不按說(shuō)明書(shū)使用通信光纖，北大校友的突發(fā)奇想登上Science

通信光纖不僅可以用來(lái)通訊，還能用來(lái)給地球聽(tīng)診，讓人類(lèi)精確了解火山地下活動(dòng)的自然現(xiàn)象。中國(guó)小伙的一個(gè)突發(fā)奇想終讓火山活動(dòng)頻繁的小國(guó)冰島購(gòu)入一套“黑科技”，自此預(yù)警火山噴發(fā)不再失手。

撰文 | 路飛

在神秘而危險(xiǎn)的火山世界里，巖漿就像隱藏在地下的巨獸，時(shí)刻牽動(dòng)著人類(lèi)的心弦。長(zhǎng)久以來(lái)，地質(zhì)學(xué)家們都渴望能深入了解火山內(nèi)部的奧秘，尤其是巖漿的運(yùn)輸動(dòng)態(tài)和巖脈侵入過(guò)程。

2025年4月24日，一篇關(guān)于火山噴發(fā)監(jiān)測(cè)與預(yù)警的研究登上Science。論文第一作者、北京大學(xué)校友、時(shí)任加州理工學(xué)院地震實(shí)驗(yàn)室的博士后李嘉軒（現(xiàn)為休斯敦大學(xué)助理教授），利用新興的分布式聲學(xué)傳感（DAS）技術(shù)，通過(guò)改造通信光纖，實(shí)現(xiàn)了對(duì)火山地下活動(dòng)的分鐘級(jí)高精度監(jiān)測(cè)。這是業(yè)內(nèi)首次利用DAS技術(shù)觀(guān)測(cè)自然現(xiàn)象中的測(cè)量信號(hào)，此次成功嘗試，為火山監(jiān)測(cè)和災(zāi)害評(píng)估提供了關(guān)鍵依據(jù)。

論文正文 | 圖源：Science

地球深部的狂暴脈動(dòng)

作為深刻塑造地球生態(tài)格局的自然力量，火山活動(dòng)是始終高懸于人類(lèi)文明之上的達(dá)摩克利斯之劍。7萬(wàn)年前的多巴超級(jí)火山爆發(fā)，其噴發(fā)規(guī)模足以令早期智人種群瀕臨滅絕邊緣；兩個(gè)世紀(jì)前的坦博拉火山噴發(fā)，在奪去超7萬(wàn)人生命的同時(shí)，更觸發(fā)了著名的“無(wú)夏之年”氣候異象，改寫(xiě)了全球農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)版圖。這些地球深部的狂暴脈動(dòng)，不僅重塑著地質(zhì)結(jié)構(gòu)，更時(shí)常成為扭轉(zhuǎn)文明進(jìn)程的關(guān)鍵變量。

要想有效應(yīng)對(duì)火山噴發(fā)帶來(lái)的次生災(zāi)害，首先要進(jìn)行監(jiān)測(cè)?；鹕交顒?dòng)監(jiān)測(cè)主要分為以下幾個(gè)方面：一是地震監(jiān)測(cè)，通過(guò)地震儀記錄火山地區(qū)的地震活動(dòng)，分析地震頻率、強(qiáng)度、分布等特征，判斷火山內(nèi)部巖漿活動(dòng)情況。二是地面形變監(jiān)測(cè)，利用傾斜儀等設(shè)備監(jiān)測(cè)火山地表的形變，判斷巖漿上升對(duì)地表的影響。三是氣體監(jiān)測(cè)，通過(guò)紅外光譜儀、質(zhì)譜儀等設(shè)備監(jiān)測(cè)火山噴發(fā)前釋放的氣體成分和濃度，分析火山噴發(fā)的前兆。四是地下探測(cè)，利用地震波探測(cè)儀、地球物理探測(cè)儀等設(shè)備探測(cè)火山內(nèi)部結(jié)構(gòu)及巖漿活動(dòng)情況，判斷火山噴發(fā)的可能性。

在監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上，只有做好火山噴發(fā)預(yù)警工作，才能將損失降到最低。研究人員瞄上了一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)，即火山噴發(fā)的關(guān)鍵前兆——巖漿侵入，巖漿在地下巖層中開(kāi)辟通道會(huì)伴隨著地殼的微小變形，如拉伸、壓縮等。如果能夠精準(zhǔn)捕捉到這個(gè)指標(biāo)的變化，并歸納總結(jié)出規(guī)律，就能在火山噴發(fā)來(lái)臨時(shí)進(jìn)行預(yù)警。

然而傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)技術(shù)如同“霧里看花”，存在時(shí)間分辨率不足和空間覆蓋稀疏兩個(gè)難題，難以捕捉巖漿侵入的細(xì)微動(dòng)態(tài)。

例如，全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）需要24小時(shí)數(shù)據(jù)平均才能達(dá)到毫米級(jí)精度，合成孔徑雷達(dá)（InSAR）雖能覆蓋大面積地表變形，卻受衛(wèi)星重訪(fǎng)周期限制（通常3-6天），且易受天氣干擾。再如，傳統(tǒng)傳感器（如鉆孔應(yīng)變計(jì)）僅能單點(diǎn)監(jiān)測(cè)，無(wú)法勾勒巖漿運(yùn)移的三維軌跡。

如今，李嘉軒等人運(yùn)用了兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)方法，破除了傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)技術(shù)的局限性。一是利用低頻分布式聲學(xué)傳感（LFDAS）技術(shù)，將已有的通信光纜轉(zhuǎn)化為密集的應(yīng)變儀陣列。二是通過(guò)大地測(cè)量反演LFDAS應(yīng)變數(shù)據(jù)，結(jié)合建立的物理模型，對(duì)巖漿侵入過(guò)程進(jìn)行分析。

用通信光纖給火山做心電圖

2023年初的時(shí)候，李嘉軒正在加州理工學(xué)院地震實(shí)驗(yàn)室擔(dān)任博士后。

“在加州理工，你總能隨時(shí)找到一個(gè)可以和你討論問(wèn)題的人。”他回憶說(shuō)，“那時(shí)候我和同組的朱尉強(qiáng)博士聊天時(shí)提到，工業(yè)界其早就在用井下光纖記錄的低頻應(yīng)變信號(hào)，來(lái)監(jiān)測(cè)水力壓裂過(guò)程中的裂縫生長(zhǎng)。我們就很好奇，為什么科研領(lǐng)域還沒(méi)人嘗試用通信光纖來(lái)捕捉自然界中的這類(lèi)低頻應(yīng)變呢？從那以后，我就開(kāi)始特別關(guān)注DAS數(shù)據(jù)中的低頻成分，沒(méi)想到最后竟然用它來(lái)監(jiān)測(cè)火山噴發(fā)了（笑）?！?/p>

2023年11月，冰島Reykjanes半島的Svartsengi火山系統(tǒng)形成15公里長(zhǎng)的巖脈，火山入侵過(guò)程中產(chǎn)生的地震和形成的地塹導(dǎo)致Grindavík小鎮(zhèn)受災(zāi)，大量房屋損毀。

“當(dāng)時(shí)剛聽(tīng)說(shuō)冰島火山活動(dòng)升級(jí)。曾在谷歌工作的合作者就聯(lián)系我在加州理工的博后導(dǎo)師詹中文教授（現(xiàn)為加州理工學(xué)院地震實(shí)驗(yàn)室主任），有沒(méi)有興趣在冰島部署一個(gè)DAS來(lái)檢測(cè)火山活動(dòng)，這也成為我們?cè)诒鶏u開(kāi)展研究的契機(jī)?！?/p>

李嘉軒（左）與同事張順（右）在Grindavík小鎮(zhèn)進(jìn)行測(cè)量工作，左圖中粉色的線(xiàn)纜就包含這項(xiàng)工作中使用的光纖 | 李嘉軒供圖

2023年12月，詹中文帶領(lǐng)研究組的成員前往冰島，將一條沿著冰島海岸長(zhǎng)達(dá)100公里的通信光纖，改造成了靈敏度極高的DAS陣列。這項(xiàng)技術(shù)的核心，是讓看似普通的光纖具備“感知大地心跳”的能力。

光纖的主體是直徑僅125微米的玻璃纖維，內(nèi)部傳輸?shù)募す獬蔀椤皞刹毂?。?dāng)激光在光纖中傳播時(shí)，會(huì)因玻璃材質(zhì)的微小不均勻性產(chǎn)生瑞利散射,其中一部分光會(huì)沿傳播方向反向散射回來(lái)。當(dāng)光纖周?chē)牡貧ぐl(fā)生變形（如巖漿侵入導(dǎo)致的拉伸或壓縮），光纖會(huì)隨之產(chǎn)生微小應(yīng)變，這種應(yīng)變會(huì)改變散射光的相位和強(qiáng)度。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，激光就像一個(gè)邊走邊“喊話(huà)”的巡邏兵，遇到附近地殼變形時(shí)，“喊話(huà)”的回聲會(huì)攜帶地殼運(yùn)動(dòng)的信息返回，而DAS設(shè)備則是精準(zhǔn)的“監(jiān)聽(tīng)專(zhuān)家”，能捕捉到這些微弱的變化。

直接收集到的散射信號(hào)充滿(mǎn)噪聲，需要通過(guò)相位解調(diào)算法進(jìn)行處理。DAS設(shè)備利用“相干檢測(cè)”技術(shù)，對(duì)比發(fā)射激光與回傳散射光的相位差，計(jì)算出光纖各段的應(yīng)變變化。這如同給光纖安裝了無(wú)數(shù)把“光學(xué)尺子”，每米光纖的細(xì)微變形都被轉(zhuǎn)化為可量化的電信號(hào)。

在冰島這項(xiàng)應(yīng)用中，研究人員將100公里光纖劃分為約10000個(gè)監(jiān)測(cè)通道（每10米一個(gè)通道），實(shí)時(shí)生成高密度的應(yīng)變分布圖像，讓巖漿引起的地殼變形無(wú)處遁形。

李嘉軒表示，選擇DAS監(jiān)測(cè)火山具有先天優(yōu)勢(shì)。一套數(shù)據(jù)，雙重用途。當(dāng)我們聚焦于高頻信號(hào)時(shí)（例如0.1-10Hz，也是對(duì)于局部地震多數(shù)地震學(xué)研究關(guān)注的頻段），光纖系統(tǒng)就如同一個(gè)超高密度的地震臺(tái)陣，能夠精確記錄地震產(chǎn)生的震動(dòng)信號(hào)。而當(dāng)我們轉(zhuǎn)而關(guān)注低于0.01 Hz的低頻信號(hào)時(shí)（即周期超過(guò)100秒），則可以捕捉到巖漿侵入引發(fā)的準(zhǔn)靜態(tài)地殼變形。對(duì)于冰島這些持續(xù)幾十分鐘至數(shù)小時(shí)的巖漿入侵時(shí)間，LFDAS的應(yīng)變觀(guān)測(cè)為巖漿巖脈體積的時(shí)空變化反演提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

9次巖漿侵入，6次引起噴發(fā)

在2023年11月至2024年11月期間，LFDAS網(wǎng)絡(luò)捕捉到9次巖脈侵入事件，其中6次引起噴發(fā)（E1-E6），3次在地表以下停滯（E4a、E5a、E6a），其中2次規(guī)模較小的入侵事件（E5a、E6a）沒(méi)有被當(dāng)?shù)谿NSS臺(tái)網(wǎng)監(jiān)測(cè)到。

歸納總結(jié)發(fā)現(xiàn)，除特殊案例E2外，所有噴發(fā)事件的應(yīng)變率均在噴發(fā)前15-22分鐘達(dá)到峰值，形成清晰的“預(yù)警窗口”。例如2023年12月的E1噴發(fā)，光纖監(jiān)測(cè)顯示LFDAS記錄的應(yīng)變率突然升高，預(yù)示著巖漿加速注入巖脈。噴發(fā)后，應(yīng)變信號(hào)極性翻轉(zhuǎn)（從拉伸轉(zhuǎn)為壓縮），表明巖脈壓力驟降，確認(rèn)巖漿已突破地表，這一特征成為區(qū)分噴發(fā)與停滯事件的關(guān)鍵標(biāo)志。

2024年1月的E2噴發(fā)是最劇烈的事件，光纖記錄到高達(dá)1000微應(yīng)變的信號(hào)，對(duì)應(yīng)地下形成的大型地塹結(jié)構(gòu)?；贚FDAS數(shù)據(jù)的反演結(jié)果顯示，巖漿在2-3公里深度先水平向Grindavík鎮(zhèn)推進(jìn)，遇到前期巖脈形成的應(yīng)力屏障后，轉(zhuǎn)而垂直突破地表，這是首次以分鐘級(jí)時(shí)間分辨率動(dòng)態(tài)捕捉火山巖漿遷移路徑。

三次未噴發(fā)的侵入事件呈現(xiàn)顯著不同的特征。應(yīng)變信號(hào)持續(xù)時(shí)間短（<1小時(shí)）、振幅?。?.1微應(yīng)變），且無(wú)極性翻轉(zhuǎn)，表明巖漿在淺部受阻，未能形成有效通道。這類(lèi)失敗的侵入事件，為理解噴發(fā)的臨界條件提供了反面案例。

為解釋觀(guān)測(cè)到的現(xiàn)象，研究團(tuán)隊(duì)建立了包含三個(gè)無(wú)量綱參數(shù)的物理模型，揭示巖漿噴發(fā)的驅(qū)動(dòng)機(jī)制。

α反映淺部地殼負(fù)浮力與垂直構(gòu)造應(yīng)力對(duì)巖漿的阻力。α越小，意味著巖漿驅(qū)動(dòng)壓力越高，越容易突破地表。Ψ代表巖漿房體積與巖脈體積的壓縮性差異。Ψ越小，說(shuō)明巖漿房相對(duì)更大，壓力更穩(wěn)定，能持續(xù)供應(yīng)巖漿，支持長(zhǎng)時(shí)間噴發(fā)。R表征巖漿流入巖脈的速度與巖脈擴(kuò)展速度的比值。R越大，巖漿流動(dòng)越順暢，越容易在短時(shí)間內(nèi)積累足夠壓力，觸發(fā)噴發(fā)。

回顧整個(gè)研究過(guò)程，李嘉軒表示，有一些有趣的插曲?！白畛跷野l(fā)現(xiàn)能用LFDAS應(yīng)變數(shù)據(jù)反演巖漿巖脈的張開(kāi)位移時(shí)，我非常興奮。”他說(shuō)，“但隨即發(fā)現(xiàn)，這個(gè)結(jié)果與2024年2月發(fā)表在Science上的一項(xiàng)基于GNSS的同期研究在振幅上存在明顯不一致?！彼忉尩剑骸昂髞?lái)我們意識(shí)到，問(wèn)題在于光纖記錄的應(yīng)變與實(shí)際地面形變之間需要一個(gè)轉(zhuǎn)化系數(shù)。我和同組的翟秋實(shí)博士分別用不同的方法進(jìn)行了驗(yàn)證，最終很好地確認(rèn)了這個(gè)系數(shù)，使得反演結(jié)果一致。”

除此之外，李嘉軒等人還在后續(xù)的火山噴發(fā)期間開(kāi)展了野外試驗(yàn)，嘗試結(jié)合實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位和無(wú)人機(jī)三維地表重建技術(shù)，在Grindavík地區(qū)獲取三維地表變形數(shù)據(jù)。他印象最深的是2024年5月底噴發(fā)時(shí)的情景：“當(dāng)時(shí)火山正在釋放有害氣體，小鎮(zhèn)被臨時(shí)封鎖禁止進(jìn)入。我們的合作者Reykjavik大學(xué)的Vala Hj?rleifsdótti打了幾個(gè)電話(huà)，就幫我們搞到了防毒面罩，并得到了可以進(jìn)入小鎮(zhèn)的許可，解決問(wèn)題的效率十分之高。”

讓李嘉軒欣慰的是，部署LFDAS之后，對(duì)火山噴發(fā)的預(yù)警監(jiān)測(cè)從未失手。

“我印象比較深刻的是2024年5月底，我和加州理工研究團(tuán)隊(duì)在冰島的冰川做野外實(shí)驗(yàn)，冰川上有手機(jī)信號(hào)（笑），收到冰島合作者傳來(lái)的圖片訊息顯示火山即將噴發(fā)。果不其然，大概30分鐘之后火山就爆發(fā)了，特別驚喜！”李嘉軒表示，“這次噴發(fā)還讓我記憶深刻的一點(diǎn)是，Grindavík以西的光纜被熔巖融化了！不過(guò)兩周后，當(dāng)?shù)赝ㄓ嵐静渴鸬乇砉饫|，恢復(fù)了光纖連通?！?/p>

憑借著這些“證據(jù)”，李嘉軒等與冰島氣象局（IMO）展開(kāi)了密切合作，采用這套技術(shù)進(jìn)行火山噴發(fā)預(yù)警監(jiān)測(cè)?！拔覀儗?shí)施了一個(gè)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，當(dāng)平均LFDAS應(yīng)變率超過(guò)每秒1個(gè)納應(yīng)變的預(yù)設(shè)閾值時(shí)，該系統(tǒng)會(huì)發(fā)送警報(bào)，這是根據(jù)先前事件的經(jīng)驗(yàn)確定的。對(duì)于加州理工DAS部署期間最后記錄到的E6噴發(fā)，該系統(tǒng)在噴發(fā)發(fā)生前26分鐘向IMO發(fā)出自動(dòng)預(yù)警通知?！?/p>

“冰島氣象局耗資17萬(wàn)美元購(gòu)入了DAS儀器，這對(duì)于人口30多萬(wàn)的冰島來(lái)說(shuō)，算是一筆不小的投資，可見(jiàn)對(duì)其重視程度?？梢栽赮ouTube上看到冰島國(guó)家電視臺(tái)在直播監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，在最近一次噴發(fā)期間，圍觀(guān)網(wǎng)友達(dá)到幾十萬(wàn)人次。”

結(jié)語(yǔ)

李嘉軒表示，目前研究?jī)H依賴(lài)于沿單根光纜的LFDAS記錄。若結(jié)合常規(guī)大地測(cè)量（如GNSS和InSAR）的聯(lián)合反演，在不同方位角上的多根光纜，或可大大提高空間分辨率。

此外，GNSS和InSAR對(duì)于數(shù)小時(shí)到數(shù)十年的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)至關(guān)重要，是否可以從LFDAS中提取具有相似時(shí)間尺度的信號(hào)仍有待了解。

通過(guò)將預(yù)先存在的光纖基礎(chǔ)設(shè)施轉(zhuǎn)換為高分辨率大地測(cè)量網(wǎng)絡(luò)，并將其與傳統(tǒng)的大地測(cè)量方法相結(jié)合，未來(lái)將為監(jiān)測(cè)和理解火山活動(dòng)以及其他地質(zhì)過(guò)程（如斷層蠕變和山坡變形）提供新的可能性。

正如顯微鏡讓人類(lèi)看見(jiàn)細(xì)胞，望遠(yuǎn)鏡讓人類(lèi)看見(jiàn)宇宙，DAS正讓人類(lèi)看見(jiàn)地球的“內(nèi)部器官”，開(kāi)啟了地質(zhì)監(jiān)測(cè)的“細(xì)胞級(jí)”時(shí)代。

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