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海底光纤地球物理学研究
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摘要：占地表面积70%的海洋是地球内部结构和震源研究的空区。美国加州理工学院詹中文等利用现有海底通信光缆，在不添加新设备、不影响正常光纤通讯的情况下，发展了探测地震和海浪运动的新方法。该方法的提出有望填补海洋地球物理观测的空缺，推动建立更经济、更广泛的全球海底地球物理监测网，助力地球物理学和海洋学学科发展。占地表面积70%的海洋是地球物理观测的难点和空白区。海洋地球物理观测的缺失不仅很大程度上限制了我们对海底地震和地球内部结构的认知，也给地震和海啸预警工作带来极大困难。目前，海底地震和海啸预警主要依赖于漂浮式水听器和海底地震仪的观测记录。而漂浮式水听器和海底地震仪价格昂贵，维护困难，难以密集布设，制约了海底地震和海啸预警研究的发展。美国加州理工学院地震实验室助理教授詹中文联合谷歌光纤通信专家在《Science》发表研究论文，创新性地提出了基于光偏振原理将跨洋通信光缆“转化”为地震仪的方法。这一方法无需增设仪器，不影响光纤正常通讯，不涉及通讯隐私，仅利用通讯公司已有的光纤偏振状态记录即可实现全天候地震、海啸监测，为海底地震研究和海啸预警提供了全新的思路，成为光纤地震学前沿研究领域的新突破。3月3日，詹中文博士受邀参加我所“地球科学前沿论坛”，以“海底光纤地球物理研究：学科交叉与融合”为题做了线上学术报告。该报告受到国内外学者广泛关注，观众人数峰值达到500人上限。1.光纤地震学发展现状
/ s* p2 ~2 Q# ~& b8 q& e" \- R! K 光纤地震学是一门新兴的地震学分支。近年来，通过将细如发丝的通讯光纤改造为一系列地震传感器，光纤地震学已成功应用于海洋地球物理观测，引起了国际地学界的广泛关注。在詹中文等的新方法提出之前，光纤地震学主要依赖于两项主流技术，即分布式光纤声学传感（Distributed Acoustic Sensing, DAS; Zhan, 2019）和超稳定激光干涉（Ultrastable Laser Interferometry, ULI; Marra et al., 2018）。
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分布式光纤声学传感（DAS）技术通过在通讯光缆一端增置调制解调器，输入激光信号并接收光纤内部瑕点反向散射信号，利用Rayleigh反向散射干涉获取沿光纤的应变或应变率，从而将通讯光纤改造为一系列地震仪（Sladen et al., 2019; Zhan, 2019）。相比于传统地震仪数公里到数十公里的空间采样率，DAS的空间采样率可达1-10m，并且兼具实时传输功能（Wang et al., 2020）。DAS方法已成功应用于大陆和大洋不同构造域，实现了地震波、海洋波浪、海洋表面重力波和海洋微震动等的检测和分离，浅层结构的探测和成像，对地震学和海洋科学研究有重要意义（Williams et al., 2019；Sladen et al., 2019；Spica et al., 2020）。尽管DAS方法具有较高的灵敏度和分辨率，但受限于激光源，目前仅可将<100 km的光缆转变为地震仪。因此，无法将其应用于洲际海底长拖通讯光缆。
/ ^# a: ^! M6 Z: n1 G 超稳定激光干涉技术（ULI）通过干涉分析测量飞秒级（10-15 s）激光时延，能监测数千公里光纤中微米级长度变化，将洲际海底长拖通讯光缆转变为地震仪（Marra et al., 2018）。尽管ULI技术能够提高观测覆盖性，但该技术记录到的信号是长达数千公里光纤整体震动的积分效应，即数千公里光纤仅相当于一台应变仪。此外，ULI技术需要在海底通讯光缆一端增置成本较高的超稳定激光光源，并且占用通讯带宽，存在国家安全和通讯隐私方面的潜在隐患。
) w6 p) i3 l; y( [$ X! J& y 因此，虽然DAS和ULI技术的成功开发使利用海底通讯光缆的海洋地球物理探测取得了重要进展，但仍难以实现在探测精度、分辨率、覆盖范围、适用性等方面均有效的全方位探测。光纤地震学的发展任重道远。
2. 基于光纤偏振实现利用跨洋光缆监测地震、海啸
. j& x C$ q8 [$ B b 综合考虑光纤地震学两种主流技术的优缺点，詹中文等开创性地提出基于光纤偏振状态记录实现地球物理监测的新思路，成功利用海底上万公里的通讯光缆监测海底地震和海浪运动（图1; Zhan et al., 2021）。光纤偏振状态可用两个相互独立的Stocks参数来表示，并在Poincaré球上直观显示（图2）。当光纤没有受到扰动时，光纤输入端和输出端光信号偏振状态稳定（图2A）；当光纤受外部扰动影响时（如地震、海底生物活动等），输出端光信号偏振状态随时间改变（图2C）。实际处理中，将实测偏振状态旋转至Poincaré球北极（图2D），以减小长期偏振状态漂移效应。
% E" E9 w' |' C* D6 K3 ]/ F 图1 旧金山—智利居里光缆(红线)沿线构造背景和地震活动性
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现代光纤通讯通常采用多路复用技术提高数据传输效率。外部扰动会改变光纤信号偏振状态，进而造成多道信号互扰。因此，通讯公司在专用集成电路中设置自适应数字均衡器以对信号偏振状态进行恢复。在大多数商业光学相干应答器中，可以获取几十赫兹采样率的偏振状态数据。詹中文等提出的方法正是利用通讯公司的这些常规光纤偏振记录，无需增设仪器、不影响光纤正常通讯、不涉及通讯隐私，就可实现大尺度海洋地球物理探测。
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图2 （A）常规输出信号偏振状态；（B）海底光缆地球物理观测示意图；（C）震间输出信号偏振状态；（D）旋转后的偏振状态
8 w8 e0 N& I0 @: o9 M 该研究使用的是Google公司的居里光缆偏振状态数据。这条海底光缆连接加州洛杉矶和智利瓦尔帕莱索，全长10500 km。在2019年12月至2020年9月的9个月时间中，成功监测到9个中高强度地震（Mw5.0+），以及1个恰好位于光纤之下的Mw4.4地震。居里光缆的偏振状态异常记录与相近震中距陆上地震台站记录具有较好的波形一致性（图3G），但光纤偏振状态异常持续时间约20分钟，远长于陆上地震台站～5分钟的波形记录（图3A）。詹中文等推测，光纤偏振状态反映数千公里光缆整体震动积分效应，导致近震段与远震段震相记录时间域混叠（如P波、S波混叠），因此光缆整体震动时间更长。9个月观测时间内，居里光缆记录到的最大地震为墨西哥Oaxaca Mw7.4地震。该地震频谱最强能量集中于～0.2 Hz（图3B），可能与光缆本身或水波有关，但具体物理机制尚不清楚。秘鲁 Mw6.8中深源地震在0.8-3 Hz频段P波、S波震相可明显分辨（图3D），并在该频段观测到未知波包（主频～0.5 Hz），可能是海底地形起伏或海底不均匀性形成的Scholte波或水声波。
/ z% V! I ^$ @6 r: N) `' Z 图3 墨西哥Mw7.4地震引起的光纤偏振状态异常（A）及其频谱分析（B）和功率谱密度分析（C）；秘鲁Mw6.8地震引起的光纤偏振状态异常（D-E）及其频谱分析（F）；墨西哥Mw6.1地震光纤偏振状态异常记录与陆上地震记录的对比（G）；UNM和TLIG为陆上地震台站名
$ ~9 R6 {, I' W% v; [. P 光纤偏振状态方法不仅可以监测地震，而且有望用于海啸预警。在上述研究时段，研究区域未发生大规模海啸，但海底光缆记录到了远海风暴涌浪的信号。如图4所示，在第一类地脉动（Primary Microseism）频带（～0.06 Hz）每隔几天出现涌浪能量，并且能量持续几天。在尚未发表的研究中，同样清楚地看到了南太平洋风暴引起的涌浪信号。这一特征与近岸地震台站记录到的涌浪第一类地脉动和第二类地脉动（Secondary Microseism）频谱特征一致（图4）。但海底光缆仅可观测到第一类地脉动，难以识别第二类地脉动。由此推测偏振状态弥散波包由海底压力扰动产生，而非沿海底传播的地震波产生，因此这一信号可用于海底压强测量。海啸和远海涌浪振幅相似，而且海啸波长更长，随深度衰减更小。基于这些特征，该项技术有望用于外海海啸波动监测，提升海啸预警能力。
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偏振状态法无需增置仪器，不占用通讯频带，不涉及通讯隐私，通过通讯公司日常光纤偏振状态记录即可实现地震、海啸的跨海光缆监测，具有较高的适用性。然而，偏振状态法获得的是整条光缆扰动的积分记录（如，Marra et al., 2018），空间分辨率较低，无法确定震源位置。通过多条光缆联测则可以估算发震位置，在一定程度上克服上述缺陷。尽管如此，该方法显著提高了海域地球物理观测覆盖性，在地震学和海洋科学中具有广阔的应用前景。
图4 涌浪偏振状态监测。（A）偏振状态频谱；（B-C）近岸台站地震记录频谱3.总结和展望
" x; A! P4 Y# F- G: y- s0 @" r 光纤地震学是地球物理学的前沿和热点，在地震和海洋科学研究领域具有较大潜力。目前几种光纤地震学技术均兼具优势与不足：分布式声学传感技术信号敏感性和空间分辨率较高，但有效光缆覆盖性差。超稳定激光干涉技术有效光缆覆盖性和信号敏感性较高，但空间分辨率和适用性不足。偏振状态分析方法兼具较高的适用性和有效光缆覆盖性，但空间分辨率不足，且信号敏感性较差。因此，综合不同光纤地震学技术各自优势，弥补各自缺陷，联合观测，方可解决海域地下结构、海底地震监测、海啸预警等地震学和海洋科学难题。当然，光纤地震学新方法不断发展，特别是加强与大型通讯公司合作，将有助于相关分析技术的长足进步，进一步推动海底地震和海啸预警研究。
主要参考文献Marra G, Clivati C, Luckett R, et al. Ultrastable laser interferometry for earthquake detection with terrestrial and submarine cables. Science, 2018, 361(6401): 486–490.Sladen A, Rivet D, Ampuero J P, et al. Distributed sensing of earthquakes and ocean-solid Earth interactions on seafloor telecom cables. Nature Communications, 2019, 10: 5777.Spica Z J, Nishida K, Akuhara T, et al. Marine Sediment Characterized by Ocean-Bottom Fiber-Optic Seismology. Geophysical Research Letters, 2020, 47(16): e2020GL088360.Wang X, Williams E F, Karrenbach M, et al. Rose parade seismology: Signatures of floats and bands on optical fiber. Seismological Research Letters, 2020, 91(4): 2395–2398.Williams E F, Fernández-Ruiz M R, Magalhaes R, et al. Distributed sensing of microseisms and teleseisms with submarine dark fibers. Nature Communications, 2019, 10: 5778.Zhan Z. Distributed acoustic sensing turns fiber-optic cables into sensitive seismic antennas. Seismological Research Letters, 2019, 91(1): 1–15.Zhan Z, Cantono M, Kamalov V, et al. Optical polarization–based seismic and water wave sensing on transoceanic cables. Science, 2021, 371(6532): 931-936.
4 i! D& h$ G/ Q （报告：詹中文/加州理工学院；撰稿：冯铭业/岩石圈室，王新/地星室，陈凌/岩石圈室）
6 x# N W4 t" ]; l. E$ m; t5 p6 a 校对：陶琴
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