什么在发抖？海底电缆的地震探测

用海底电缆探测地震有可能吗？我们认为可能是。最近使用我们的一条海底光缆进行的一项实验表明，它可以用于全球的地震和海啸预警系统。

使用光纤进行传感应用有着悠久的传统。但是，虽然这些技术中的大多数在100公里的距离内都是有效的，但我们已经开发出了一种可以在数万公里以上工作的技术。虽然以前的方法需要特殊的传感光纤和特殊设备，但我们利用现有的光纤来探测海底的干扰。更好的是，我们的技术依赖于世界上绝大多数现有光纤系统上存在的设备，因此它具有广泛的适用性。

光缆沿着海底连接着遥远的大陆，互联网的大部分国际流量都是通过这些光缆传输的。谷歌的全球海底电缆网络使得以光速在世界各地共享、搜索、发送和接收信息成为可能。这些电缆是使用光纤建造的，光纤将数据作为光脉冲以每秒204,190公里的速度传输。脉冲光在电缆上传输数千公里时会遇到失真。在接收端，检测光脉冲，并通过数字信号处理对失真进行校正。作为光传输的一部分被跟踪的光的属性之一是偏振状态(SOP)。SOP响应于电缆沿线的机械干扰而变化，跟踪这些干扰使我们能够检测到地震活动。

2013年，我们研究了如何使用SOP数据来更好地了解陆基地面电缆检测到的偏差，但周围环境中的典型因素造成了太多干扰，无法检测地震信号，因此我们没有进一步推进该项目。然后，在2018年，科学家发表了一篇关于他们在陆地和海底链路上探测地震的早期成功的论文，使用窄带超稳激光研究了相位变化。但他们使用的链路很短(陆上不到535公里，海底不到96公里)，而且在相对较浅的水域(约200米深)，限制了这一想法的实际应用。要想发挥作用，他们需要在海底更深、距离更远的链路上进行试验。

我们怀着极大的兴趣阅读了这篇论文，并开始思考如何使用海底电缆来帮助检测地震数据。去年10月，我们有了一个想法：我们可以基于频谱特征来检测地震-对斯托克斯参数进行频谱分析，以查看地震的典型频率。

2019年末，我们开始在一些全球海底电缆上监测SOP。在最初的现场试验中，我们观察到SOP非常稳定，即使在信号经过10,500公里之后也是如此。海底基本上是一个安静的地方。

事实上，几个星期以来，海底可能太安静了，没有显示出预示着地震的SOP变化。然后，2020年1月28日，我们在牙买加附近检测到7.7级地震-距离我们其中一条电缆的最近点1500公里！SOP随时间的曲线图显示，地震发生约5分钟后，时间戳上有一个明显的尖峰，与地震波从牙买加到电缆的传播时间相关，尖峰的持续时间约为10分钟。

我们与加州理工大学地震实验室的詹忠文博士分享了我们的结果，他证实了我们的观察结果，并对不同类型地震波的旅行时间和SOP偏移的预期频率范围提供了更多的见解。

在牙买加地震之后的几个月里，我们还检测到了多次中等规模的地震，包括距离较短和较长的地震。2020年3月22日，东太平洋隆起(位于太平洋海底的大洋中脊，距离我们的一条电缆约2000公里)发生6.1级地震。我们观察到了清晰的SOP活动，其时间与墨西哥特拉帕地震监测站的观测结果一致，后者位于类似的距离。然后，在3月28日，智利瓦尔帕莱索附近的海岸发生了4.5级地震，距离我们的一条电缆最近点只有30公里。该事件产生了明显但短暂的SOP活动峰值--持续时间短很可能是因为在这一相对较小的事件中，电缆沿线的振动强度迅速衰减。

我们为利用海底电缆探测地震事件的早期成功感到兴奋，这可以提高我们观察地球结构和地震动力学的能力。但这只是个开始。

例如，通过分析我们的数据，詹博士向我们展示了，我们不仅可以检测到来自构造板块的地震，而且我们还可以检测到海洋本身的压力变化，这可以帮助预测海啸。这特别令人兴奋，因为今天，大多数海啸探测设备要么在岸上，要么散布在海洋中。前者没有给沿海社区足够的时间疏散，后者受到行波速度的限制-深海波的最高时速为800公里。另一方面，当电缆在地震震中附近铺设时，以光速传输数据的海啸预警系统可以在几毫秒内向潜在受影响的社区传达警报。

此外，我们的方法依赖于当今光纤网络上广泛使用的技术。数百万公里的光纤网络已经覆盖全球，由政府、电信供应商和我们这样的技术公司运营。通过与全球海底电缆社区合作，我们可能能够提高世界探测和研究世界各地地震活动的能力。

当然，这只是第一次演示，不是一个有效的系统，还有很多工作要做。首先，科学家需要更好地理解监测SOP将产生的复杂数据的洪流。地震数据是出了名的复杂-不同类型的地震产生的波形看起来彼此非常不同，这些形状根据震级、位置等变量的不同而变化很大。要创建一个强大的地震监测系统，研究人员需要先进的数学和数据分析，而像谷歌云这样的先进计算系统可以发挥重要作用。假以时日，科学家们可能会决定这是一项机器学习的工作，机器学习擅长以超出人脑能力的方式理解大数据集。

我们认为这种方法不是取代专用的地震传感器，而是作为补充信息的来源，以便能够对地震和海啸进行早期预警。我们对与光学、海底和地震研究团体合作利用我们所有的电缆基础设施以获得更大社会效益的可能性感到谦卑和兴奋。