光纤揭示瑞士冰川下隐藏的地震信号
瑞士冰川上铺设的光纤电缆成功探测到冰川裂缝形成产生的地震信号，彰显了该技术在监测冰震方面的潜力。该研究成果已在美国地震学会年会上发表。冰川裂缝对冰川稳定性至关重要，因为裂缝可以将融水引导至冰川床，加速冰流，并导致融化加剧。然而，在裂缝严重的冰川上，极端的条件使得部署传统的地震传感器面临挑战。
无人机拍摄的瑞士戈尔内冰川冰裂缝。图片来源：汤姆·哈德森
苏黎世联邦理工学院的汤姆·哈德森解释说，冰震产生的地震信号与由剪切力引起的构造地震信号，以及涉及快速释放能量的化学或核爆炸产生的地震信号有很大不同。他说，裂缝是“裂缝源，裂缝仅在一个方向上纯粹打开”。
这项由哈德森和苏黎世联邦理工学院的安德烈亚斯·菲希特纳（Andreas Fichtner，他在会上介绍了这项研究）及其同事共同开展的新研究“是利用光纤探测地下这种张开裂缝断裂型地震活动的真实案例，”哈德森说道。“这几乎是我们能最接近震源的距离了。我们的裂缝地震发生在光纤电缆十米以内，这非常罕见。”
这一成功表明光纤检测可能有助于监测碳储存库或地热能系统岩石中可能出现的类似裂缝。
“由于冰是一种比岩石更简单的地震介质，它的速度结构众所周知，我们可以真正探究震源物理，”哈德森说。“如果我们能在这种更简单的环境中做到这一点，那么我们希望或许可以开始考虑在更复杂的环境中做到这一点。”
研究人员在瑞士第二大冰川戈尔内冰川（Gornergletscher）的冰隙地带部署了密集的二维光纤网格。哈德森表示，团队部署过程中的天气条件非常幸运。他们部署电缆时正值冬夏交替之际，所以没有下雪，研究人员可以避免跌入被覆盖的冰隙的危险。
使用光纤电缆收集地震数据的主要挑战之一是确保电缆与其所铺设的地面良好接触或“耦合”。“白天温度仍然足够高，光纤会变热并稍微融化到冰川中，因为光纤与冰相比是黑色的。然后，当光纤融化时，温度又足够低，以至于它在一夜之间就冻结在原地，”哈德森解释说。
“因此，就光纤熔化和冻结而言，我们实际上获得了人们所希望的最佳耦合，”他补充道。
该团队探测并定位了951次冰震，其地震波形在地震面波到达后包含强烈的振荡或尾波。当冰裂缝内有水时，可能会发生这些振荡，地震期间水的运动会产生共振信号。但Hudson表示，Hudson及其同事的分析表明，这些振荡更有可能是由地震波“在冰裂缝区多个冰裂缝之间来回反射时产生的共振引起的。
研究人员还将光纤网格的数据与更传统的地震节点部署的数据进行了比较。光纤电缆提供的数据量几乎是节点阵列的20倍。“虽然面临一些数据处理方面的挑战，但数据量却大得多，这使得我们基本上可以从数据本身中看到完整的波场，这很不寻常，”Hudson说。
他指出，使用光纤电缆的另一个优点是它们对更大范围的信号频率敏感，包括持续数小时甚至数天的低频信号，这使得地震学家能够测量冰随时间的弯曲。
他说，哈德森希望利用光纤测量冰的速度结构并开发其地下的 3D 图像。
“我非常想量化裂缝的范围和密度，看看这个区域的冰层受损程度，”他解释说，“这样我们就能知道冰震是由裂缝引发的。我们还没有量化裂缝的数量和大小，所以这是未来的希望。”
编译自/scitechdaily
