運用分散式聲波感測技術,科學家首度將海底光纜變成地震儀

作者 | 發布日期 2019 年 11 月 29 日 15:12 | 分類 環境科學 , 自然科學 follow us in feedly


監測世界各地的地震活動是重要的任務,但這需要設備架設在現場測量,若在大海中央就會變得困難。加州大學柏克萊分校的新研究可把現有海底光纜變成地震儀網路,進而為地球構造運動提供前所未有的宏觀視野。

地震學家幾乎所有的資料都來自陸地儀器,這意味著我們對地震活動的了解僅限於地球表面的三分之一。我們甚至不知道所有斷層在哪裡,因為沒有對海床進行徹底研究或長期監測。

「我們對海底地震學有著巨大的需求,」首席作者 Nathaniel Lindsey 在柏克萊的新聞發表會指出:「任何架設在海中的儀器,即使離岸 50 公里,都非常有用。」

當然,沒有這樣做的原因是很難安置、維護並取得水底長期地震作業所需的精密儀器。但如果已經有現成的儀器在現場等著我們使用,又會是什麼情況呢?這就是 Lindsey 和同事研究海底光纜時追求的想法。

將 20 公里長電纜分成 1 萬段,以便偵測每段表面的輕微移動

這些光纜進行長距離資料傳輸,有時當作網際網路骨幹,有時是私有網路的一部分,但都有共同點,就是都用光傳輸資料。如果電纜移動或改變方向,光就會散射和扭曲。

仔細觀察這種「背向散射」(backscatter)現象,就能準確看到電纜彎曲的位置和程度,有時彎曲程度只有幾奈米而已。這意味著研究人員可經由電纜觀察,以極高的精準度找出地震活動的來源。

這種技術稱為分散式聲波感測(Distributed Acoustic Sensing,DAS),本質上是把電纜當作成千上萬個獨立動作感測器。團隊測試的 20 公里長電纜(下圖粉紅色),是屬於蒙特雷灣水族館研究機構(Monterey Bay Aquarium Research Institute,MBARI)的水下資料基礎設施,分成約 1 萬段,以便偵測到每段附著表面的最輕微移動。

(Source:柏克萊加州大學

「這確實是地震學的尖端研究,這是第一次有人透過離岸光纜來觀察這些類型的海洋訊號或將斷層結構描繪成像,」柏克萊國家實驗室 Jonathan Ajo-Franklin 表示。

將 MBARI 機構的電纜連結到 DAS 系統之後,團隊收集了大量可驗證的資訊,例如:距離內陸數英里處 3.4 級地震造成的移動,已知但未繪製的海灣斷層圖,以及暗示地震活動的水運動模式。

Lindsey 說,最棒的是,你甚至不需要在整條電纜附加設備或中繼器。「你只要走到現場,把儀器連接到光纖的末端便搞定。」他表示。

當然,大多數主要海底電纜並不是只有一個大暴露端供隨機研究人員連接。而且這項技術用來測量背向散射的訊號,可能會干擾到其他訊號,當然,目前還在進行相關測試工作,如果可能,也可以預防干擾。

如果成功,更大的主動式電纜可充當研究儀器使用,並幫助闡明地震學家對海床活動與特徵的盲點。

(首圖來源:Unsplash