深海地震如何觀測?透過「背向散射」,美國科學家將海底光纜變成地震儀

環太平洋火山帶是地球地震最頻繁的地區,觀測地震是當地國家的重要任務,除了陸地板塊,海洋板塊也是引發地震的重要因素,但是在海底設置地震儀的成本很高,因此人類的地震研究大多集中在陸地,海底地層活動是人類地震研究中的「缺口」。

然而,美國 UC Berkeley 大學的團隊研究出了新技術:透過海底光纜的光線變化量測地震,不僅準確度高,成本也很低,有助於人類解開海底地震的面紗。

Berkeley 將該研究發表在《Science》期刊上。

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海底地震儀設置限制多,人類對海洋地層活動的研究極少

人類目前使用地震儀量測地震,然而這些儀器大多設置在陸地上,雖然也有海底地震儀,但他們有相當多的條件限制,例如水壓限制海底地震儀的設置深度;儀器體積小容易設置,但也限制電池續航力與記憶體容量;一台海底地震儀造價數十到數百萬,經費高昂,還要定期打撈維護,維運成本高。

因此相較於陸地,人類在海洋設置的地震儀數量極少。以台灣為例,陸地上的地震測站超過 700 個,但海底的地震監控設施卻不到陸地的 10%。海洋占了全球約 70% 的面積,但人類對這 70% 的地震研究卻極度缺乏。

藉由觀測海底光纜的「背向散射」,科學家得以觀測海底地震

然而,近期 Berkeley 的教授找到全新的地震觀測方式:海底光纜。人類透過海底光纜進行大流量的資料傳輸,而光纜移動會導致光線散射或扭曲;Berkeley 的研究團隊藉由觀測「背向散射」(backscatter)的現象,推算出光纜的扭曲程度,精確度可高達奈米等級。研究團隊藉此量測地震活動。

這個技術稱為分布式聲學感測(Distributed Acoustic Sensing),觀測者在光纜的節點上裝設感測器,光纜就成為一系列的運動感測器,藉此觀測地層的變化。

科學家藉由海底光纜,觀測到規模 3.5 的地震。圖片來源:Berkeley 新聞稿

在 Berkeley 的實驗中,根據上圖顯示,舊金山外海有一段 51 公里長的海底光纜,科學家在其中的 20 公里設置感測器,將它切分成 1 萬個小段,如同 1 萬個運動感測器,觀測海底的地層活動。在 4 天的測試中,科學家測得位於 Gilroy 45 公里以外,規模 3.5 的地震,並找到未知的斷層地帶(圖中黃色圓圈處)。

Berkeley 的發言人表示,這個技術的好處,是研究者不需要在整段海底光纜設置儀器,只需要在端點設置即可,因此建置成本很低。

Berkeley 的感測器,建置在 891 公尺深的 Monterey Bay 海底。圖片來源:Berkeley 新聞稿

終極目標:使用全長 1000 萬公里的光纜,進行全球性的地震觀測

然而,這項技術還是有限制,並不是所有的海底光纜都有足夠大的裸露端,可以讓科學家裝設儀器觀測;此外,觀測儀器之間也會互相干擾,研究團隊仍在尋找解決方式。

研究團隊的終極目標,是使用全球約 1000 萬公里長的光纜來觀測地層變化,以取得廣泛的地震資料。參與研究的 Ajo-Franklin 教授表示,現有的地震測站準確度高,缺點是密度過低,用光纜觀測的話,可以提升觀測陣列的密度,也能測得更多的海洋地層活動數據,幫助人類了解地質構造。

雖然該技術仍在研究,但它有望成為地震研究的新方式。反觀台灣,台灣位於地震帶,四面環海,每年也投注大量經費在海底地層研究;但台灣位於東亞島弧中心,海底光纜密度高,是台灣的優勢。或許台灣可以考慮研究該技術,藉由海底光纜,獲得更多的海底地層活動數據,解析台灣地層狀況,幫助政府、科研單位防範地震危害。

參考資料來源:
1.《UC Berkeley》:〈Underwater telecom cables make superb seismic network
2.《Science》:〈Illuminating Earth’s faults
3.《TechCrunch》:〈Scientists turn undersea fiber optic cables into seismographs
(本文提供合作夥伴轉載。首圖來源:Needpix CC Licensed)

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