地震监测激光：保护全球通信电缆的未来应用？

2023-06-20 14:47

复杂的地球海底之下，不仅蕴含着丰富的海洋生物资源，同时也悄然构建起了一张横跨全球的电缆通信巨型网络。不过，地震和海啸有可能会对这些重要的电缆造成无形的破坏。目前，地球表面70％以上都是水——这无疑给监测地震活动的科学家带来了挑战。

然而，电缆本身提供了一种利用激光监测地震活动的潜在新技术。最近，Geo－Ocean的研究人员及其合作者就在《地球与行星科学快报》上发表了一项研究，他们使用了一种名为布里渊光学时域反射仪（BOTDR）的激光技术，能够近乎实时地监测和诊断这些电缆结构的“健康状况”。

通常而言，这种技术会被用于监测大型工程项目，如水坝和桥梁。而在海底环境中实施这项技术，对非常容易受损的电缆而言，意味着终于有了一种可以及时识别并进行维修的新型“诊断”方案。

科学家们使用远程操作的部署了一根6公里长的电缆来测量海平面以下2100米的应变。为了测量西西里岛卡塔尼亚海岸的地震活动，它被连接在一个巨大的29公里长的光纤电缆上。这包括发射激光（在两小时内由数十万个脉冲组成）穿过光纤电缆的一端，并检测光从缺陷处散射的点，突出显示了电缆以某种方式变形的区域。

从2020年10月开始的21个月里，他们发现电缆的长度平均增加了2．5厘米，这是由于电缆穿过海底North Alfeo Fault断层张力引起的变形。

该地区容易发生走滑断层（两个构造板块交错滑动移位），尽管研究剖面经历了西西里岛东北部爱奥尼亚海下方一个狭窄板块的俯冲作用，并导致从穿过断层的点开始，两个方向的应变达到500米。

在进一步的测试中，上述科学团队沿着电缆每隔120米放置了79个沙袋，每个重25公斤，当电缆沉入下面的软沉积物时，沙袋被拉伸了4厘米。重要的是，这种拉伸不仅局限于沙袋投放的区域，而且实际上影响了两倍的间隔长度。这是一个重要的发现，因为通信电缆埋在重物下，例如由于断层运动期间移动的块体或沉积物滑坡，强烈的底流或浑浊流（水－沉积物混合物以每秒20米的速度快速流下斜坡），会严重影响通信电缆的承受这种张力和保持其完整性的能力。

尽管如此，也有积极的一面——因为电缆的弹性特性意味着一些应变随着时间的推移而消散；因此，电缆有一定的潜力来“纠正”损坏，因此不太可能完全断裂。

研究中的意大利地区过去曾经历过毁灭性的地震：比如1693年的地震，仅在卡塔尼亚就造成1．2万人死亡；时间上更近的1908年地震（在卡塔尼亚所在的卡拉布里亚弧线地区），多达8．2万人不幸丧生。激光技术的新用途，可能意味着可以在地震发生之前识别地震活动，从而有时间制定策略，来减轻对生命、基础设施和通信的损害。