光速地震学光纤通信电缆如何提供阿尔卑斯断层的特写视图

新西兰奥特亚罗瓦经常发生地震，包括2010年和2011年袭击基督城以及2018年在凯库拉附近发生的破坏性地震。

在南岛，最大的地震危险是600公里的高山断层，它贯穿南阿尔卑斯山的长度，定义了澳大利亚和太平洋构造板块之间的边界。

艰苦的地质研究表明，它大约每7年产生一次非常大的(8-300级)地震 - 最近一次是在1717年。科学家估计，未来75年发生大型阿尔卑斯断层地震的可能性为50%。地震大于8级的几率为82%。

尽管过去阿尔卑斯断层地震的古地震记录质量无与伦比，但下一次大地震将毫无征兆地到来。

为了应对这一事件，地球科学家正在努力了解阿尔卑斯断层在破裂前是如何加载的，以及断层的特征如何影响破裂的传播和由此产生的地面震动。

这项工作的一个组成部分是确定阿尔卑斯断层的几何形状和内部结构，其尺度比使用相距数十公里的传统地震仪可以研究的要精细得多。

在西南地区海岸附近的一个偏远小社区哈斯特(Haast)进行的一项新实验正在使用称为分布式声学传感(DAS)的技术。DAS 是一种快速兴起的传感技术，可将电信光纤电缆转换为数千个密集间隔的地面运动传感器。

Haast DAS实验是澳大利亚国立大学和惠灵顿维多利亚大学Te Herenga Waka的地球物理学家之间的跨塔斯曼合作。这是首次跨越主要的活跃板块边界断层，为在预期的大地震之前研究阿尔卑斯断层的内部结构提供了前所未有的机会。

今年2月底至5月初，我们使用计算机控制的激光系统(称为询问器)对阿尔卑斯断层进行了地震测量，该系统连接到Chorus安装的电信电缆内未使用的(“暗”)光纤上，以提供整个南岛的宽带连接。电信电缆穿过哈斯特以东的阿尔卑斯断层。

光纤地震学

解调仪发出的光脉冲在沿光纤传播时会散射，并与玻璃中的原子级缺陷相互作用。其中一些散射光沿着光纤向后传播到询问器。

由通过的地震波引起的光纤振动调制了这种散射，可以通过记录散射光脉冲来检测。

我们一直在使用的询问器每秒在 7250 个位置中的每个位置进行一千次测量，沿哈斯特山口高速公路相距 1 米。这会产生惊人的数据量：每分钟大约 1Gb 的新数据，或每天 <>TB 的数据。

在哈斯特记录的振动包括附近地震(其中大部分太小而人类无法察觉)以及新西兰和更远地区发生的其他较大地震产生的信号。例如，5月中旬，我们记录了新喀里多尼亚附近发生的几次大地震，其中最大的一次引发了太平洋海啸警报。

整个阿尔卑斯断层的DAS测量密度为研究断层内部结构提供了一种全新的方法。从不同方向到达哈斯特并振动纤维的地震波以影响波本身的方式与阿尔卑斯断层相互作用。

下面的DAS记录显示了两次小地震(2级和3级)，发生在哈斯特以南约30秒。

大数据提供详细信息

通过大幅增加传感器的有效数量，DAS提供了一个新的镜头，用于研究冰川结构、火山响应岩浆运动的膨胀和收缩、海浪与深海海底的相互作用以及地下水开采对地面沉降的影响等各种过程。

地球物理界面临的一个新挑战是学习如何最好地存储、共享、处理和分析大量 DAS 数据。正在开发高性能计算和人工智能技术(AI)并适应这些数据，以使研究人员能够识别和区分不同来源的信号。

例如，在哈斯特，地震学家最感兴趣的地震记录穿插着高速公路交通产生的噪音。能够分离出这两种类型的信息是一项非常适合人工智能的任务。在未来，人工智能可能会帮助梳理DAS数据，以检测大气和地下过程产生的无法识别的信号。

DAS记录了距离哈斯特约7公里的Kermadecs的M2000地震，部分被当地交通信号(对角线)遮挡。图片来源：Meghan S. Miller、John Townend 和 Voon Hui Lai，CC BY-ND。

DAS 在利用现有电信基础设施以及人工智能和信号处理的快速发展获取实时、高分辨率的过程测量方面具有巨大的前景。

在哈斯特，它正在为下一次大地震前的高山断层提供根本性的新见解，为支撑社区准备和复原力的科学分析提供信息。