由加州理工学院领导的一个国际地球科学家小组,利用铺设在北海海底的光纤通信电缆作为一个巨大的地震网络,追踪地震和海浪。
在某种程度上,这个项目是对概念的验证。海洋覆盖了地球表面的三分之二,但在海底放置永久性地震仪的成本高得令人望而却步。加州理工学院研究生伊桑·威廉姆斯(19届硕士)说,光纤网络能够探测并记录2018年8月斐济附近发生的8.2级地震,这一事实证明了该技术填补全球地震网络中一些巨大盲点的能力。威廉姆斯是该项目研究的主要作者,该研究发表于自然通讯12月18日。
“光纤通信电缆在海底变得越来越普遍。威廉姆斯说:“我们不需要放置一个全新的设备,我们可以利用这些纤维,立即开始观察地震活动。”
该项目依赖于一种名为分布式声学传感(DAS)的技术。DAS是为能源勘探而开发的,但已被重新用于地震学。DAS传感器通过光纤电缆发射一束光。电缆上的微小缺陷反射了极少量的光,使得这些缺陷充当了“航路点”。当地震波撞击光缆时,路径点的位置会发生微小的移动,从而改变反射光波的传播时间,从而使科学家能够跟踪地震波的传播过程。这项研究中使用的DAS仪器是由西班牙阿尔卡尔
最近,加州理工学院的詹仲文(2008届硕士,2013届博士)开始在地震学中部署DAS。例如,他和他的同事们利用沿着该州395高速公路延伸的光纤追踪了加州里奇克莱斯特地震序列的余震,并利用帕萨迪纳市的光纤网络建立了一个全市范围的地震探测网络。
“海底DAS是地球物理学的一个新前沿,它可能会带来数量级的海底地震数据,并对地球深处的内部和主要断层有新的认识,”地球物理学助理教授、该研究的合著者詹说。
在北海项目中,威廉姆斯、詹和他们的同事们使用了一段40000米长的光纤电缆,将北海风力发电场与海岸连接起来。电缆上有数百万个微小的缺陷,所以他们平均了每10米长的缺陷,创造了一个超过4000个虚拟传感器的阵列。
威廉姆斯说:“只要按一下开关,我们就有了一个由4000个传感器组成的阵列,而放置这些传感器需要花费数百万美元。”
由于网络的高灵敏度,北海阵列能够跟踪微小的、与地震无关的地震噪声(或“微地震”),并发现证据支持一个长期存在的理论,即微地震是由海浪引起的。
1950年,数学家和海洋学家迈克尔·塞尔温·朗格-希金斯(Michael Selwyn Longuet-Higgins)提出理论,认为海浪之间复杂的相互作用可能会在海底施加足够的滚动压力,从而产生所谓的肖尔特波(Scholte wave)——一种发生在液体和固体界面上的地震波。通过跟踪海浪和相应的微地震,北海阵列揭示了微地震可能是海浪相互作用的结果。
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