光纖感測地震

地球科學

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。

撰文／撰文／霍爾（Shannon Hall）
2020-04

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。.....