不按说明书使用通信光纤，北大校友的突发奇想登上Science

通信光纤不仅可以用来通讯，还能用来给地球听诊，让人类精确了解火山地下活动的自然现象。中国小伙的一个突发奇想终让火山活动频繁的小国冰岛购入一套“黑科技”，自此预警火山喷发不再失手。

撰文 | 路飞

在神秘而危险的火山世界里，岩浆就像隐藏在地下的巨兽，时刻牵动着人类的心弦。长久以来，地质学家们都渴望能深入了解火山内部的奥秘，尤其是岩浆的运输动态和岩脉侵入过程。

2025年4月24日，一篇关于火山喷发监测与预警的研究登上Science。论文第一作者、北京大学校友、时任加州理工学院地震实验室的博士后李嘉轩（现为休斯敦大学助理教授），利用新兴的分布式声学传感（DAS）技术，通过改造通信光纤，实现了对火山地下活动的分钟级高精度监测。这是业内首次利用DAS技术观测自然现象中的测量信号，此次成功尝试，为火山监测和灾害评估提供了关键依据。

论文正文 | 图源：Science

地球深部的狂暴脉动

作为深刻塑造地球生态格局的自然力量，火山活动是始终高悬于人类文明之上的达摩克利斯之剑。7万年前的多巴超级火山爆发，其喷发规模足以令早期智人种群濒临灭绝边缘；两个世纪前的坦博拉火山喷发，在夺去超7万人生命的同时，更触发了著名的“无夏之年”气候异象，改写了全球农业经济版图。这些地球深部的狂暴脉动，不仅重塑着地质结构，更时常成为扭转文明进程的关键变量。

要想有效应对火山喷发带来的次生灾害，首先要进行监测。火山活动监测主要分为以下几个方面：一是地震监测，通过地震仪记录火山地区的地震活动，分析地震频率、强度、分布等特征，判断火山内部岩浆活动情况。二是地面形变监测，利用倾斜仪等设备监测火山地表的形变，判断岩浆上升对地表的影响。三是气体监测，通过红外光谱仪、质谱仪等设备监测火山喷发前释放的气体成分和浓度，分析火山喷发的前兆。四是地下探测，利用地震波探测仪、地球物理探测仪等设备探测火山内部结构及岩浆活动情况，判断火山喷发的可能性。

在监测的基础上，只有做好火山喷发预警工作，才能将损失降到最低。研究人员瞄上了一个关键指标，即火山喷发的关键前兆——岩浆侵入，岩浆在地下岩层中开辟通道会伴随着地壳的微小变形，如拉伸、压缩等。如果能够精准捕捉到这个指标的变化，并归纳总结出规律，就能在火山喷发来临时进行预警。

然而传统监测技术如同“雾里看花”，存在时间分辨率不足和空间覆盖稀疏两个难题，难以捕捉岩浆侵入的细微动态。

例如，全球导航卫星系统（GNSS）需要24小时数据平均才能达到毫米级精度，合成孔径雷达（InSAR）虽能覆盖大面积地表变形，却受卫星重访周期限制（通常3-6天），且易受天气干扰。再如，传统传感器（如钻孔应变计）仅能单点监测，无法勾勒岩浆运移的三维轨迹。

如今，李嘉轩等人运用了两项关键技术方法，破除了传统监测技术的局限性。一是利用低频分布式声学传感（LFDAS）技术，将已有的通信光缆转化为密集的应变仪阵列。二是通过大地测量反演LFDAS应变数据，结合建立的物理模型，对岩浆侵入过程进行分析。

用通信光纤给火山做心电图

2023年初的时候，李嘉轩正在加州理工学院地震实验室担任博士后。

“在加州理工，你总能随时找到一个可以和你讨论问题的人。”他回忆说，“那时候我和同组的朱尉强博士聊天时提到，工业界其早就在用井下光纤记录的低频应变信号，来监测水力压裂过程中的裂缝生长。我们就很好奇，为什么科研领域还没人尝试用通信光纤来捕捉自然界中的这类低频应变呢？从那以后，我就开始特别关注DAS数据中的低频成分，没想到最后竟然用它来监测火山喷发了（笑）。”

2023年11月，冰岛Reykjanes半岛的Svartsengi火山系统形成15公里长的岩脉，火山入侵过程中产生的地震和形成的地堑导致Grindavík小镇受灾，大量房屋损毁。

“当时刚听说冰岛火山活动升级。曾在谷歌工作的合作者就联系我在加州理工的博后导师詹中文教授（现为加州理工学院地震实验室主任），有没有兴趣在冰岛部署一个DAS来检测火山活动，这也成为我们在冰岛开展研究的契机。”

李嘉轩（左）与同事张顺（右）在Grindavík小镇进行测量工作，左图中粉色的线缆就包含这项工作中使用的光纤 | 李嘉轩供图

2023年12月，詹中文带领研究组的成员前往冰岛，将一条沿着冰岛海岸长达100公里的通信光纤，改造成了灵敏度极高的DAS阵列。这项技术的核心，是让看似普通的光纤具备“感知大地心跳”的能力。

光纤的主体是直径仅125微米的玻璃纤维，内部传输的激光成为“侦察兵”。当激光在光纤中传播时，会因玻璃材质的微小不均匀性产生瑞利散射,其中一部分光会沿传播方向反向散射回来。当光纤周围的地壳发生变形（如岩浆侵入导致的拉伸或压缩），光纤会随之产生微小应变，这种应变会改变散射光的相位和强度。

简单来说，激光就像一个边走边“喊话”的巡逻兵，遇到附近地壳变形时，“喊话”的回声会携带地壳运动的信息返回，而DAS设备则是精准的“监听专家”，能捕捉到这些微弱的变化。

直接收集到的散射信号充满噪声，需要通过相位解调算法进行处理。DAS设备利用“相干检测”技术，对比发射激光与回传散射光的相位差，计算出光纤各段的应变变化。这如同给光纤安装了无数把“光学尺子”，每米光纤的细微变形都被转化为可量化的电信号。

在冰岛这项应用中，研究人员将100公里光纤划分为约10000个监测通道（每10米一个通道），实时生成高密度的应变分布图像，让岩浆引起的地壳变形无处遁形。

李嘉轩表示，选择DAS监测火山具有先天优势。一套数据，双重用途。当我们聚焦于高频信号时（例如0.1-10Hz，也是对于局部地震多数地震学研究关注的频段），光纤系统就如同一个超高密度的地震台阵，能够精确记录地震产生的震动信号。而当我们转而关注低于0.01 Hz的低频信号时（即周期超过100秒），则可以捕捉到岩浆侵入引发的准静态地壳变形。对于冰岛这些持续几十分钟至数小时的岩浆入侵时间，LFDAS的应变观测为岩浆岩脉体积的时空变化反演提供关键数据。

9次岩浆侵入，6次引起喷发

在2023年11月至2024年11月期间，LFDAS网络捕捉到9次岩脉侵入事件，其中6次引起喷发（E1-E6），3次在地表以下停滞（E4a、E5a、E6a），其中2次规模较小的入侵事件（E5a、E6a）没有被当地GNSS台网监测到。

归纳总结发现，除特殊案例E2外，所有喷发事件的应变率均在喷发前15-22分钟达到峰值，形成清晰的“预警窗口”。例如2023年12月的E1喷发，光纤监测显示LFDAS记录的应变率突然升高，预示着岩浆加速注入岩脉。喷发后，应变信号极性翻转（从拉伸转为压缩），表明岩脉压力骤降，确认岩浆已突破地表，这一特征成为区分喷发与停滞事件的关键标志。

2024年1月的E2喷发是最剧烈的事件，光纤记录到高达1000微应变的信号，对应地下形成的大型地堑结构。基于LFDAS数据的反演结果显示，岩浆在2-3公里深度先水平向Grindavík镇推进，遇到前期岩脉形成的应力屏障后，转而垂直突破地表，这是首次以分钟级时间分辨率动态捕捉火山岩浆迁移路径。

三次未喷发的侵入事件呈现显著不同的特征。应变信号持续时间短（<1小时）、振幅小（0.1微应变），且无极性翻转，表明岩浆在浅部受阻，未能形成有效通道。这类失败的侵入事件，为理解喷发的临界条件提供了反面案例。

为解释观测到的现象，研究团队建立了包含三个无量纲参数的物理模型，揭示岩浆喷发的驱动机制。

α反映浅部地壳负浮力与垂直构造应力对岩浆的阻力。α越小，意味着岩浆驱动压力越高，越容易突破地表。Ψ代表岩浆房体积与岩脉体积的压缩性差异。Ψ越小，说明岩浆房相对更大，压力更稳定，能持续供应岩浆，支持长时间喷发。R表征岩浆流入岩脉的速度与岩脉扩展速度的比值。R越大，岩浆流动越顺畅，越容易在短时间内积累足够压力，触发喷发。

回顾整个研究过程，李嘉轩表示，有一些有趣的插曲。“最初我发现能用LFDAS应变数据反演岩浆岩脉的张开位移时，我非常兴奋。”他说，“但随即发现，这个结果与2024年2月发表在Science上的一项基于GNSS的同期研究在振幅上存在明显不一致。”他解释到：“后来我们意识到，问题在于光纤记录的应变与实际地面形变之间需要一个转化系数。我和同组的翟秋实博士分别用不同的方法进行了验证，最终很好地确认了这个系数，使得反演结果一致。”

除此之外，李嘉轩等人还在后续的火山喷发期间开展了野外试验，尝试结合实时动态定位和无人机三维地表重建技术，在Grindavík地区获取三维地表变形数据。他印象最深的是2024年5月底喷发时的情景：“当时火山正在释放有害气体，小镇被临时封锁禁止进入。我们的合作者Reykjavik大学的Vala Hjörleifsdótti打了几个电话，就帮我们搞到了防毒面罩，并得到了可以进入小镇的许可，解决问题的效率十分之高。”

让李嘉轩欣慰的是，部署LFDAS之后，对火山喷发的预警监测从未失手。

“我印象比较深刻的是2024年5月底，我和加州理工研究团队在冰岛的冰川做野外实验，冰川上有手机信号（笑），收到冰岛合作者传来的图片讯息显示火山即将喷发。果不其然，大概30分钟之后火山就爆发了，特别惊喜！”李嘉轩表示，“这次喷发还让我记忆深刻的一点是，Grindavík以西的光缆被熔岩融化了！不过两周后，当地通讯公司部署地表光缆，恢复了光纤连通。”

凭借着这些“证据”，李嘉轩等与冰岛气象局（IMO）展开了密切合作，采用这套技术进行火山喷发预警监测。“我们实施了一个自动检测系统，当平均LFDAS应变率超过每秒1个纳应变的预设阈值时，该系统会发送警报，这是根据先前事件的经验确定的。对于加州理工DAS部署期间最后记录到的E6喷发，该系统在喷发发生前26分钟向IMO发出自动预警通知。”

“冰岛气象局耗资17万美元购入了DAS仪器，这对于人口30多万的冰岛来说，算是一笔不小的投资，可见对其重视程度。可以在YouTube上看到冰岛国家电视台在直播监测数据，在最近一次喷发期间，围观网友达到几十万人次。”

结语

李嘉轩表示，目前研究仅依赖于沿单根光缆的LFDAS记录。若结合常规大地测量（如GNSS和InSAR）的联合反演，在不同方位角上的多根光缆，或可大大提高空间分辨率。

此外，GNSS和InSAR对于数小时到数十年的长期监测至关重要，是否可以从LFDAS中提取具有相似时间尺度的信号仍有待了解。

通过将预先存在的光纤基础设施转换为高分辨率大地测量网络，并将其与传统的大地测量方法相结合，未来将为监测和理解火山活动以及其他地质过程（如断层蠕变和山坡变形）提供新的可能性。

正如显微镜让人类看见细胞，望远镜让人类看见宇宙，DAS正让人类看见地球的“内部器官”，开启了地质监测的“细胞级”时代。

参考资料

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adu0225

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