深圳神经元成像光纤方案（又一海量数据源）

深圳神经元成像光纤方案（又一海量数据源）到了21世纪，科学家们开始将这项技术应用于科研。2015年，德国地球科学研究中心（GFZ Potsdam）的科学家们利用连接冰岛两座地热发电厂的15公里长光缆上未使用的光纤，做出了一项开创性的努力。菲利普·朱塞特（Philippe Jousset）和他的同事不仅能够探测到遥远的地震，而且还能够通过测量电缆小弯曲两侧地震波到达时间的差异来定位破裂源。与许多突破性的科学技术一样，光纤传感也起源于美国的军事研究。从20世纪80年代开始，海军在舰艇后面拖曳光缆来感应敌方潜艇的动向，这也是该技术有时仍被称为分布式声传感（DAS）的原因之一。到20世纪末，石油和天然气行业开始使用光纤铺设管道和钻孔。技术人员使用后向散射激光来寻找剧烈的温度变化——这是油井或管道破裂的迹象。此外，在矿业生产中，压裂技术也在使用光纤来监测岩石破裂和高压注水所引起的微震动。研究人员还利用现有电信光缆中未使用的暗光纤来接收来自

互联网时代，世界被笼罩在一张光纤织就的网络之中。这张网联通着我们生活中的社区公共设施、交通系统、摄像监控系统等，将各类信息源源不断地送到我们身边。近几年，光纤又被发现了新用途。地球科学家使用光纤成功探测到了冰川、雪崩、火山等地壳运动的隐藏机制。而在此过程中，人们发现，光纤本身就是一种既廉价又好用的传感器。

光纤传感的原理并不复杂。光缆固定了一束束比发丝还细的玻璃纤维来传输用光编码的信息。纤维中随机取向的小缺陷（defect）就像散射光的微镜，标出了相应的反应。其原理和雷达类似。

在对地震监测的研究中，科学家通过设置特殊装置——“询问器”来记录光纤的反应。研究人员向未使用的光纤发射一个激光脉冲，并记录沿着光缆缺陷反射回来的模式。当外部压力波穿过一段光纤时，无论是地震还是脚步声，它都会拉伸并挤压缺陷。该部分的反射呈现纳米级位移，导致反弹光发生相移。通过每秒发射数千个脉冲，研究人员可以建立一幅地震波沿光纤传播100公里乃至更长距离的图像。

与传统的、相隔数公里设置的地震仪不同，光纤相当于在传输线上每隔一两米就设置一个检波仪。这种密度加上光纤的低成本和坚固性，使得在冰川、火山、永冻层和地震断层带等这些“高难度”点位上铺设地震传感器成为可能。

研究人员还利用现有电信光缆中未使用的暗光纤来接收来自脚步和汽车等微弱来源的振动。斯坦福大学地球物理学家比昂多·比昂迪（Biondo Biondi）说：“光纤颠覆了地震传感器传统的技术路径。因为它便宜，而且到处都可以买到。”

分布式声传感系统的“地球-海洋-大气-空间”概念模型

图源：Landrø et al. (2021). Sensing whales storms ships and earthquakes using an Arctic fibre-optic cable. Earth and Space Science Open Archive 39.

与许多突破性的科学技术一样，光纤传感也起源于美国的军事研究。从20世纪80年代开始，海军在舰艇后面拖曳光缆来感应敌方潜艇的动向，这也是该技术有时仍被称为分布式声传感（DAS）的原因之一。到20世纪末，石油和天然气行业开始使用光纤铺设管道和钻孔。技术人员使用后向散射激光来寻找剧烈的温度变化——这是油井或管道破裂的迹象。此外，在矿业生产中，压裂技术也在使用光纤来监测岩石破裂和高压注水所引起的微震动。

到了21世纪，科学家们开始将这项技术应用于科研。2015年，德国地球科学研究中心（GFZ Potsdam）的科学家们利用连接冰岛两座地热发电厂的15公里长光缆上未使用的光纤，做出了一项开创性的努力。菲利普·朱塞特（Philippe Jousset）和他的同事不仅能够探测到遥远的地震，而且还能够通过测量电缆小弯曲两侧地震波到达时间的差异来定位破裂源。

2018年，光纤监测地震获得了首次成功。当时，蒙特利湾水族馆研究所在加利福尼亚海岸外运行着一根光缆，连接着海底仪器。在仪器维护关闭期间，莱斯大学地球物理学家乔纳森·阿霍·富兰克林（Jonathan Ajo-Franklin）团队设置了“询问器”，并意外地检测到当时袭击加利福尼亚州的一次小地震。更有趣的是，当地震波到达时，还带来了一项“额外收获”——检测到在距离海岸10公里的光缆下存在这一个以前未知的断层带。这一发现表明，光纤可以探测出未知的地震威胁。

苏黎世联邦理工学院（ETH Zürich）地震学家安德烈亚斯·费希特纳（Andreas Fichtner）常年研究地球深处的“脉动”。在光纤成功应用的案例中，他看到了潜在的范式转变，决定将研究目标锁定在传统地震仪无法企及的偏远寒冷环境。

首个研究从瑞士阿尔卑斯山的罗恩冰川（Rhône Glacier）开始。在全球气候变暖的影响下，那里15平方公里的冰正在消退。2019年，费希特纳的团队在靠近冰川前部的地方铺设了一条长达一公里的三角形光缆，然后盖上冰雪，将其保留一周。尽管时间很短，但光纤仍能够准确捕捉到了一系列快速运动，这些运动可以追溯到以前只在冰盖偶发的冰震，而不是较小的冰川。三角形光缆将地震源头追溯到同一个滑动带，这表明冰川构造与地震断层带非常相似。这改变了以往研究中对于冰川移动的理解。

接下来是雪崩。研究人员在瑞士西南部的辛恩谷雪崩试验场布设了“询问器”，让光缆沿着积雪覆盖的山脉向上延伸。当人工雪崩触发后，积雪沿着斜坡轰鸣而下，光纤探测到了气流中的内部结构，包括由密集流动核心中的不稳定性产生的波浪。

几次实验都成功了，研究小组将目光转向了冰岛最大、最危险的火山之一——格里姆斯火山（Grímsvötn）。该火山埋在冰盖下，仅由一个地震台监测。它上一次喷发是在2011年，一共持续了4天。炽热的岩浆在冰盖上炸了一个洞，喷出了大量火山灰，导致使数百架跨大西洋的航班停飞。随着全球气候变暖，火山上的冰盖融化速度加剧，这可能会让火山更容易再次喷发。

图源：JACQUELYN SMALE

研究小组在火山口的冰雪中埋下一条12公里长、绕过火山口的光缆。通过对“询问器”运行数月的数据显示：火山口10公里范围内区域共发生了1800次小地震，是传统地震仪观测到次数的10倍以上。

光纤还传回了一种比火山地震更平稳的“嗡嗡”声。研究人员猜测，这是300米厚的冰盖在震动中产生的共振。这有可能是冰层厚度变化的信号，或者是火山活动加剧的警告。

费希特纳并不是唯一关注冰冻地区的人。2016年，富兰克林带领一个团队前往阿拉斯加费尔班克斯（Fairbanks），研究光纤是否能够监测冻土层——这些冰冻的土地里有着保存完好的、来自远古的有机物，而这些有机物正受到北极气候变化的威胁。

研究团队在一个军事研究基地铺设了一条纵横交错的4公里长的光缆。100多个小型加热器对光缆周围的土壤进行加热，来让土壤解冻，同时用不停晃动的设备在地表引起振动。结果显示，光纤确实可以检测到融化：融水显著降低了地震波的速度。这项将于今年发表的研究提出了利用暗光纤和环境地震波追踪永久冻土融化的可能性，将被用于预测随着北极持续变暖，冻土融化将产生多少碳排放。

现在我们回到地震研究上。两年前，加利福尼亚洛杉矶以北180公里处的里奇克莱斯特（Ridgecrest）地区发生里氏7.1级地震，这是20年来加州发生的最强烈地震。当时，加州理工学院的地震学家詹仲文（Zhongwen Zhan）正在通过部署光纤阵列来检测和分析地震。他和团队用暗光纤连接了四个“询问器”，其中一个延伸到镇下8公里的地方。在短短几天内，该团队就布设了相当于数千个地震传感器的设备。

在传统的地震灾害图上，里奇克莱斯特是一个单一的像素，整片区域连绵一处，具有相同的风险等级。然而这次地震中，光纤阵列捕捉到的余震显示了该像素内的剧烈变化：城镇一侧的震动强度是另一侧的三倍。由于强度较高的那一侧地质更为松散，这对于居住在这一侧的居民是一种未知的风险。

在未来，科学家希望光纤阵列集成到永久性地震网络中，持续监测地震易发地区并生成预警。这些光纤在偏远地区和海上等运维成本高的地区尤其有用。去年，研究人员利用新一代“询问器”创造了DAS长度的新纪录，该询问器在距离世界最北端的斯瓦尔巴特岛120公里处的光缆上检测到了振动。

不仅仅是地壳运动，研究人员还从海洋光缆中收集到了来自风暴、船只运输、鲸鱼叫声等、海洋温度变化产生的震动，这些未来都将是很有用的研究数据。

光纤甚至可以用来研究空气运动。宾夕法尼亚州立大学地球物理学家朱铁元（Tieyuan Zhu）团队通过设在学校的一个小阵列来展示如何捕捉和定位雷电。他们还可以通过光纤来区分倾盆大雨和阵风。他说，光纤很容易“听”到飓风过境时，雨水渗入岩石风化层的声音。因为团队“看到了一个漂亮的信号变化”。

当然，光纤也有它的缺点：产生的数据量惊人。过去，地震学家可以从分散的、低密度分布的仪器中收集数据，然后在笔记本电脑上进行处理。然而，一根光纤上数千个不同的传感器可以在几天内收集数百TB的数据。这样庞大的数据处理工作给科学家带来了新挑战。目前，许多实验室已经开始着手通过开发人工智能算法，有效地筛选数据并进行分析，以便更高效地开展相关研究。

参考文献：

Landrø M. Bouffaut L. Kriesell H. J. Potter J. R. Rørstadbotnen R. A. Taweesintananon K. . . . Storvik F. (2021). Sensing whales storms ships and earthquakes using an Arctic fibre-optic cable. Earth and Space Science Open Archive 39. doi:10.1002/essoar.10507855.1

Arantza Ugalde Carlos Becerril Antonio Villaseñor César R. Ranero María R. Fernández‐Ruiz Sonia Martin‐Lopez Miguel González‐Herráez Hugo F. Martins; Noise Levels and Signals Observed on Submarine Fibers in the Canary Islands Using DAS. Seismological Research Letters 2021; doi: https://doi.org/10.1785/0220210049