陣列捕捉到的餘震顯示了該像素內的劇烈變化：城鎮一側的震動強度是另一側的三倍。由於強度較高的那一側地質更為松散，這對於居住在這一側的居民是一種未知的風險。

在未來，科學家希望光纖陣列集成到永久性地震網絡中，持續監測地震易發地區並生成預警。這些光纖在偏遠地區和海上等運維成本高的地區尤其有用。去年，研究人員利用新一代“詢問器”創造了DAS長度的新紀錄，該詢問器在距離世界最北端的斯瓦爾巴特島120公裏處的光纜上檢測到了振動。

不僅僅是地殼運動，研究人員還從海洋光纜中收集到了來自風暴、船只運輸、鯨魚叫聲等、海洋溫度變化產生的震動，這些未來都將是很有用的研究數據。

光纖甚至可以用來研究空氣運動。賓夕法尼亞州立大學地球物理學家朱鐵元（Tieyuan Zhu）團隊通過設在學校的一個小陣列來展示如何捕捉和定位雷電。他們還可以通過光纖來區分傾盆大雨和陣風。他說，光纖很容易“聽”到颶風過境時，雨水滲入岩石風化層的聲音。因為團隊“看到了一個漂亮的信號變化”。

當然，光纖也有它的缺點：產生的數據量驚人。過去，地震學家可以從分散的、低密度分布的儀器中收集數據，然後在筆記本電腦上進行處理。然而，一根光纖上數千個不同的傳感器可以在幾天內收集數百TB的數據。這樣龐大的數據處理工作給科學家帶來了新挑戰。目前，許多實驗室已經開始著手通過開發人工智能算法，有效地篩選數據並進行分析，以便更高效地開展相關研究。

參考文獻：