埋入式光纜中的每根細如發(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冰川等地收集地震數(shù)據(jù)的新方法的科學家來說是一件好事。

在Seismological Research Letters 中，加州理工學院地震學家 Zhongwen Zhan 描述了人們對這種稱為分布式聲學傳感的方法及其潛在應用日益增長的興趣。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和地震科學各個領域的發(fā)展。

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

當光纖受到溫度、應變或振動變化的干擾時（例如由地震波引起），散射回 DAS 儀器的激光的大小、頻率和相位會發(fā)生變化。地震學家可以利用這些變化來確定可能推動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力之一，因為他們使用電纜在鉆孔中監(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，科學家們“需要保護網(wǎng)絡中儀器的每個節(jié)點并為其供電”。“對于 DAS，你鋪設一根長長的光纖，它相當堅固，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，電子設備可能無法在那種環(huán)境中存活那么久，”他補充道�！暗�纖維可以。”

科學家們已經(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的動態(tài)運動，這可以幫助研究人員更多地了解氣候變化驅(qū)動的冰川融化如何導致海平面上升.

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，特別是在暗光纖眾多且地震學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，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 多個傳感器，”他說。

詹說，如果地震學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)生后的幾個小時內(nèi)部署。

使用光纖的一項挑戰(zhàn)是準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多遠，但如果光纖電纜盤繞、彎曲或下垂，則計算可能會出錯。為了解決這個問題，地震學家有時會進行“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，因為這些沖擊會從光纖上產(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光纖連接器，這可能會產(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。