Biondo Biondi是一個在斯坦福大學(xué)地球物理學(xué)教授，研究能源與環(huán)境科學(xué)，他設(shè)想通過密集的網(wǎng)絡(luò)形成一個十億級傳感器觀測臺，不斷監(jiān)測和分析地震。

在過去的一年中，Biondi的小組已經(jīng)證明，它是能夠從擾動光纖絲預(yù)測地震發(fā)生的大小和方向信息。研究人員已經(jīng)在一個光纖環(huán)路三英里的斯坦福大學(xué)校園安裝在儀器。

數(shù)千英里的地下光纖穿過加利福尼亞的舊金山灣地區(qū)，為企業(yè)和家庭提供高速互聯(lián)網(wǎng)和高清視頻。研究人員使用的地震儀監(jiān)測地震，雖然電信陣列更敏感，但其覆蓋稀疏，而且十分昂貴的，安裝和維護(hù)具有較大挑戰(zhàn)，特別是在城市地區(qū)。

相比之下，像Biondi建議的那樣的地震觀測站運(yùn)行起來相對來說比較便宜。Biondi說：“我們網(wǎng)絡(luò)中的每一米光纖都像一個傳感器，安裝起來花費(fèi)不到1美元。你永遠(yuǎn)不可能用常規(guī)地震儀創(chuàng)造一個這樣密度的覆蓋網(wǎng)絡(luò)”。

這樣一個網(wǎng)絡(luò)將使科學(xué)家能夠更好地分析地震，尤其是小地震，并能更迅速地查明其來源。更大的傳感器覆蓋范圍也能更好地測量地面對震動的響應(yīng)。

Biondi實(shí)驗(yàn)室的研究生Eileen Martin說：“土木工程師們可以從這些建筑物和橋梁對數(shù)十億傳感器陣列中的小地震作出反應(yīng)，并利用這些信息來設(shè)計(jì)能夠承受更大震動的建筑物”。

從反向散射到信號

光纖是純玻璃的線束，大約是人的頭發(fā)粗細(xì)。它們通常被捆綁在一起形成電纜，通過將電子信號轉(zhuǎn)換成光，遠(yuǎn)距離傳輸數(shù)據(jù)信號。

Biondi不是第一個用光纖來研究環(huán)境的人，一種稱為分布式聲學(xué)傳感（DAS）的技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于監(jiān)測石油和天然氣管道的健康狀況。

馬丁說，DAS的工作原理是當(dāng)光沿著纖維傳播時，它會碰到玻璃中的各種雜質(zhì)并反彈回來。如果纖維是完全靜止的，那么“后向散射”信號看起來總是一樣的。但是如果纖維在某些區(qū)域開始拉伸，由于振動或應(yīng)變，信號就會發(fā)生變化。

較早的實(shí)現(xiàn)這種聲波傳感，但需要昂貴的光纖被貼到一個表面或包裹在水泥增加與地面的接觸，最大限度的保證數(shù)據(jù)質(zhì)量。相比之下，Biondi在斯坦福大學(xué)的項(xiàng)目——光纖地震觀測臺——使用的是與電信公司一樣的光纖，它們是在中空塑料管道內(nèi)無擔(dān)保和自由浮動的。

也許很多要并不相信，但由于光纖地震觀測在斯坦福開始運(yùn)作于2016年9月，它記錄和分類超過800事件，從小到人為事件和幾乎感覺不到當(dāng)?shù)氐卣穑褡罱牡卣鹨u擊了超過2000英里遠(yuǎn)的墨西哥致命的災(zāi)難。在一個實(shí)驗(yàn)地下陣列記錄的信號從兩個地方小地震1.6和1.8級。Biondi說：“正如預(yù)期的那樣，兩次地震都有相同的波形或模式，因?yàn)樗鼈兤鹪从谕坏攸c(diǎn)，但更大地震的振幅更大”。

該陣列探測區(qū)分了兩種不同類型的波，它們通過地球傳播，稱為P波和S波。“我們的目標(biāo)之一是為早期地震預(yù)警系統(tǒng)作出貢獻(xiàn)，這將需要有檢測P波的能力，而這種波通常對S波的破壞性較小，但到達(dá)的時間要早得多”馬丁說。斯坦福大學(xué)的光纖地震觀測臺只是開發(fā)灣區(qū)廣域地震臺網(wǎng)的主要步驟，Biondi說，如顯示該陣列可以在城市范圍內(nèi)發(fā)揮作用，仍有許多障礙需要克服。