科學人新聞

光纖感測地震

2020-04-01 撰文/霍爾(Shannon Hall)
光纖電纜散佈在城市、冰河及海床底下,除了用於記錄地震,也可以監測地質災害和天氣。


拉培茲(Celeste Labedz)聽到雷聲般的低鳴穿越冰層而來,她立刻透過筆記型電腦記下時間。這是冰河突然移動造成地表短暫微震,稱為冰震(icequake)。她正站在美國阿拉斯加的塔庫冰河上,那是覆蓋著雪且介於連綿山巒之間的寬廣冰層。拉培茲是加州理工學院的研究生,她和團隊成員剛架設好光纖電纜,並根據光纖電纜取得資料來比對冰震時間,這是研究這類地震的嶄新方法,震撼地質領域而且前景看好。


雷射脈衝在光纖電纜中行進時可以傳遞資訊,其中大多直接沿著髮絲般的玻璃細線傳播,但必然有一小部份會因碰撞到電纜的微小瑕疵而散射返回源頭。當電纜因地震或卡車經過而拉伸或彎曲,散射的情況就會有所不同。科學家可藉由監測這些反向散射的光來測量震動,這項技術稱為「分散式聲波感測」(DAS),10多年前由石油公司首先發展,最近開始應用在科學界。美國萊斯大學的地球物理學家阿霍-富蘭克林(Ajo-Franklin)說:「這幾年來DAS技術發展蓬勃。」去年12月美國地球物理協會舉辦的研討會中,就有科學家的研究是利用DAS測繪冰河內部結構、監測雷暴以及探測深海。


DAS的一大優勢是光纖電纜可以綿延數公里,一條電纜就像由數千個感測器組成的網路,可以偵測沿途每一公尺發生的震動;相對地,傳統地震儀只能單點記錄地表運動,這也是測繪地球內部的主要障礙,例如1980年聖海倫斯火山災難性的噴發之前,地表開始隆隆作響,鄰近卻只有一台地震儀,科學家無法確認這些地震是不是即將爆發的火山造成。史丹佛大學的地球物理學家林西(Nathaniel Lindsey)說:「把地震儀想成路燈,如果想要照亮整座火山卻只有幾盞路燈,就無法看清楚全貌。」


DAS的第二大優勢是光纖電纜已經在世界各地縱橫交錯,只有少數地方(例如塔庫冰河)需要另行佈線。從城市到海底都有未使用或正在使用的電纜可供DAS運用,這些電纜主要源自1990年代網路興盛時期,那時電信公司架設了許多長距離的電纜,其中有些從未使用,稱為暗纖(dark fiber)。所以科學家只要把暗纖的一端連接到「詢問器」(interrogator)單元,往另一端發射雷射脈衝並監測反向散射,新的震波感測網路就可以立即就緒。


去年,賓州州立大學的地球物理學家朱鐵源(Tieyuan Zhu)改造了大學內現有光纖網路裡未經使用的電纜,用以搜尋校園地底下的細微震動,他驚訝地發現雷暴夜晚的資料中記錄到多次低頻震動。雖然科學家長久以來都知道巨大噪音在空氣中的振動可以撼動地表,但並不確定DAS可否偵測「雷震」。朱鐵源把研究結果比對美國航太總署(NASA)的資料,一切就鑿鑿有據。他說:「我認為DAS在『照亮』郊區上深具潛力,不僅可以監測地震,也可以監測地質災害(例如山崩或海嘯)和天氣。」


有些科學家著眼於更遙遠的目標地點,林西與蒙特雷灣水族館研究所的多爾(Craig Dawe)把一台詢問器連接至一條20公里長的光纖電纜,這種電纜通常用於傳輸蒙特雷灣海床上科學儀器的資料。那套系統正停機維護,給了科學家記錄震動的好機會,在短短四天之內,他們測繪出海底多個斷層帶,並且描述海面波浪造成的海床震動,研究結果發表於去年11月的《科學》。更詳細的海床圖有助於科學家準確預測地震和海底火山爆發,這兩者都可能引發海嘯而傷害生命。.....


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