在20世纪90年代，美国在地下安装了大量的光缆，但是由于近十年来，数据传输方面的巨大突破减少了对所有这些光缆的需求。因此，这些没有被实际用于数据传输的光缆被称为“暗光纤”(Dark Fiber)。目前，美国西海岸地震多发地区的研究小组正在将暗光纤电缆用作地震监测的传感器阵列。

　　美国劳伦斯伯克利国家实验室(Berkeley Lab)和斯坦福大学(Stanford University)的科学家们已经证明，暗光纤网络可以用来感知地震、地下水的存在、永久冻土层的变化以及各种其他的地下活动。

　　斯坦福大学的研究人员通过监测安装在斯坦福大学校园下的现有电信通道中的3英里环状光纤记录了800多次地震。由伯克利实验室进行的一项平行对照研究，利用加利福尼亚州里士满和阿拉斯加州费尔班克斯安装的两条光纤网络，使用Silixa公司提供的激光问答机获取类似的数据集。两个研究小组一起工作，并比较了实验结果，研究论文已发表于Geophysical Research Letters。研究小组声称，正在加州的中央谷地和莫哈韦沙漠进行的实验是与其他几个机构合作进行的。

　　地图展示了光纤地震台的一部分：位于斯坦福大学校园下方的三英里8字形光纤的位置。照片来源：Stamen Design/维多利亚和阿尔伯特博物馆。

　　两个研究小组报告的地震监测结果与使用分布式声学传感(DAS)的传统地震仪所获得的结果几乎相同，这种技术通过在光纤上拍摄极短的激光脉冲来测量地震波场。光纤中的微小杂质将导致激光散射。如果光纤是静止的，反向散射信号保持不变。但是如果光纤在某些区域开始拉伸，信号将由于振动或应变而发生改变。

　　伯克利实验室的研究员Jonathan Ajo-Franklin声称：“当光纤变形时，我们将看到反向散射光线中的畸变，并且从这些畸变中，我们能够测量光纤本身是如何被挤压或拉伸的。”

　　Ajo-Franklin在接受采访时说：“我们对分布式声学传感感兴趣的原因是因为在劳伦斯伯克利国家实验室的相关技术研究中，使用光纤来测量分布式温度传感。我们使用DTS来监测难以测量的深井。由于我是地震学家，因此当DAS开始开发时，我们立即使用了这项技术来帮助仪器井进行地震测量。”

　　“油气井使用传统的传感器例如地震检波器是很困难的。包覆完好的光纤是非常坚固的，完全能够应付这些环境，因此DAS技术对钻孔地球物理学意义很大。”伯克利实验室和斯坦福大学的研究小组进行了两项有关使用DAS进行地震传感的研究。

　　使用DAS进行近地表地震监测

　　在发表于“Scientific Reports”最近一篇文章中记录的第一项研究中，研究小组利用DAS记录的环境噪声证明了该技术进行近地表地震监测的有效性。研究结果表明，作为一种低成本的密集阵列，DAS可能有助于建立更智能的系统来监测地球的近地表情况。

　　来自伯克利实验室的研究员Shan Dou表示：“我们的想法是，通过使用可以长时间埋藏在地下的光纤，将交通噪声或其他环境振动转化为可用的地震信号，这可以帮助我们监测诸如永久冻土融化和地下水位波动等近地表变化。”

　　左起分别是伯克利实验室研究团队的Shan Dou、Jonathan Ajo-Franklin和Nate Lindsey，他们使用光缆来探测地震和其他地下活动。图片来源：伯克利实验室。

　　使用DAS和暗光纤进行地震监测

　　在一项后续研究中，伯克利实验室和斯坦福大学的研究人员展示了使用光纤电缆进行地震检测的可行性。

　　使用DAS，两个团队在加利福尼亚的两处地点(包括斯坦福大学校园)和阿拉斯加的一个地方对光纤阵列分别进行了独立测量。在这三种情况下，尽管DAS的噪声水平较高，但DAS被证明对地震与常规地震仪一样敏感。使用DAS阵列，伯克利实验室和斯坦福大学的研究小组汇集了一个本地区域和远距离地震的目录，并展示了如何利用最新的处理技术来利用DAS的许多通道，以更好地了解地震的产生地点。

　　据研究人员介绍，与传统地震仪相比，使用DAS的地震记录方法的成本相对便宜。斯坦福大学地球物理学教授Biondo Biondi表示：“我们所使用网络中的每一段光纤就像一个传感器，安装成本不到一美元。常规地震仪无法具有这种覆盖范围和密度和以如此低的价格来建立一个监测网络。”

　　斯坦福大学光纤地震观测台于2016年9月开始运行以来，已经记录了800多场不同类型的活动，从人类活动到墨西哥在2017年的地震等活动。在一次特别的实验中，地下光纤阵列甚至还监测到两次1.6和1.8级的小型地震信号。

　　Biondi表示：“正如我们所料，两次小型地震都有相同的波形或模式，因为它们起源于同一地点，但是较大地震的振幅也较大。这表明光纤地震台可以正确区分不同震级。”该阵列还能够区分两种不同类型的地震波，它们通过地表传播，被称为P波和S波。

　　光纤地震观测站成功监测到了2017年9月8日袭击中墨西哥的8.2级地震。

　　斯坦福研究生Eileen Martin表示：“我们的目标之一是为早期地震预警系统做出贡献。这将需要检测P波的能力，P波一般比S波的损害小，但产生的更早。”

　　暗光纤的优点

　　伯克利分校的Ajo-Franklin表示，暗光纤可以进行密集的空间采样，因为数据点只有数米之遥，而传统的地震仪之间通常隔开数公里。传统地震仪的安装和维护费用十分昂贵，但是暗光纤能够安装在任何地方，包括海底地区。

　　研究人员认为，光纤的一端需要物理接入，以便有一个激光脉冲可以输入的地方。但是其余的光纤可以放置在任何地方，例如在深井中、在海底或在混凝土块内。加州大学伯克利分校研究生Nate Lindsey表示：“光纤对地震监测、定位和早期预警有很大的作用。光纤在洋底中铺设，并且遍布整个地区，所以这种技术增加了地震发生时传感器破裂的可能性，这意味着对地震位置的预警以及增加额外预警时间。”

　　监测海底暗光纤的主要挑战是DAS可以不受距离的限制。每个应答器可以根据技术的具体情况“感知”附近10到50公里的情况，海底电缆的铺设能够达到数千公里。伯克利实验室和斯坦福大学所做的工作是在旧金山湾地区开发全市地震网络的第一步。

　　该研究已发表在Scientific Reports、Geophysical Research Letters和Leading Edge。这项研究也将在2017年12月11日至15日举行的美国地球物理联盟秋季会议上进行介绍。研究人员将进行两场报告，分别是：“暗光纤和分布式声学传感：监测地震活动和近地表特性的应用”以及“斯坦福大学地震研究中心的地震记录光纤在现有电信管道中的阵列。”

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