埋在地下的光纤电缆中的每一根细如发丝的玻璃纤维都含有微小的内部缺陷——这对科学家来说是一件好事，他们正在寻找新的方法来收集从繁忙的城市中心到偏远冰川的地震数据。在地震研究快报中，加州理工学院地震学家Zhongwen Zhan描述了人们对这种方法——称为分布式声学传感——日益增长的兴趣及其潜在应用。他的论文是该杂志新兴主题系列的一部分，该系列邀请作者探讨正在塑造地震学和地震科学各个领域的发展。
分布式声学传感通过使用长光纤的微小内部缺陷作为沿数十公里光纤电缆的数千个地震传感器来工作。一个仪器在一端发送激光脉冲到电缆上，并收集和测量每个脉冲的“回声”，因为它从内部纤维缺陷反射回来。当光纤因温度、应变或振动变化而受到干扰时——例如由地震波引起——返回分布式声学传感仪器的激光光的大小、频率和相位会发生变化。地震学家可以使用这些变化来确定可能已经轻轻推动光纤的地震波类型，即使只是几纳米。
分布式声学传感仪器的灵敏度在过去五年中显著提高，为它们的部署开辟了新的可能性，Zhan说。“灵敏度越来越好，以至于几年前如果你将光纤部分的波形与地震检波器进行比较，它们看起来非常相似。”它们的性能使它们适合在各种环境中使用，特别是在设置更敏感或密集的地震网络过于昂贵的地方。研究人员还可以利用电信公司和其他公司之前铺设的大量未使用或“暗”光纤。
Zhan说，从更大的电缆中取出几根光纤就可以满足地震学家的需求。
Zhan说，石油和天然气行业一直是这种新方法的最大推动者之一，因为他们使用电缆下井来监测深水油田中的流体变化以及水力压裂和废水注入期间的变化。分布式声学传感研究人员认为，这种方法特别有希望用于恶劣环境中的地震监测，如南极洲——或月球。Zhan解释说，对于常规的地震仪网络，科学家“需要保护和供电网络中的每个节点”。“而对于分布式声学传感，你铺设一根长光纤，这相当坚固，而所有敏感仪器仅在一端。”
“你可以想象，在月球或其他行星上，在高辐射或高温的情况下，电子设备可能无法在那种环境中长时间生存，”他补充道。“但光纤可以。”科学家已经在使用分布式声学传感来探测永久冻土和冰川中的融化和冻结循环，以更好地表征冰流的动态运动和在基岩上的滑动，这可以帮助研究人员更多地了解气候变化驱动的冰川融化如何导致海平面上升。
目前，大多数分布式声学传感系统的范围是10到20公里。
研究人员希望在不久的将来将其扩展到100公里，Zhan说，这对于包括海底俯冲带在内的海洋底部环境的地震覆盖可能很有用。分布式声学传感也非常适合地震后的快速响应，特别是在暗光纤众多的地区，地震学家事先已经安排使用这些光纤。例如，在2019年南加州里奇克莱斯特地震后，Zhan和他的同事迅速使用分布式声学传感监测该地区的余震序列。“我们在三天内将大约50公里的电缆变成了超过6000个传感器，”他说。
如果地震学家事先已经完成了识别和请求访问光纤的工作，Zhan说，分布式声学传感系统可以在地震后几小时内部署。使用光纤的一个挑战是确切知道它在地面上的位置。使用分布式声学传感方法，研究人员知道特定传感器沿光纤的位置，但如果光纤电缆盘绕、弯曲或下垂，计算可能会出错。
为了纠正这一点，地震学家有时会进行“敲击测试”——用GPS沿着电缆上方的地面敲击大锤，因为敲击声在光纤上回响，形成一种声纳图像，显示其扭曲和转弯。
分布式声学传感传感器也比传统地震传感器包含更多的“自噪声”——可能干扰地震识别的背景地震信号——“但坦率地说，我们并不完全知道为什么，”Zhan说。一些噪声可能来自询问激光脉冲，这些脉冲可能不稳定，或者来自电缆本身。一些电缆在其隧道中松散，其他电缆有多个光纤连接器，这可能会产生反射和光信号的损失。
“尽管仍处于起步阶段，分布式声学传感已经证明自己是宝贵的新地震监听工具的工作心脏——或可能是耳膜，”Zhan总结道。