光纖是如何探測地震的？

什麼是地震？

就在6月17日，宜賓市長寧縣（四川省）又發生了6.0級地震。地震經常給人類造成巨大的財產損失，有的家庭甚至因此而變得支離破碎。所以我們科研工作者也一直在不鬆懈的努力，爭取早一天讓人類可以逃離地震這個夢魘的詛咒。

地震其實頻頻發生在我們身邊，據中國地震台統計，中國近6個月，每個月都有數十次的地震發生。

地震是地球表層或表層下的振動所造成的地面震動，可由自然現象如地殼運動、火山活動及隕石撞擊引起，亦可由人為活動如地下核試驗造成，不過歷史上主要的災害性地震都由地殼的突然運動所造成。地震的影響力涵蓋岩石圈及水圈──當地震發生時，可能會連帶引發地表斷裂、大地震動、土壤液化、山崩、餘震、海嘯、甚至是火山活動，並影響人類的生存及活動。

如何探測地震呢？

想了解如何探測地震首先我們要了解什麼是彈性回跳理論。彈性回跳理論（又稱彈性反跳理論）是一個解釋發生地震原因的理論。

即假設地殼為彈性體，則受到應力行為時，會不斷的變形並且累積應變能量。當應變能量累積到超過岩體中弱面強度時，岩體就會沿著此弱面滑動造成地震。此弱面就是一般所稱的斷層。

如下圖所示：

Time 1：假設粗灰色實線為已存在弱面，紅色十字為參考點。

Time 2：岩體受到黑色箭頭的力，開始在藍色區域內變形累積能量，並且變形。累積能量這個過程可能持續數個月，也可能是數千年。

Time 3：累積能量超過岩體強度，岩體沿著箭頭方向作相對位移，釋放累積能量。這些能量以熱能或地震波或其它方式呈現，地震波則是造成地震的原因。此一過程在數秒到數分鐘之內結束。

根據上述的彈性回跳理論，造成地震的原因是岩石中斷層的破裂。當斷層破裂時，兩側的岩體會相對移動並釋放出累積的能量。雖然其中大部分的能量在都克服摩擦力中損失為熱能，但是剩下的部分則轉換為動能，並以彈性波的形式散發出去，這些波稱為地震波。地震波是地震的直接表現，因此，研究地震波的到來時間、大小、振動方式等，就可以了解一個地震的發生時間、大小、發生機制等，進而研究地震。

如何研究地震波

在地震學中，研究地震波一直是探測地球內部結構最有效的手段。那麼什麼是地震波？如何研究它？

地震波（又叫Seismic Wave）是指以地震為能量來源的波動。當地震發生時，人們通常會因為地震波的傳播而感覺到地面「搖晃」。地震波是一種由震源發出，在地球內部傳播的波。地震波主要分為三種：實體波、面波和尾波。

實體波是能在物體（此處尤指地球）傳遞的波，也是最常出現在新聞媒體討論中的波；面波由實體波產生，以在物體表面傳遞為主，甚少到達地表以下的地方；尾波則是最後由其他波與地形相互作用產生的，最後到達地震觀測者的儀器。理論上一場典型的地震發生時，以上三種波都會出現，不過實際上並不是每一場地震都能觀測到明顯的面波和尾波。

科研工作這通常研究的是實體波，實體波又被分為「縱波」（「P波」），「橫波」（「S波」）。

地震儀紀錄下的地震波，紅線是先到來的P波，綠線是較晚的S波。圖片來源於網路

P波是最早到達的波。地球物質在實體波經過時，可以在三個方向（上下、左右、前後）上產生震動。P波產生的主要是壓縮力。

P波的傳遞示意圖，注意不同網格線間疏密的變化。圖片來源於網路

S波到來的比P波晚，同樣是由地震的岩石錯位直接產生。S波產生的主要是剪切力。

圖片來源於網路

如何科學監測地震波？

現代地震儀通過探測地震波, 得到地震記錄來研究震源、地球內部結構和地震波本身，並實現臨震預報。但是, 傳統的地震波探測系統普遍存在著靈敏度低、動態範圍小、漏電、供電困難等問題，限制了地震預報技術的發展。

而一種基於分布反饋的（DFB）光纖激光器作為感測元件的地震波感測器具有極大的應用前景。

那麼什麼是光纖激光型感測器呢？

我們都知道光纖具有體積小，重量輕，本徵絕緣和抗電磁干擾等優點，普遍應用於光通信和光感測領域。

圖片來源於網路

之所以光纖可以感測，一般是因為科研工作者們在光纖上加工了特殊的結構，這種特殊的結構對光波的傳輸起到了濾波的左右（可以理解為反射或者投射一部分信號光用於感測）。比如加了周期性折射率變化的結構就製成了光纖光柵（FBG）。

而兩個匹配的光柵和摻稀土有源光纖組成一個法布里-珀羅( F-P)諧振腔。

在光柵帶通濾波和法布里-珀羅腔選頻的共同作用下,有源光纖中在抽運激光作用下產生的寬頻熒光譜中的特定部分在腔內來回反射的同時得到不斷放大,最終形成激光。

待測信號作用在激光器上引起激光頻率變化, 採用偏振無關的非平衡邁克耳孫光纖干涉儀將激光頻率變化轉化為干涉儀相位變化。干涉儀輸出的信號經過光電轉換後, 用採集卡轉換為數字信號輸入計算機,最後利用改進的歸一化相位載波( PGC)解調技術, 實現信號的高解析度解調。

如今中科院半導體所光電系統實驗室研製的基於光纖激光器感測器製成的感測器作為地震波的核心敏感元件已經開始了湖試和海試。並取得了良好的頻率響應結果。

DFB 光纖激光器具有極窄的線寬，結合高解析度的干涉式波長位移解調技術，能夠得到極高的探測解析度。光纖激光型地震檢波器既具有光纖光柵檢波器波長編碼（即可以實現單纖16波長DFB光纖激光器陣列作業）、抗干擾能力強、探頭尺寸小、易於組網的優點，又具有干涉型檢波器靈敏度極高的優點，因而有望在地震監測中擔當重任。

不過目前地震預測還只能提前十幾秒或者數十秒，這樣我們還是要學會如何在突發地震中保護好自己。

來源：中國科學院半導體研究所

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