埋入式光纜中的每根細(xì)如發(fā)絲的玻璃纖維都包含微小的內(nèi)部缺陷——這對于正在尋找從繁忙的市中心到偏遠(yuǎn)冰川等地收集地震數(shù)據(jù)的新方法的科學(xué)家來說是一件好事。

在Seismological Research Letters 中，加州理工學(xué)院地震學(xué)家 Zhongwen Zhan 描述了人們對這種稱為分布式聲學(xué)傳感的方法及其潛在應(yīng)用日益增長的興趣。他的論文是該期刊 Emerging Topics 系列的一部分，其中作者受 SRL 編輯的邀請，探索正在塑造地震學(xué)和地震科學(xué)各個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展。

DAS 的工作原理是將長光纖的微小內(nèi)部缺陷用作沿?cái)?shù)十公里光纖電纜的數(shù)千個(gè)地震傳感器。一端的儀器沿電纜發(fā)送激光脈沖，并收集和測量每個(gè)脈沖從內(nèi)部光纖缺陷反射時(shí)的“回聲”。

當(dāng)光纖受到溫度、應(yīng)變或振動(dòng)變化的干擾時(shí)（例如由地震波引起），散射回 DAS 儀器的激光的大小、頻率和相位會(huì)發(fā)生變化。地震學(xué)家可以利用這些變化來確定可能推動(dòng)光纖的地震波的種類，即使只是幾十納米。

詹說，DAS 儀器的靈敏度在過去五年中顯著提高，為其部署開辟了新的可能性。“靈敏度越來越好，以至于幾年前，如果將光纖部分的波形與地震檢波器的波形進(jìn)行比較，它們看起來非常相似�！�

它們的性能使其適合在各種環(huán)境中使用，尤其是在建立更敏感或更密集的地震網(wǎng)絡(luò)過于昂貴的地方。研究人員還可以利用電信公司和其他公司以前鋪設(shè)的大量未使用或“暗”光纖。詹說，從一根較大的電纜上取下幾股線，就可以滿足地震學(xué)家的需要。

詹說，石油和天然氣行業(yè)一直是新方法的最大推動(dòng)力之一，因?yàn)樗麄兪褂秒娎|在鉆孔中監(jiān)測深水油田以及水力壓裂和廢水注入過程中的流體變化。

DAS 研究人員認(rèn)為，該方法特別適用于南極洲或月球等惡劣環(huán)境中的地震監(jiān)測。詹解釋說，有了常規(guī)的地震儀網(wǎng)絡(luò)，科學(xué)家們“需要保護(hù)網(wǎng)絡(luò)中儀器的每個(gè)節(jié)點(diǎn)并為其供電”�！皩τ� DAS，你鋪設(shè)一根長長的光纖，它相當(dāng)堅(jiān)固，你所有的敏感儀器都只在光纖的一端。”

“你可以想象，在月球或其他行星上，在高輻射或高溫情況下，電子設(shè)備可能無法在那種環(huán)境中存活那么久，”他補(bǔ)充道。“但纖維可以�！�

科學(xué)家們已經(jīng)在使用 DAS 來探測永久凍土和冰川的融化和凍結(jié)循環(huán)，以更好地描述冰流和在基巖上滑動(dòng)的動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)，這可以幫助研究人員更多地了解氣候變化驅(qū)動(dòng)的冰川融化如何導(dǎo)致海平面上升.

目前，大多數(shù) DAS 系統(tǒng)的范圍是 10 到 20 公里。研究人員希望在不久的將來將其擴(kuò)展到 100 公里，詹說，這可能有助于海底環(huán)境的地震覆蓋，包括近海俯沖帶。

DAS 也非常適合地震后的快速響應(yīng)，特別是在暗光纖眾多且地震學(xué)家已事先安排使用光纖的地區(qū)。例如，在 2019 年加利福尼亞州南部的里奇克萊斯特地震之后，詹和他的同事迅速采取行動(dòng)，使用 DAS 監(jiān)測該地區(qū)的余震序列�！拔覀冊谌�天內(nèi)將大約 50 公里的電纜變成了 6,000 多個(gè)傳感器，”他說。

詹說，如果地震學(xué)家在識別和請求訪問光纖方面提前做好了工作，那么 DAS 系統(tǒng)可以在地震發(fā)生后的幾個(gè)小時(shí)內(nèi)部署。

使用光纖的一項(xiàng)挑戰(zhàn)是準(zhǔn)確了解它在地下的位置。使用 DAS 方法，研究人員知道特定傳感器沿光纖鋪設(shè)多遠(yuǎn)，但如果光纖電纜盤繞、彎曲或下垂，則計(jì)算可能會(huì)出錯(cuò)。為了解決這個(gè)問題，地震學(xué)家有時(shí)會(huì)進(jìn)行“輕敲測試”——用 GPS 將大錘在電纜上方的地面上的沖擊映射到地圖上，因?yàn)檫@些沖擊會(huì)從光纖上產(chǎn)生回響，從而形成一種其曲折的聲納圖像。

與傳統(tǒng)地震傳感器相比，DAS 傳感器還包含更多的“自噪聲”——可能干擾地震識別的背景地震信號，“但坦率地說，我們并不確切知道為什么，”詹說。一些噪聲可能來自詢問激光脈沖（可能不穩(wěn)定）或來自電纜本身。一些電纜在它們的隧道中松散，而另一些電纜有多個(gè)光纖連接器，這可能會(huì)產(chǎn)生光信號的反射和損失。

“雖然仍處于起步階段，但 DAS 已經(jīng)表明自己是一種有價(jià)值的新型地震偵聽工具的工作心臟——或者可能是耳鼓，”詹總結(jié)道。