通信光纖不僅可以用來通訊，還能用來給地球聽診，讓人類精確了解火山地下活動的自然現象。中國小伙的一個突發奇想終讓火山活動頻繁的小國冰島購入一套“黑科技”，自此預警火山噴發不再失手。

　　撰文 | 路飛

　　在神秘而危險的火山世界里，巖漿就像隱藏在地下的巨獸，時刻牽動著人類的心弦。長久以來，地質學家們都渴望能深入了解火山內部的奧秘，尤其是巖漿的運輸動態和巖脈侵入過程。

　　2025年4月24日，一篇關于火山噴發監測與預警的研究登上Science。論文第一作者、北京大學校友、時任加州理工學院地震實驗室的博士后李嘉軒（現為休斯敦大學助理教授），利用新興的分布式聲學傳感（DAS）技術，通過改造通信光纖，實現了對火山地下活動的分鐘級高精度監測。這是業內首次利用DAS技術觀測自然現象中的測量信號，此次成功嘗試，為火山監測和災害評估提供了關鍵依據。

　　論文正文 | 圖源：Science

　　地球深部的狂暴脈動

　　作為深刻塑造地球生態格局的自然力量，火山活動是始終高懸于人類文明之上的達摩克利斯之劍。7萬年前的多巴超級火山爆發，其噴發規模足以令早期智人種群瀕臨滅絕邊緣；兩個世紀前的坦博拉火山噴發，在奪去超7萬人生命的同時，更觸發了著名的“無夏之年”氣候異象，改寫了全球農業經濟版圖。這些地球深部的狂暴脈動，不僅重塑著地質結構，更時常成為扭轉文明進程的關鍵變量。

　　要想有效應對火山噴發帶來的次生災害，首先要進行監測。火山活動監測主要分為以下幾個方面：一是地震監測，通過地震儀記錄火山地區的地震活動，分析地震頻率、強度、分布等特征，判斷火山內部巖漿活動情況。二是地面形變監測，利用傾斜儀等設備監測火山地表的形變，判斷巖漿上升對地表的影響。三是氣體監測，通過紅外光譜儀、質譜儀等設備監測火山噴發前釋放的氣體成分和濃度，分析火山噴發的前兆。四是地下探測，利用地震波探測儀、地球物理探測儀等設備探測火山內部結構及巖漿活動情況，判斷火山噴發的可能性。

　　在監測的基礎上，只有做好火山噴發預警工作，才能將損失降到最低。研究人員瞄上了一個關鍵指標，即火山噴發的關鍵前兆——巖漿侵入，巖漿在地下巖層中開辟通道會伴隨著地殼的微小變形，如拉伸、壓縮等。如果能夠精準捕捉到這個指標的變化，并歸納總結出規律，就能在火山噴發來臨時進行預警。

　　然而傳統監測技術如同“霧里看花”，存在時間分辨率不足和空間覆蓋稀疏兩個難題，難以捕捉巖漿侵入的細微動態。

　　例如，全球導航衛星系統（GNSS）需要24小時數據平均才能達到毫米級精度，合成孔徑雷達（InSAR）雖能覆蓋大面積地表變形，卻受衛星重訪周期限制（通常3-6天），且易受天氣干擾。再如，傳統傳感器（如鉆孔應變計）僅能單點監測，無法勾勒巖漿運移的三維軌跡。

　　如今，李嘉軒等人運用了兩項關鍵技術方法，破除了傳統監測技術的局限性。一是利用低頻分布式聲學傳感（LFDAS）技術，將已有的通信光纜轉化為密集的應變儀陣列。二是通過大地測量反演LFDAS應變數據，結合建立的物理模型，對巖漿侵入過程進行分析。

　　用通信光纖給火山做心電圖

　　2023年初的時候，李嘉軒正在加州理工學院地震實驗室擔任博士后。

　　“在加州理工，你總能隨時找到一個可以和你討論問題的人。”他回憶說，“那時候我和同組的朱尉強博士聊天時提到，工業界其早就在用井下光纖記錄的低頻應變信號，來監測水力壓裂過程中的裂縫生長。我們就很好奇，為什么科研領域還沒人嘗試用通信光纖來捕捉自然界中的這類低頻應變呢？從那以后，我就開始特別關注DAS數據中的低頻成分，沒想到最后竟然用它來監測火山噴發了（笑）。”

　　2023年11月，冰島Reykjanes半島的Svartsengi火山系統形成15公里長的巖脈，火山入侵過程中產生的地震和形成的地塹導致Grindavík小鎮受災，大量房屋損毀。

　　“當時剛聽說冰島火山活動升級。曾在谷歌工作的合作者就聯系我在加州理工的博后導師詹中文教授（現為加州理工學院地震實驗室主任），有沒有興趣在冰島部署一個DAS來檢測火山活動，這也成為我們在冰島開展研究的契機。”

　　李嘉軒（左）與同事張順（右）在Grindavík小鎮進行測量工作，左圖中粉色的線纜就包含這項工作中使用的光纖 | 李嘉軒供圖

　　2023年12月，詹中文帶領研究組的成員前往冰島，將一條沿著冰島海岸長達100公里的通信光纖，改造成了靈敏度極高的DAS陣列。這項技術的核心，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，內部傳輸的激光成為“偵察兵”。當激光在光纖中傳播時，會因玻璃材質的微小不均勻性產生瑞利散射,其中一部分光會沿傳播方向反向散射回來。當光纖周圍的地殼發生變形（如巖漿侵入導致的拉伸或壓縮），光纖會隨之產生微小應變，這種應變會改變散射光的相位和強度。

　　簡單來說，激光就像一個邊走邊“喊話”的巡邏兵，遇到附近地殼變形時，“喊話”的回聲會攜帶地殼運動的信息返回，而DAS設備則是精準的“監聽專家”，能捕捉到這些微弱的變化。

　　直接收集到的散射信號充滿噪聲，需要通過相位解調算法進行處理。DAS設備利用“相干檢測”技術，對比發射激光與回傳散射光的相位差，計算出光纖各段的應變變化。這如同給光纖安裝了無數把“光學尺子”，每米光纖的細微變形都被轉化為可量化的電信號。

　　在冰島這項應用中，研究人員將100公里光纖劃分為約10000個監測通道（每10米一個通道），實時生成高密度的應變分布圖像，讓巖漿引起的地殼變形無處遁形。

　　李嘉軒表示，選擇DAS監測火山具有先天優勢。一套數據，雙重用途。當我們聚焦于高頻信號時（例如0.1-10Hz，也是對于局部地震多數地震學研究關注的頻段），光纖系統就如同一個超高密度的地震臺陣，能夠精確記錄地震產生的震動信號。而當我們轉而關注低于0.01 Hz的低頻信號時（即周期超過100秒），則可以捕捉到巖漿侵入引發的準靜態地殼變形。對于冰島這些持續幾十分鐘至數小時的巖漿入侵時間，LFDAS的應變觀測為巖漿巖脈體積的時空變化反演提供關鍵數據。

　　9次巖漿侵入，6次引起噴發

　　在2023年11月至2024年11月期間，LFDAS網絡捕捉到9次巖脈侵入事件，其中6次引起噴發（E1-E6），3次在地表以下停滯（E4a、E5a、E6a），其中2次規模較小的入侵事件（E5a、E6a）沒有被當地GNSS臺網監測到。

　　歸納總結發現，除特殊案例E2外，所有噴發事件的應變率均在噴發前15-22分鐘達到峰值，形成清晰的“預警窗口”。例如2023年12月的E1噴發，光纖監測顯示LFDAS記錄的應變率突然升高，預示著巖漿加速注入巖脈。噴發后，應變信號極性翻轉（從拉伸轉為壓縮），表明巖脈壓力驟降，確認巖漿已突破地表，這一特征成為區分噴發與停滯事件的關鍵標志。

　　2024年1月的E2噴發是最劇烈的事件，光纖記錄到高達1000微應變的信號，對應地下形成的大型地塹結構。基于LFDAS數據的反演結果顯示，巖漿在2-3公里深度先水平向Grindavík鎮推進，遇到前期巖脈形成的應力屏障后，轉而垂直突破地表，這是首次以分鐘級時間分辨率動態捕捉火山巖漿遷移路徑。

　　三次未噴發的侵入事件呈現顯著不同的特征。應變信號持續時間短（<1小時）、振幅小（0.1微應變），且無極性翻轉，表明巖漿在淺部受阻，未能形成有效通道。這類失敗的侵入事件，為理解噴發的臨界條件提供了反面案例。

　　為解釋觀測到的現象，研究團隊建立了包含三個無量綱參數的物理模型，揭示巖漿噴發的驅動機制。

　　α反映淺部地殼負浮力與垂直構造應力對巖漿的阻力。α越小，意味著巖漿驅動壓力越高，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，說明巖漿房相對更大，壓力更穩定，能持續供應巖漿，支持長時間噴發。R表征巖漿流入巖脈的速度與巖脈擴展速度的比值。R越大，巖漿流動越順暢，越容易在短時間內積累足夠壓力，觸發噴發。

　　回顧整個研究過程，李嘉軒表示，有一些有趣的插曲。“最初我發現能用LFDAS應變數據反演巖漿巖脈的張開位移時，我非常興奮。”他說，“但隨即發現，這個結果與2024年2月發表在Science上的一項基于GNSS的同期研究在振幅上存在明顯不一致。”他解釋到：“后來我們意識到，問題在于光纖記錄的應變與實際地面形變之間需要一個轉化系數。我和同組的翟秋實博士分別用不同的方法進行了驗證，最終很好地確認了這個系數，使得反演結果一致。”

　　除此之外，李嘉軒等人還在后續的火山噴發期間開展了野外試驗，嘗試結合實時動態定位和無人機三維地表重建技術，在Grindavík地區獲取三維地表變形數據。他印象最深的是2024年5月底噴發時的情景：“當時火山正在釋放有害氣體，小鎮被臨時封鎖禁止進入。我們的合作者Reykjavik大學的Vala Hj?rleifsdótti打了幾個電話，就幫我們搞到了防毒面罩，并得到了可以進入小鎮的許可，解決問題的效率十分之高。”

　　讓李嘉軒欣慰的是，部署LFDAS之后，對火山噴發的預警監測從未失手。

　　“我印象比較深刻的是2024年5月底，我和加州理工研究團隊在冰島的冰川做野外實驗，冰川上有手機信號（笑），收到冰島合作者傳來的圖片訊息顯示火山即將噴發。果不其然，大概30分鐘之后火山就爆發了，特別驚喜！”李嘉軒表示，“這次噴發還讓我記憶深刻的一點是，Grindavík以西的光纜被熔巖融化了！不過兩周后，當地通訊公司部署地表光纜，恢復了光纖連通。”

　　憑借著這些“證據”，李嘉軒等與冰島氣象局（IMO）展開了密切合作，采用這套技術進行火山噴發預警監測。“我們實施了一個自動檢測系統，當平均LFDAS應變率超過每秒1個納應變的預設閾值時，該系統會發送警報，這是根據先前事件的經驗確定的。對于加州理工DAS部署期間最后記錄到的E6噴發，該系統在噴發發生前26分鐘向IMO發出自動預警通知。”

　　“冰島氣象局耗資17萬美元購入了DAS儀器，這對于人口30多萬的冰島來說，算是一筆不小的投資，可見對其重視程度。可以在YouTube上看到冰島國家電視臺在直播監測數據，在最近一次噴發期間，圍觀網友達到幾十萬人次。”

　　結語

　　李嘉軒表示，目前研究僅依賴于沿單根光纜的LFDAS記錄。若結合常規大地測量（如GNSS和InSAR）的聯合反演，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對于數小時到數十年的長期監測至關重要，是否可以從LFDAS中提取具有相似時間尺度的信號仍有待了解。

　　通過將預先存在的光纖基礎設施轉換為高分辨率大地測量網絡，并將其與傳統的大地測量方法相結合，未來將為監測和理解火山活動以及其他地質過程（如斷層蠕變和山坡變形）提供新的可能性。

　　正如顯微鏡讓人類看見細胞，望遠鏡讓人類看見宇宙，DAS正讓人類看見地球的“內部器官”，開啟了地質監測的“細胞級”時代。

　　參考資料

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

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