给地球做“CT”，通信光缆也能监测地震

近日，从武汉光迅科技股份有限公司获悉，由该公司自主研发的光纤传感单元陆续监测到近10次地震信号，探测结果与中国地震台网正式测定时间完全一致。这意味着光迅科技为地震监测提供的新方案有望为地震监测乃至地震预警赋能。

光迅科技产品业务部副总经理喻杰奎介绍，研发光纤传感单元起初是为了应用于轨道交通检测、电力线缆检修等领域。研发团队去年赴四川出差时偶遇地震，萌生了运用该设备监测地震的想法，这与当前国内外地震监测预报领域开展的前沿研究不谋而合。喻杰奎说，传统地震监测和预警技术，需依赖精心校准、精准部署且价格昂贵的地震仪，难以实现大批量、高密度部署。

光纤传感单元的核心元件是高性能激光器和高精度检测模块，可无损加装在现有光纤网络上，精准捕捉光纤受到外力影响后光信号频率、振幅发生的细微变化。辅以人工智能算法，即可判定是否发生地震以及哪里发生地震，“光纤传感单元创新应用光速测量技术，通过获取每米光纤声波振动数据以监测地震活动。”喻杰奎介绍，光纤传感定位精度达米级，可将现有百千米级的普通通信光缆变成上万个振动传感器；而数百万千米纵横交错的光缆网络利用该技术，则相当于密集部署了数十万个传感器网络，这将大大提高地震监测效率，降低监测成本，对提高地震应对能力具有重要意义。正如喻杰奎所说，用通信光纤光缆监测地震，确属当前国内外地震监测预报领域的热门前沿。

今年6月，密集地震台阵壳幔结构探测新技术与新应用研讨会暨第六届密集台阵学术会议在南方科技大学举行。会议明确指出，随着分布式光纤等密集地震台阵观测手段的发展和大数据人工智能技术的革新，地震学的发展迎来了全新机遇。而在2021年末，由中国科学院长春光学精密机械与物理研究所、中国科学报社主办的中国光学领域十大社会影响力事件发布，其重磅之一，就是“我国学者利用通信光纤网络实现大地震后的快速响应”。

该发布指出，传统区域和全球永久地震台网的空间覆盖不足以提供高分辨率的余震监测，而现有传统地震仪在观测密度、响应速度、实时传输等方面无法兼顾，在震后快速响应上具有较大的局限。如何在震后快速布设密集的地震观测网，是震后监测和救灾的核心难题之一。中国科学技术大学（下称“中科大”）李泽峰特任研究员与合作者一道，利用分布式光纤阵列（DAS）与其他传统的地震监测技术相结合，极大地提高大地震后快速响应系统的能力，为大震后救灾提供重要的技术支持。

就在发布当年，中国地震局已在院内新铺设了600多米环形光纤。光纤接入了中科大和中国地震局团队合作自主研制的DAS和DTS（分布式光纤温度监测）系统，相当于布置了1600个振动和温度传感器开展观测试验。

2021年，中科大研制出具有自主知识产权的DAS系统，可利用现有通信光缆进行地震监测和地下空间探测等工作。其技术原理是利用光时域反射技术进行定位。光的瑞利散射对光纤的折射率、长度等变化极其敏感。当光纤受到扰动时，瑞利散射光的强度和相位会发生变化。因此，探测并解调瑞利散射光可获得外界振动信息。

中科大地球和空间科学学院教授王宝善介绍，这套设备的三大关键点，是专用激光光源、高灵敏探测系统和高保真解调系统。DAS设备能够将40km长的光缆变成数万个地震传感器，设备监测频率范围为10毫赫兹至20千赫兹，定位精度为3.5m。“光纤与传统地震仪的灵敏度相当，能够感知各种振动信号；但超高密度观测使得光纤具有更高的监测能力”，王宝善说。

2021年6月，DAS设备部署在合肥紫蓬山进行连续观测，成功测到宣城2.7级地震、菲律宾6.6级地震、台湾省宜兰县5.8级地震等。在地震局内铺设光纤后，DAS系统记录到10月15日内蒙古赤峰4.7级地震波形数据，与传统短周期地震仪观测一致性良好。

中科大合肥微尺度物质科学国家研究中心教授陈旸介绍，分布式光纤传感系统可以监测温度、应变和振动，拓展传统方式无法或难以监测的区域。

国外也高度关注DAS技术的发展。

2017年，斯坦福大学发表研究报告，称“广泛的地震检测网络已经可以存在于我们的脚下——承载高速互联网的光缆”。

斯坦福大学按照数字8的形状安装了三英里（4.8km）光纤，配有激光询问器用于记录运动。据称，斯坦福大学设置的该光纤地震观测台在其运行第一年能够记录800多个事件。这包括来自附近采石场的爆炸声、小型地震，甚至是距离斯坦福大学约2000英里（3220km）的墨西哥中部8.2级地震事件。

同样，地震观测站也能够分辨出横波（S波）和纵波（P波）之间的差异，以不同速度记录地震的冲击波。P波通常比S波早得多，但力度较弱，因此检测它们是有效预警系统的关键。

到了2020年，谷歌通过检测沿一根海底光缆发送的光脉冲的畸变，成功接收了附近的地震信号。相关论文发表在《Science》期刊上，论文指出，除了在全球范围内发送数据的主要工作之外，这些海缆有一天可能会在海啸肆虐时向岸上的人们发送预警。

论文还称，目前用于检测地震的几乎所有传感器都在陆地上，因此这些海缆可能会填补科学家观察地震活动能力的巨大空白。这种新颖的方法甚至不需要在横穿海底的超过一百万km的光缆的现有网络上安装任何新设备。

2022年10月20日，日本《每日新闻》刊登题为《地震观测“从点到线”，精确度提高》的报道。报道称，由东京大学地震研究所教授篠原等人组成的研究团队使用日本三陆海岸附近的海底地震和海啸观测系统，比较了现有地震仪收集的数据和利用光纤收集的DAS观测数据。结果显示，DAS观测手段能够以高精度观测到许多地震，包括1.8级的微地震和约2300km外的6级地震。

日本东北大学教授西村太志等人组成研究团队，利用沿着日本活火山吾妻山（位于福岛县和山形县交界处）附近道路铺设的普通光纤，对火山和地震进行了DAS观测。先到的纵波（P波）和随后而来的横波（S波）被清晰地捕捉到。DAS观测手段比现有的地震仪更准确地锁定了震源。

报道同时提出，在光纤内，散射的光最多只能返回约100km；还有，如何在进行DAS观测的同时兼顾常规通信？

篠原认为，通过将测量仪器放入耐压容器并沉入海底，可以进一步扩大观测网规模。至于兼顾常规通信的问题，可以通过按光的波长分配用途或使用备用光纤来解决。

中科大王宝善教授团队也表示，与传统地震仪相比，通信光缆记录的信噪仍然偏低，但是单分布式光纤观测具有密度高、性能稳定、应用灵活等优点，可以为复杂（如城市、矿区）和极端条件（如海底、深井）下的地震观测，以及地下水位和城市交通监控提供新的选择。随着高速互联网和城市化的不断发展,通信光缆的覆盖范围和密度都将大大增加，这为DAS技术提供了更广阔的应用空间。