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地下光纤成为科学家预测地震的利器

导读: Biondo Biondi是一个在斯坦福大学地球物理学教授,研究能源与环境科学,他设想通过密集的网络形成一个十亿级传感器观测台,不断监测和分析地震。

Biondo Biondi是一个在斯坦福大学地球物理学教授,研究能源与环境科学,他设想通过密集的网络形成一个十亿级传感器观测台,不断监测和分析地震。

在过去的一年中,Biondi的小组已经证明,它是能够从扰动光纤丝预测地震发生的大小和方向信息。研究人员已经在一个光纤环路三英里的斯坦福大学校园安装在仪器。

数千英里的地下光纤穿过加利福尼亚的旧金山湾地区,为企业和家庭提供高速互联网和高清视频。研究人员使用的地震仪监测地震,虽然电信阵列更敏感,但其覆盖稀疏,而且十分昂贵的,安装和维护具有较大挑战,特别是在城市地区。

相比之下,像Biondi建议的那样的地震观测站运行起来相对来说比较便宜。Biondi说:“我们网络中的每一米光纤都像一个传感器,安装起来花费不到1美元。你永远不可能用常规地震仪创造一个这样密度的覆盖网络”。

这样一个网络将使科学家能够更好地分析地震,尤其是小地震,并能更迅速地查明其来源。更大的传感器覆盖范围也能更好地测量地面对震动的响应。

科学家利用地下光纤做地震预测

Biondi实验室的研究生Eileen Martin说:“土木工程师们可以从这些建筑物和桥梁对数十亿传感器阵列中的小地震作出反应,并利用这些信息来设计能够承受更大震动的建筑物”。

从反向散射到信号

光纤是纯玻璃的线束,大约是人的头发粗细。它们通常被捆绑在一起形成电缆,通过将电子信号转换成光,远距离传输数据信号。

Biondi不是第一个用光纤来研究环境的人,一种称为分布式声学传感(DAS)的技术已经应用于监测石油和天然气管道的健康状况。

马丁说,DAS的工作原理是当光沿着纤维传播时,它会碰到玻璃中的各种杂质并反弹回来。如果纤维是完全静止的,那么“后向散射”信号看起来总是一样的。但是如果纤维在某些区域开始拉伸,由于振动或应变,信号就会发生变化。

较早的实现这种声波传感,但需要昂贵的光纤被贴到一个表面或包裹在水泥增加与地面的接触,最大限度的保证数据质量。相比之下,Biondi在斯坦福大学的项目——光纤地震观测台——使用的是与电信公司一样的光纤,它们是在中空塑料管道内无担保和自由浮动的。

也许很多要并不相信,但由于光纤地震观测在斯坦福开始运作于2016年9月,它记录和分类超过800事件,从小到人为事件和几乎感觉不到当地地震,像最近的地震袭击了超过2000英里远的墨西哥致命的灾难。在一个实验地下阵列记录的信号从两个地方小地震1.6和1.8级。Biondi说:“正如预期的那样,两次地震都有相同的波形或模式,因为它们起源于同一地点,但更大地震的振幅更大”。

该阵列探测区分了两种不同类型的波,它们通过地球传播,称为P波和S波。“我们的目标之一是为早期地震预警系统作出贡献,这将需要有检测P波的能力,而这种波通常对S波的破坏性较小,但到达的时间要早得多”马丁说。斯坦福大学的光纤地震观测台只是开发湾区广域地震台网的主要步骤,Biondi说,如显示该阵列可以在城市范围内发挥作用,仍有许多障碍需要克服。

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