探測地震，海底光纜的新功能

埃里克·漢德（Eric Hand）

大約70％的地球表面被水覆蓋，而幾乎所有的地震探測器都在陸地上。地震學家將一些由電池供電的、今后需要撤回的高價傳感器裝入海底，并且部署了與陸地連接的幾個近岸探測器陣列。除此之外，地震學家無法監測波及海底的、有時會引起海嘯的地震。

不久前，《科學》雜志在線版描述了一項技術，該技術有望利用上橫跨海底并承載世界互聯網和電信業務的一百多萬公里的光纜。通過在電纜傳播的光信號中尋找所發生的微弱變化，科學家們可以探測到地震，并有可能確定地震的位置。

該技術只需要在電纜的兩端裝上激光器，占用一小部分光纜的帶寬。至關重要的是，該技術不需要改變電纜本身，也不會影響其日常使用。科羅拉多大學地震學家安妮·希恩（Anne Sheehan）說：“該技術可能會打破地震探測的格局，對海洋地區進行更多的觀測，可能會填補一些相當大空白。”希恩沒有參與這項研究。

英國特丁頓國家物理實驗室的計量學家朱塞佩·馬拉（Giuseppe Marra）說，這項技術開始于一次意外的發現。馬拉負責研究整個歐洲實驗室的原子鐘光纖連接，他正在測試從英國特丁頓到雷丁的79千米埋地電纜的連接狀況，他靠的是一種穩定的共振激光環路。電纜附近的震動——甚至是上面的交通噪聲，都可以使電纜產生細微的彎曲，這樣就可能縮短或延長光的穿行距離，但其差距小于人的發絲寬度，從而使共振光束略微偏離了相位。

馬拉習慣了光纖的背景噪音。但是，當回顧2016年10月份的數據時，他看到噪音量比平時更大。結果，那是當年10月底意大利中部發生的5.9級和6.5級地震所造成的局部影響。馬拉說：“那個時刻相當明顯。”他意識到，那種噪音可以指向地震探測的新方法。

馬拉想知道這項技術可否延伸到環境較為安靜的海洋中。利用連接馬耳他和意大利西西里島的一條96千米的海底電纜，馬拉和同事探測出地中海發生的一場3.4級的地震。但是，他們無法確定地震發生的位置。然而馬拉說，通過從電纜的兩端發射激光，科學家們能夠探測出異相信號在傳播時間上的差異，這樣就能夠揭示地震最初在電纜何處引起了干擾。馬拉稱，以這種方式配備三根或更多電纜，對地殼中地震的確切位置就可以進行三角測量了。

有超過100萬公里的海底光纜在大陸之間傳播互聯網和電信業務，科學家們希望將這些光纜用作地震探測器。

新墨西哥州洛斯阿拉莫斯國家實驗室地震學家夏洛特·羅（Charlotte Rowe）說：通過填補在海洋地殼中探測地震的空白，通過證實海底地震發生的位置和頻率，該方法可以揭示新的斷層構造以及構造板塊碰撞或開裂的區域。羅說，如果光學信號的強度能夠顯示地震級別的大小，那么該技術也可以為海嘯預警系統提供幫助。

羅認為，除了可以反映地震情況之外，光纜網絡還可以使地球內部的圖像清晰起來。就像CT掃描中的X射線一樣，來自大地震的地震波攜帶著所經過區域的巖石密度信息。通過多個傳感器接收到的縱橫交錯的震波，地震學家可以構建地幔對流的三維圖像，在這種對流之中，羽狀熱流向上噴涌，低溫板塊向地球核心下沉。來自海底光纜的數據可能會觸及這些地震CT掃描中的盲點。然而羅表示，研究人員必須更加合理地解釋這些光纜信號，然后才能將其運用在地球深層探索之中。

夏威夷大學的物理海洋學家布魯斯·豪（Bruce Howe）領導著一個研究小組正在探索如何在新型海底光纜上每隔50至100公里處分別安裝地震、壓力和溫度傳感器。這種附加的傳感器每件花費大約為20萬美元，仍然要比在海底安裝獨立運行的探測器費用低一些，但是光纜擁有商家擔心這樣做會影響光纜的傳輸性能。這項新技術提供了一種探測海底的方式，費用更少，干擾更小。豪說這些研究成果很有趣，他表示他的研究團隊將會進行更長時間的測試。他說：“對于這項新技術，絕對應該繼續探索下去。”

（胡德良譯自《科學》雜志網站sciencemag.org）