這是一項讓谷歌 CEO 桑達爾・皮查伊（Sundar Pichai）發推力挺的研究，也是首次大規模驗證海底光纜可大規模用於地震檢測的研究，更是有中科大校友參與的研究。

圖 | 谷歌 CEO 桑達爾・皮查伊於 2020 年發推特宣佈該計劃的開始

該研究由加州理工學院助理教授詹中文，聯合谷歌光纖通訊專家合作完成。詹中文來自安徽省六安市，於 2006 年畢業於中國科學技術大學少年班。

他告訴 DeepTech：“我們相信這是監測海底地震活動性的第一個能在全球範圍內大規模實施的解決方案。”

研究中，他們開發一種使用現有海底電纜探測地震的新方法，可初步檢測到幾十次地震，或將改善全球各地的地震 & 海嘯預警系統。

2 月 26 日，相關論文以《跨洋電纜上基於光偏振的地震和水波感測》“Optical polarization-based seismic and water wave sensing on transoceanic cables” 為題發表在 Science 上。

詹中文表示：“我們能將多數海底電纜轉換成地球物理感測器，這些地球物理感測器長達數千公里，可以檢測地震和可能發生的海嘯。” 他還說：“對於現有地面地震儀和海嘯監測浮標網路的功能，它可起到補充作用，從而在更多場景下去檢測海底地震和海嘯。”

地球的 70% 被水覆蓋著，使用海底電纜來檢測地震，是科學家一直追求的辦法。以美國為例，自 1980 年代開始，電信公司和政府在該國鋪設了超過一百萬公里的光纜

專門在海底安裝水下地震儀，又貴又難。目前全球的水下地震臺也並不多，此前相關人員已使用鐳射干涉測量法和分散式聲學感測方法，但這些方法普遍依賴 “暗光纖”—— 即已鋪設且尚未投入使用的光纜。

很明顯，最理想的辦法是使用海底已有裝置來監測地震，這不僅無需花錢購買新裝置如鐳射源等，也不影響光纜執行其他任務，工人佈設工作量也會更輕省。

另外，受溫度、雷擊等因素，地面光纜資料會出現偏差。而深海溫度幾乎恆定，海底光纜較少受到擾動，因此得出的資料更準確。

與此同時，海底在遇到地震或海嘯時，光纜會發生明顯變化，進而產生的資料提醒，可讓工作人員快速識別地震。

“一魚兩吃”：是光纜，也是 “海底地震儀”

研究中，詹中文和谷歌使用一條名叫居里（Curie）的海底光纜，該光纜此前由谷歌公司佈設，從美國洛杉磯延伸到智利瓦爾帕萊索，全程長達一萬多公里，其檢測技術可達到光學偏振干涉儀的靈敏度水平。

過程中，居里電纜可穿越南加州近海的多個斷層，且三次穿過東太平洋隆起，最終達到太平洋科科斯板塊，沿光纜段的平均水深為 4000m，穿過瓦爾帕萊索附近海溝時水深可達 6000m。

自 1900 年以來，該路段曾發生 50 多次 7.5 級以上地震，期間有兩大地震很是人矚目

二是 1985 年墨西哥城的 8.1 級地震，當時 30% 的市中心建築物瞬間被毀，造成至少 7000 多人死亡。

詹中文的地震測試時間耗時 9 個月，在 10 毫赫茲至 5 赫茲波段的頻段中，居里電纜檢測出約 30 場海洋風暴驟升事件、以及約 20 場中大型地震，其中就有 2020 年 1 月 28 日發生在牙買加附近的 7.7 級地震。

使用本次新方法，居里電纜好比一個感測器，既能探測地震震動、又能探測海浪，一旦產生偏振，其每秒內可測量 20 次，如果附近發生地震，幾秒內就可發出警報。

在光纜沿途一千公里以內，該方法可檢測到絕大多數 5 級以上地震，由於 7 級以上的地震才會對人類生命、生產生活產生較大影響，因此在可給人類帶來巨大影響的地震 & 海嘯預測上，新方法的能力完全夠用。

具體技術原理是，在光纜的光偏振中，如果同時傳播兩束不同的光，由於兩束光的偏振不同，因此它們互不干擾，並都能傳輸資料。

當發生地震時，光纜會被彎曲，這時光纜的光波方向會被改變，因此資料也會出現異常，此時在電纜另一端，工作人員就可注意到資料變動，從而發出預警提醒大家。

與此同時，測量光偏振只用於提高通訊效率，並不涉及資料本身，因此不存在資料安全問題，而其他地震檢測辦法，則沒有這樣的優勢。

概括來說，該方法主要有幾大優勢：

第一是能更快發出警報：當地震發生在離岸數十英里處時，地震波到達陸地地震儀一般耗時幾十秒，預警海嘯則耗時更久，這非常不利於逃生。而新方法使用光纖通訊訊號，不僅能實時傳輸資料，速度也更快，所以資料無需額外從海底傳輸到資料中心，而這也是傳統方法無法做到的。並且，電纜可在離地震更近的位置充當單個感測器，每秒最多可測量 20 次。這意味著，如果地震發生在特定區域附近，有望在幾秒鐘內發出警告。

第二是成本低：此前，全世界範圍內的海嘯預警，由約 60 個深海評估和海嘯報告浮標組成的稀疏網路來實現，這些浮標大多沿著俯衝帶分佈，安裝成本和維護成本較高。而新方法使用已佈設的通訊光纜，無需增加儀器、更無需佔用通訊頻寬，故此成本更低。

第三是資料覆蓋範圍更廣：海底光纜測量的是光纖全程的偏振變化，而非此前的分散式測量。這些資料不僅全面，“體積” 也不大，9 個月的資料量不到 1G，管理起來也很容易。此外，由於該技術不需要額外裝置，因此不存在資料偽造、或裝置被盜的風險。

第四是聯動性高：當前的海嘯預警系統 DART（深海海嘯評估和報告，Deep-ocean Assessment and Reporting of Tsunamis），已經可以迅速預測海嘯起始時間和發生地點，再結合本次方法，可讓海嘯預報更完善。

第五是安全性高：詹中文表示，工作人員在研究光偏振時，並不會看到所傳輸的資訊。而且，該研究的原始資料已經公開，任何人都能下載和學習，因此並不存在資料安全問題。

他概括稱：“該方法的提出填補了海洋地球物理觀測的空缺，有望未來建立經濟、高效的全球海底地球物理監測網。”

和谷歌合作：始於一次“借光纜”

和谷歌的合作，始於詹中文找谷歌“借東西”。一開始他問谷歌借光纜，一來二去雙方越來越熟悉，索性就本次研究開始了合作。

儘管在本次研究中，居里光纜沒有發現海嘯，但它已可檢測到南太平洋海浪產生的偏振變化。該團隊認為，這是因為巨浪經過電纜時，所引起的海底壓力變化導致了上述偏振變化。對此，詹中文說：“這意味著光纜可檢測到海浪，因此有可能在未來檢測到海嘯波。”

在光纖的佈設上，詹中文告訴 DeepTech，谷歌有專門的通訊部門負責。未來，他將和谷歌做全球光纖合作，屆時可預警所有地震。此外，海嘯通常由地震引起，海嘯發生時，將來居里光纜也有望發出預警，從而讓岸邊行人及時撤離。

事實上，谷歌這類網際網路企業做地震預測並不意外，在過去十年，谷歌已投資十條以上的光纖。

這類大廠每年產生的資料量呈爆炸性增長，並且他們在全球各地都有資料中心，以至於需要自己親自做通訊，為的是方便連線全球各地的資料中心。