光纤电缆构成了庞大的地下神经系统，满足了我们对高速互联网和通信服务日益增长的需求。然而，电缆中的信号有时会受到头顶行驶的汽车、附近建筑甚至地震的振动。研究人员此前曾提议利用这些扰动将数千公里的地下电缆转变为敏感的地震阵列。
在一项新研究中，加州理工学院的研究人员表明，光纤电缆不仅可以检测地震，还可以测量地震事件的细微差别和复杂性。在一个例子中，研究人员利用一段 100 公里长的电缆，确定了构成 6 级地震的四次较小地震的时间和位置。
“这项工作不仅仅是探测，它超越了探测，”加州理工学院地球物理学博士后研究员、8 月 2 日发表在《自然》杂志上的论文合著者李嘉轩说道。“我们正在对地震破裂过程的细节进行成像。”
“我们可以将那些非常密集的[光纤]网络转变为地震阵列，用于早期预警。”—李嘉轩，加州理工学院
通过利用更多的电缆并获取更多的数据，地震学家可以更好地了解地震。李说，虽然一系列光纤电缆不太可能在地震发生之前预测地震，但研究人员可以利用该技术来帮助开发更好的早期预警系统来拯救生命。
加利福尼亚州通常每年发生两到三次地震足够严重——意味着震级为 5.5 级。或更高——对结构造成中度损坏。全州有700 多个地震仪。每个探测器的成本高达 50,000 美元，而且探测器网络的维护成本也很高。
让传感器尽可能靠近震源对于早期检测非常重要。李说，使用昂贵的地震仪是不可能做到这一点的。另一方面，光纤电缆已经铺设在地下，在各处纵横交错，提供了一个密集、低成本的地震传感器网络。“我们在城市和城市之间拥有非常广泛的光纤网络，”他说。“我们可以将这些非常密集的网络转变为地震阵列，用于早期预警。”
Li 和同事使用了一种称为分布式声学传感(DAS)的技术，该技术虽然对地震学领域来说是新鲜事，但已用于监测管道和电力电缆的缺陷。该方法包括通过光纤发送激光脉冲并测量从光纤缺陷反射回来的信号强度。光纤的轻微拉伸或收缩（例如地震）会改变反射信号。
根据脉冲的返回时间，您可以查明电缆上发生干扰的时间和地点。由于光会从光纤上的数千个缺陷点反射，一公里长的电缆可以充当数千个地震仪。这意味着更多的地震数据，从而带来更高的分辨率，从而可以精确定位较小地震活动的位置。
加州理工学院的研究人员将现有的光缆转变为 DAS 阵列。电信公司通常铺设的光纤超出了他们的需要，研究团队利用了一些“暗”未使用的光纤。经加州宽带合作社许可，该团队在加州和内华达州边境的一段光纤电缆的一端安装了 DAS 收发器。
在他们的研究中，研究人员分析了记录2021 年羚羊谷 6 级地震的两段 50 公里长的光缆的光信号。光缆部分位于老猛犸镇的北部和南部。总的来说，这 100 公里的电缆提供的数据相当于 10,000 个地震仪的数据。
利用高分辨率数据，研究人员发现这次地震由一系列四个较小的破裂组成，称为“子事件”，传统地震网络无法检测到这些破裂。通过根据数据创建地震的计算机模型，研究人员能够详细说明这些子事件的精确时间和位置。
李说，研究中使用的光纤距离地震中心 100 公里。“通过在其他方向（包括地震的东侧和西侧）设置纤维，我们图像的分辨率可以大大提高。”
他说，处理和存储密集光纤地震阵列产生的大量数据将是一项艰巨的技术挑战。但“首要且最困难”的挑战是获得光纤来创建扩展的 DAS 阵列，为此他们必须与电信公司进行谈判。“这不是一个容易的过程，但我希望基于这项工作电信公司能够看到合作的优势。”
