研究人员希望将埋设在加利福尼亚州旧金山湾区地下、绵延数英里的光纤网络，改造成一组地震探测传感器。
光纤是细如发丝的纯玻璃丝。它们通常捆扎在一起制成光缆，通过将电子信号转换为光信号，在长距离上传输数据信号，为家庭和企业提供高速互联网和高清视频。
斯坦福大学地球、能源与环境科学学院地球物理学教授比昂多·比昂迪希望将这一密集网络改造成一座成本低廉的“十亿传感器”观测站，用于持续监测和研究地震。
过去一年，比昂迪及其团队证明，可以将受到扰动的光纤丝的抖动转化为有关地震事件方向和震级的信息。
研究人员一直在记录这些地震抖动：他们使用名为激光询问仪的仪器，在斯坦福大学校园地下一段长三英里的环形光纤上进行记录。该仪器由OptaSense公司提供；该公司也是相关研究论文的共同作者。
比昂迪说：“我们可以利用为电信用途铺设的现有光纤，持续聆听地球，而且能听得很清楚。”
目前，研究人员使用地震仪监测地震。地震仪比拟议中的电信光纤阵列更灵敏，但覆盖范围有限，而且安装和维护可能既困难又昂贵，在城市地区尤其如此。
相比之下，比昂迪提出的这类地震观测站运营成本相对较低。比昂迪说：“我们网络中的每一米光纤都能充当传感器，安装成本不到一美元。要达到这样的覆盖范围、密度和价格，传统地震仪永远无法组成这样的网络。”
这样的网络将使科学家能够更详细地研究地震，尤其是较小的地震，并比目前更快地确定震源。传感器覆盖范围扩大，还能提高对地震动地面响应的测量分辨率。
比昂迪实验室的研究生艾琳·马丁说：“土木工程师可以利用‘十亿传感器’阵列了解到的建筑物和桥梁对小地震的响应情况，设计出能够承受更强烈震动的建筑物。”
比昂迪并非第一个想到利用光纤监测环境的人。一种名为分布式声学传感（DAS）的技术，已经用于监测石油和天然气行业管道及油井的运行状况。
马丁说：“DAS的工作原理是，光沿光纤传播时会遇到玻璃中的各种杂质，并发生反射。如果光纤完全静止，‘背向散射’信号看起来就始终一样。但如果光纤某些部分开始拉伸——原因可能是振动或应变——信号就会改变。”
然而，以往实施这类声学传感时，必须将光纤牢固地固定在表面上，或包裹在水泥中，成本很高，目的是尽可能增加光纤与地面的接触，并确保数据质量最高。相比之下，比昂迪在斯坦福大学开展的项目——称为光纤地震观测站——使用的是电信公司采用的同类光纤。这些光纤未固定在任何结构上，而是自由地铺设在中空塑料管道内。
马丁说：“人们不相信这能行。他们总认为，未耦合的光纤会产生太多信号噪声，无法发挥作用。”
然而，自光纤地震观测站于2016年9月开始运行以来，它已记录并编目了800多起事件，范围从人为活动和几乎感觉不到的本地小地震，到强烈致命的灾难，例如最近发生在2000多英里外墨西哥的地震。在一项特别能说明问题的实验中，地下阵列捕捉到了两场本地小地震的信号，其震级分别为1.6和1.8。
比昂迪说：“正如预期的那样，两场地震的震源相同，因此波形或模式也相同，但较大地震的振幅更大。这表明，光纤地震观测站能够正确区分不同震级的地震。”
至关重要的是，该阵列还探测并区分了两种在地球内部传播的不同波，即P波和S波。马丁说：“我们的目标之一是为地震预警系统作出贡献。为此必须能够探测P波。P波通常比S波破坏性小，但到达时间早得多。”
比昂迪说，光纤地震观测站只是建立覆盖整个湾区的地震网络的第一步，还有许多障碍需要克服，例如证明该阵列能够在全市范围内运行。
