光纤传感器监测海底地震，发现新断层结构

来自世界各地的相关科学家正在研究如何利用横跨海洋的大约一百万公里的光缆来创建一个庞大的地震监测网络。最近，美国研究人员使用电缆在加利福尼亚州的蒙特利湾下记录了大约40公里外的一次小地震所产生的地震波，同时揭示了以前未发现的地质构造断层（Science，doi：10.1126 / science.aay5881）。\

蒙特利湾地图，显示了暂时用于地震监测的光缆部分（粉红色），以及先前未发现的断层（黄色圆圈）。

光纤传感器用于地震监测的优势

当今使用的绝大多数地震仪都在陆地上，这意味着根本无法检测到海上的小地震。地震仪可以放置在海床上以记录水下地震，但是部署它们既费时又昂贵。且地震仪对海床以下构造断裂的了解非常有限，这阻碍了对沿海地区地震的监测同时也失去了发现油气田的机会。

相反地，基于光纤的传感器可以使科学家利用现有的基础设施，即将电话和互联网流量从地球的一侧传输到另一侧的电缆。这个想法是将激光沿着光纤发射，以记录地震波在穿过地球时会在光纤中产生的一系列微小但与众不同的收缩和膨胀。

能够实现这一点的一个要求是来自位于光纤一端的发射激光器具有极其稳定的脉冲，从而监视由于地震引起光路长度的变化从而引起的微小相位变化。英国国家物理实验室的Giuseppe Marra及其同事对该方法进行了测试，他们去年成功地利用了马耳他和西西里岛之间的海底电缆来探测距光纤约90公里的3.4级地震。

数千个传感器

正如Marra解释的那样，由于该技术利用了激光脉冲的发射功率，因此具有很高的信噪比。他说，这意味着即使在数千公里之后也能读出信号，因此使其非常适合“使用现有的水下基础设施来实现全球网络。”但是，他补充说，该设置仅具有相当低的空间分辨率。

相比之下，最新工作中采用的方案范围变小了-——它最适合在陆地上或距海岸前几十公里的应用，但是，其具有更高的分辨率。这种技术被称为分布式声学传感（DAS），实际上将一段光缆变成了多个传感器。它涉及检测来自激光脉冲的散射光，这些散射光在沿着光纤传播时经过很小的修改，这归因于地震拉伸带来的应变变化。这项新研究的作者之一，Ajo-Franklin说：“Marra的方法利用了整个光纤的长度，但将光缆视为单应变仪。”相比之下，DAS并没有遍历全部海底光纤，但利用了数千个感应位置。”

DAS并不是一种新技术，在石油和天然气行业已被广泛使用约十年来对油井进行成像。但是Ajo-Franklin及其同事发现它也非常适合地震监测。 2017年，他们使用美国能源部铺设的电缆作为更大的光纤测试台的一部分，在陆地上进行了为期六个月的测试，表明它们可以监测地震震荡和环境噪声。

他们用于执行此操作的设备是“询问器”，一种包含稳定激光器，干涉仪和处理硬件的商用设备。在去年进行的最新测试中，加州大学伯克利分校的Ajo-Franklin和Nathaniel Lindsey将设备在岸上连接到了一条50公里长的光纤电缆的末端，该电缆沿着蒙特雷底部延伸湾。通过沿电缆20公里的延伸以2 m的间隔测量反向散射光，它们实际上将光纤转换为10,000个运动传感器。

该电缆由蒙特利湾水族馆研究所（MBARI）拥有，通常会运送来自海底许多地球物理仪器的数据。但是由于停止了维护工作， Lindse，Ajo-Franklin与Craig Dawe得以利用光纤连续四天进行地震测量。正是在这段时间里，他们的传感器从吉尔罗伊（Gilroy）发生的3.4级地震中提取了地震波，震源距离海岸约40公里。

海底地质断层图

研究人员利用这些地震波绘制了海湾下方的构造断层图。他们通过绘制应变率在时间和空间上的变化来做到这一点（测量长度变化降至十分之一的十亿分之一），然后查看电缆上地震能量的哪些点被重新辐射了。这是由于海底断层将一种地震波转换成另一种地震波所致。这样一来，他们观察到了沿着光纤大约15 km处的许多最近测绘的断层。但是，他们还发现了几条先前未被发现的断层，这些断层距海岸几公里。

此外，研究人员使用他们的传感器来记录海浪产生的地震活动。他们发现他们的仪器与海面浮标的数据一致，且在暴风雨期间记录到了更强的信号。

蒙特利加速研究系统（MARS）电缆天文台通过一条52公里的海底电缆连接到岸上。大约20 km的电缆用于测试海底的地震。

为了大规模部署传感器，科学家将要证明它们可以用于“轻型”光纤电缆（承载互联网和其他数据的光纤电缆）。为此，Lindsey和Ajo-Franklin目前正在进行实验，以确定他们是否可以发送和接收所需的激光脉冲而不会干扰其他数据通道。他们还计划使用其传感器监视加利福尼亚南部的地震群。