探测地震，海底光缆的新功能

埃里克·汉德（Eric Hand）

大约70％的地球表面被水覆盖，而几乎所有的地震探测器都在陆地上。地震学家将一些由电池供电的、今后需要撤回的高价传感器装入海底，并且部署了与陆地连接的几个近岸探测器阵列。除此之外，地震学家无法监测波及海底的、有时会引起海啸的地震。

不久前，《科学》杂志在线版描述了一项技术，该技术有望利用上横跨海底并承载世界互联网和电信业务的一百多万公里的光缆。通过在电缆传播的光信号中寻找所发生的微弱变化，科学家们可以探测到地震，并有可能确定地震的位置。

该技术只需要在电缆的两端装上激光器，占用一小部分光缆的带宽。至关重要的是，该技术不需要改变电缆本身，也不会影响其日常使用。科罗拉多大学地震学家安妮·希恩（Anne Sheehan）说：“该技术可能会打破地震探测的格局，对海洋地区进行更多的观测，可能会填补一些相当大空白。”希恩没有参与这项研究。

英国特丁顿国家物理实验室的计量学家朱塞佩·马拉（Giuseppe Marra）说，这项技术开始于一次意外的发现。马拉负责研究整个欧洲实验室的原子钟光纤连接，他正在测试从英国特丁顿到雷丁的79千米埋地电缆的连接状况，他靠的是一种稳定的共振激光环路。电缆附近的震动——甚至是上面的交通噪声，都可以使电缆产生细微的弯曲，这样就可能缩短或延长光的穿行距离，但其差距小于人的发丝宽度，从而使共振光束略微偏离了相位。

马拉习惯了光纤的背景噪音。但是，当回顾2016年10月份的数据时，他看到噪音量比平时更大。结果，那是当年10月底意大利中部发生的5.9级和6.5级地震所造成的局部影响。马拉说：“那个时刻相当明显。”他意识到，那种噪音可以指向地震探测的新方法。

马拉想知道这项技术可否延伸到环境较为安静的海洋中。利用连接马耳他和意大利西西里岛的一条96千米的海底电缆，马拉和同事探测出地中海发生的一场3.4级的地震。但是，他们无法确定地震发生的位置。然而马拉说，通过从电缆的两端发射激光，科学家们能够探测出异相信号在传播时间上的差异，这样就能够揭示地震最初在电缆何处引起了干扰。马拉称，以这种方式配备三根或更多电缆，对地壳中地震的确切位置就可以进行三角测量了。

有超过100万公里的海底光缆在大陆之间传播互联网和电信业务，科学家们希望将这些光缆用作地震探测器。

新墨西哥州洛斯阿拉莫斯国家实验室地震学家夏洛特·罗（Charlotte Rowe）说：通过填补在海洋地壳中探测地震的空白，通过证实海底地震发生的位置和频率，该方法可以揭示新的断层构造以及构造板块碰撞或开裂的区域。罗说，如果光学信号的强度能够显示地震级别的大小，那么该技术也可以为海啸预警系统提供帮助。

罗认为，除了可以反映地震情况之外，光缆网络还可以使地球内部的图像清晰起来。就像CT扫描中的X射线一样，来自大地震的地震波携带着所经过区域的岩石密度信息。通过多个传感器接收到的纵横交错的震波，地震学家可以构建地幔对流的三维图像，在这种对流之中，羽状热流向上喷涌，低温板块向地球核心下沉。来自海底光缆的数据可能会触及这些地震CT扫描中的盲点。然而罗表示，研究人员必须更加合理地解释这些光缆信号，然后才能将其运用在地球深层探索之中。

夏威夷大学的物理海洋学家布鲁斯·豪（Bruce Howe）领导着一个研究小组正在探索如何在新型海底光缆上每隔50至100公里处分别安装地震、压力和温度传感器。这种附加的传感器每件花费大约为20万美元，仍然要比在海底安装独立运行的探测器费用低一些，但是光缆拥有商家担心这样做会影响光缆的传输性能。这项新技术提供了一种探测海底的方式，费用更少，干扰更小。豪说这些研究成果很有趣，他表示他的研究团队将会进行更长时间的测试。他说：“对于这项新技术，绝对应该继续探索下去。”

（胡德良译自《科学》杂志网站sciencemag.org）