各大洋被电讯电缆纵横交错，正如这张预测光纤电缆将在2021年投入使用的图表所示，其中许多电缆(黄色)为私有公司如谷歌和微软所有。这些电缆有双重用途，可以作为地震监测站，监测超过70%的地球表面被水覆盖的地震和断层系统。(图片由《纽约时报》提供)
构成全球海底通讯网络的光纤电缆有一天可能会帮助科学家研究海底地震和隐藏在海洋表面深处的地质结构。
出现在本周的《科学》杂志上的一篇论文中,研究人员从加州大学伯克利分校劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室),蒙特雷湾水族馆研究所(MBARI)和莱斯大学描述一个实验,把20公里的海底光纤电缆沿着海底相当于10000个地震监测站。在蒙特利湾为期四天的实验中，他们记录了一次3.5级的地震和水下断裂带的地震散射。
他们之前在陆地上用光纤电缆测试过这项技术，这项技术可以为海底地震提供急需的数据，因为海底几乎没有地震监测站，70%的地球表面都没有地震探测器。
“对海底地震学有巨大的需求。任何你在海洋中使用的仪器，即使只是在距离海岸50公里的地方，都将非常有用，”该论文的主要作者、加州大学伯克利分校的研究生内特·林赛(Nate Lindsey)说。
休斯敦莱斯大学(Rice University)地球物理学教授、伯克利实验室(Berkeley Lab)科学家林塞·阿霍-富兰克林(Lindsey Ajo-Franklin)和乔纳森·阿霍-富兰克林(Jonathan Ajo-Franklin)在拥有光缆的MBARI公司的克雷格·道(Craig Dawe)的协助下领导了这项实验。这条电缆延伸到距海岸52公里的地方，是迄今为止第一个放置在太平洋海底的地震监测站。17年前，MBARI和加州大学伯克利分校地球与行星科学系研究生院教授芭芭拉·罗曼诺维茨(Barbara Romanowicz)将其放置在那里。2009年铺设了通往蒙特雷加速研究系统(MARS)节点的永久电缆，其中20公里在2018年3月离线进行年度维护时用于此次测试。
研究人员使用了20公里(粉红色)的51公里海底光纤电缆，通常用于与离岸科学节点(火星，蒙特雷加速研究系统)通信，作为一个地震阵列来研究蒙特雷湾下的断层带。在为期四天的测试中，科学家们在45公里外的吉尔罗伊发现了一次3.5级的地震，并绘制了之前从未绘制过的断层带(黄色圆圈)。(图片来源:Nate Lindsey)
Ajo-Franklin说:“这确实是地震学前沿的一项研究，这是第一次有人使用离岸光纤电缆来观察这些类型的海洋信号或成像断层结构。”“全球地震学网络的一个空白点是海洋。”
研究人员的终极目标努力,他说,是使用密集的全球光纤网络——可能超过1000万公里,陆地和海底——敏感地球运动的措施,允许地震监测的地区没有昂贵的地面站喜欢那些点地震多发加利福尼亚和太平洋海岸。
“现有的地震网络往往有高精度的仪器，但相对稀疏，而这给了你一个更密集的阵列，”Ajo-Franklin说。
光子地震学
研究人员使用的技术是分布式声传感，该技术利用一种光子装置，将激光短脉冲沿电缆发送，并检测由拉伸引起的电缆应变产生的后向散射。通过干涉测量法，他们可以测量每2米(6英尺)的背向散射，有效地将20公里长的电缆变成10,000个单独的运动传感器。
蒙特雷加速研究系统(MARS)是位于蒙特雷湾地下891米(2923英尺)的海底科学仪器的节点，它通过一条52公里(32英里)长的海底电缆与海岸相连，传输数据和电力。大约20公里长的电缆被用来在海底测试光子地震学。(版权MBARI, 2009)
Ajo-Franklin说:“这些系统对每米长度从纳米到数百皮米的变化非常敏感。”“这是十亿分之一的变化。”
今年早些时候，他们报告了在萨克拉门托附近用22公里长的电缆进行的为期6个月的陆上试验的结果。电缆由美国能源部铺设，是其1.3万英里的ESnet暗光纤试验台的一部分。暗光纤指的是埋在地下，但未使用或租出去短期使用的光缆，与目前使用频繁的“亮”互联网形成对比。与传统的传感器网络相比，研究人员能够监测地震活动和环境噪声，并获得分辨率更高、规模更大的地下图像。
Lindsey说:“光纤地震学的美妙之处在于，你可以使用现有的通讯电缆，而不必安装1万个地震仪。”“你只要走到现场，把仪器和光纤的一端连接起来。”
在水下测试期间，他们能够测量发生在加州吉尔罗伊附近45公里内陆的3.4级地震的地震波的广泛频率范围，并绘制出圣格雷戈里奥断层系统的多个已知的和以前未绘制的海底断裂带。他们还能够探测到稳定状态的海浪——所谓的海洋微震——以及风暴波，所有这些都与浮标和陆地地震测量相匹配。
加州大学伯克利分校地球和行星科学教授迈克尔·曼加(Michael Manga)表示:“我们对海底过程和海洋地壳结构存在巨大的知识空白，因为将地震仪等仪器置于海底是一项挑战。”“这项研究显示了利用现有的光纤电缆作为传感器阵列以新的方式成像的前景。在这里，他们发现了以前没有探测到的假设波。”
林赛说，地震学家对记录海洋和大陆之间相互作用产生的地球6037s环境噪声场越来越感兴趣:本质上，就是海浪在海岸线附近晃动。
他说:“通过使用这些沿海光缆，我们基本上可以看到我们在陆地上看到的海浪映射到海底，以及这些海浪与地球结合产生地震波的方式。”
为了利用世界上的光纤，Lindsey和Ajo-Franklin需要证明他们可以在不干扰光纤中其他传输独立数据包的通道的情况下，将激光脉冲传输到一个通道。他们现在正在用发光光纤进行实验，同时还计划在布劳利地震带南加利福尼亚索尔顿海以南的一个地热地区用光纤监测地震活动。
这项研究是由美国能源部通过伯克利实验室的实验室指导的研究和发展项目，国家科学基金会(DGE 1106400)和戴维和露西尔·帕卡德基金会资助的。作为GoMCarb项目的一部分，最终的分析得到了能源部国家能源技术实验室的支持(DE-AC02-05CH11231)。
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