在传统地震学中，研究人员研究地震发生前、发生时和发生后地面的运动，需要依靠价值数万美元的地下传感器进行安装。由于费用高昂且耗费人力，加州偏远地区仅安装了少量地震传感器，这使得人们难以了解未来地震以及发生在未确定断层上的小型地震的影响。.
如今，美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室（伯克利实验室）的研究人员发现了一种克服这些障碍的方法：他们将能源部能源科学网络（ESnet）拥有的近13000英里长的“暗光纤”测试平台的部分光纤改造成高灵敏度的地震活动传感器，这有望提升目前正在美国西部地区开发的地震预警系统的性能。这项研究首次将大型区域网络用作地震传感器，其详细内容已于本周发表在《自然·科学报告》上。.
利用暗光纤革新地震学。
据领导这项研究的伯克利实验室地球与环境科学领域的科学家乔纳森·阿霍-富兰克林（Jonathan Ajo-Franklin）介绍，全球约有1000万公里的光纤电缆，其中约10%是暗光纤——这是互联网泡沫时期电信公司争相铺设庞大地下电缆网络以满足新兴行业需求的遗留产物。然而，随着数据传输技术的进步，对电缆的需求减少，留下了大量没有光信号的暗光纤，等待着被重新利用。
阿霍-富兰克林团队多年来一直在进行此类实验。在2017年的一项研究中，他们在加利福尼亚州里士满的一个浅沟中铺设了一条光纤电缆，并证明一种名为分布式声波传感（DAS）的新型传感技术可用于对浅层地下进行成像。DAS是一种通过沿光纤发射短激光脉冲来测量地震波场的技术。在后续研究中，他们和一组合作者首次证明，光纤电缆可以用作传感器来探测地震。
由伯克利实验室的乔纳森·阿霍-富兰克林（Jonathan Ajo-Franklin）领导的研究团队，在全长13000英里的ESnet暗光纤ESB网络（从加州西萨克拉门托延伸至伍德兰）中一段20英里长的线路上进行了实验。（图片来源：阿霍-富兰克林/伯克利实验室）
本次研究采用了相同的DAS技术，但研究人员没有部署自己的光纤电缆，而是在全长近21000公里的ESnet暗光纤测试平台（同样从加州西萨克拉门托延伸至伍德兰）中一段32公里长的线路上进行了实验。“为了进一步验证我们2017年的研究结果，我们知道必须在实际的暗光纤网络上进行DAS测试，”阿霍-富兰克林说道，他同时也是伯克利实验室地球物理系主任。
“当乔纳森告诉我可以使用我们的暗光纤测试平台时，我甚至不知道还可以把网络用作传感器，”ESnet 执行主任兼伯克利实验室科学网络部主任因德·蒙加 (Inder Monga) 说。“以前没有人做过这项工作。但其潜力巨大，所以我说，‘当然，我们来做！’”
ESnet 的克里斯·特雷西 (Chris Tracy) 与研究人员密切合作，制定了部署的后勤方案。电信公司 CenturyLink 提供了光纤安装信息。
由于 ESnet 测试平台具有区域覆盖范围，研究人员能够比以往的研究更详细地监测地震活动和环境噪声。
“ESnet 暗光纤测试平台的覆盖范围使我们能够以比传统传感器网络更高的分辨率和更大的尺度获得地下图像，”论文合著者、阿霍-富兰克林实验室的博士后研究员维罗妮卡·罗德里格斯·特里巴尔多斯 (Veronica Rodriguez Tribaldos) 说。 “传统的地震监测网络通常只使用几十个传感器，彼此间隔几公里来覆盖如此大的区域，但借助ESnet测试平台和分布式声波传感系统（DAS），我们以两米的间距排列了10000个传感器。这意味着只需一根光纤电缆，就可以收集数月内非常详细的土壤结构信息。”
深入挖掘地下数据：
伯克利实验室的研究人员将分布式声波传感（DAS）技术与暗光纤相结合，成功探测到从加州伯克利到吉尔罗伊，再到墨西哥恰帕斯州的本地和远距离地震。
在利用ESnet暗光纤测试平台进行DAS数据采集七个月后，研究人员展示了使用商用光纤的诸多优势。“这项技术只需监听40分钟，就能同时完成大约10项不同的任务。我们不仅能够捕捉到远距离地震产生的极低频波，还能捕捉到附近车辆产生的高频波，”Ajo-Franklin说道。这项技术使研究人员能够区分行驶中的汽车或火车与地震，并探测到从伯克利到吉尔罗伊和墨西哥恰帕斯州的本地和远距离地震。她补充说，这项技术还可以用于表征土壤质量、提供含水层信息，并应用于岩土工程研究。
罗德里格斯·特里巴尔多斯表示，凭借如此精细的地下图像，这项技术有望用于土壤特性的延时研究。例如，在环境监测领域，该工具可用于探测地下水、永久冻土融化或与滑坡灾害相关的水文变化等长期变化。
这项研究的发现还表明，研究人员或许不再需要在数据质量和成本之间做出选择。“手机传感器价格低廉，可以告诉我们附近何时发生大地震，但它们无法记录地球的细微震动，”该研究的合著者、加州大学伯克利分校研究生内特·林赛（Nate Lindsey）说道，他曾领导2017年研究的实地考察和地震分析工作。“在这项研究中，我们证明，价格低廉的光纤能够以惊人的质量捕捉到这些微小的地面运动。”.
这项研究收集了300TB的原始数据，研究人员面临的挑战是如何有效地管理和处理海量的地震信息。Ajo-Franklin表示，他希望有朝一日能够建立一个地震数据门户，将ESnet作为传感器和数据传输机制，并由伯克利实验室的超级计算设施NERSC（国家能源研究科学计算中心）负责长期数据分析和存储。Monga补充
说，尽管暗光纤测试平台即将为下一代ESnet（称为“ESnet 6”）启用，但其中可能有一些部分可以用于地震学研究。“ESnet是一个致力于研究的跨大西洋网络，它竟然可以作为地震传感器，这完全出乎我们的意料，但这与我们的使命完美契合，”他说。“在ESnet，我们希望能够打破地域限制，促进科学发现。”
该研究由实验室主导的研究与发展基金资助，此前的研究工作得到了美国国防部战略环境防御研究计划 (SERDP) 的支持。ESnet
是美国能源部科学办公室的用户设施，是一个高性能的非密级网络，旨在支持科学研究。它由伯克利实验室运营。
