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海底电缆也能监测地震

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2018-6-25 13:27:55来源:中国科学报作者:唐一尘 编辑:晴天我要纠错

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摘要:地球表面大约70%的面积被水覆盖,而几乎所有的地震探测器都在陆地上。

地球表面大约70%的面积被水覆盖,而几乎所有的地震探测器都在陆地上。除了一些昂贵的由电池供电的传感器被沉入海底并随后取回,以及与陆地连接的几个近岸探测器阵列之外,地震学家无法监测那些波及海底并可能引发海啸的地震。

现在,情况有了改观。在线刊登于《科学》杂志的一项技术称,覆盖100多万公里长的海底光纤电缆有望填补这一空白。这些电缆承载了全球互联网和电信通信,而通过寻找沿着电缆传播的光信号的微小变化,科学家或可以探测并定位地震。

该技术只需要在电缆的两端使用激光,并且接入电缆带宽的一小部分。至关重要的是,它不需要修改电缆本身,也不会影响其日常使用。该方法“可能会改变‘游戏规则’,针对海洋地区的更多观测可能会填补相当大的空白”。未参与该研究的美国科罗拉多大学地震学家Anne Sheehan说。

这一创新始于一个意外发现。英国特丁顿国家物理实验室计量学家Giuseppe Marra主要负责欧洲实验室原子钟的连接。他正在测试从特丁顿到雷丁79公里地下电缆的连接情况,并依靠稳定的共振激光环路。结果发现,电缆附近的振动,即使是路面的交通噪声,都可以在不知不觉中弯曲线路。而这能够微弱地缩短或延长光的行程距离,从而使共振光束略微偏离相位。

Marra已经习惯了这种背景噪音。但是当他从2016年10月回顾数据时,他看到的不只是平均噪音量。事实证明,这一情况的原因是该月下旬意大利中部发生5.9级和6.5级地震的局部影响。“这相当明显。” Marra说,他意识到这种噪音可能暗示了地震探测的新方法。

Marra想知道这项技术是否可以推广到海洋,那里的环境可能更安静。他和同事用一条连接意大利马耳他和西西里岛的96公里长的海底电缆,探测到地中海发生的一场3.4级地震。但他们无法对其定位。他说,通过从电缆两端发射激光,科学家可以探测到不同相位信号在传输时间上的差异,这将揭示地震最初在哪里引起了电缆中断。Marra说,如果有3根或更多的电缆以这种方式安装,就可以把地震在地壳中的确切位置分成三角测量。

美国新墨西哥州洛斯阿拉莫斯国家实验室地震学家Charlotte Rowe表示,通过填满海底的“地震沙漠”,并显示海底地震发生的地点以及频率,这种方法可以“照亮”新的断层结构,以及构造板块碰撞或断裂的区域。她说,如果光信号强度能显示地震的规模,它还可以帮助建立海啸预警系统。

Rowe认为,除了绘制地震地图,电缆网络还可以锐化地球内部图像。像计算机断层扫描中的X射线一样,大地震的地震波携带着其穿过的岩石密度的线索。利用多个传感器接收到的交叉波,地震学家可以构建出地幔对流的3D图像,在这些图像中,热羽流向上延伸,冷构造板块向地核俯冲。海底电缆的数据可以填补这些地震扫描的盲点。但是Rowe说,研究人员必须更好地解读电缆信号,才能利用这些信号探测地球深处的秘密。

Marra认为,这项新技术足够灵敏,能够跨越数千公里宽的海洋盆地。需要增加一个小型激光器和光学设备柜,电缆每端的成本约为5万美元,还要接入普通电缆数百个频道中的一个。佛罗里达州斯图尔特市海洋专家公司网络开发主管Stephen Lentz说,租用一个跨太平洋电缆的专用信道每年要花费约10万美元。“坦率地说,电缆所有者可以捐赠服务并注销税款。共享未使用的波长几乎不需要任何代价。”

“这很重要。”夏威夷大学物理海洋学家Bruce Howe说。Howe团队致力于探索如何每隔50至100公里将这些地震、压力和温度传感器安装到新海洋电缆上。

虽然,每个附加传感器的价格约为20万美元,但这比独立的海底探测器便宜。新技术提供了一种更便宜、更少干扰的方式聆听海底。Howe称这些结果“很有趣”,并表示其团队主张进行更长时间的测试。“它绝对值得研究。”

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