地震学是一门研究地震波以了解地球内部结构的科学。目前，科学家们已经在地球上成功应用光纤来探测地球结构。随着对月球探索的深入，科学家们开始考虑能否使用同样的技术来探测月球，以及通过对月震的分析，获得哪些有关月球深层结构的信息。
伍兹霍尔海洋研究所的研究人员近期在《地震学研究快报》发表了一篇文章，专门探讨了在月球上部署光纤地震网络的想法。文章介绍，将光纤用于月球地震探测面临多重挑战，但如果设法克服的话，将能带来对月球更深刻的理解。
月球地震学
在1969年至1976年间，”阿波罗”计划在月球上放置了四台地震仪，七年内记录了数千次地震事件。这些事件涵盖了月球上的浅层月震、深层月震以及陨石撞击。通过这些地震数据，人类得以初步了解了月球的内部结构。
然而，阿波罗任务所获取的地震数据也给科学家留下了一些悬而未决的问题。比如，为什么在月球远端几乎没有探测到月震的迹象？为什么阿波罗号的地震仪会探测到发生在月球表面700至1100公里以下的月震？要知道，在地球的这个深度内，由于高温和高压，岩石会呈现出塑性变形，而不会发生脆性的地震破裂现象。
要解答上述问题，就需要部署更多的地震仪，在覆盖更大范围的同时，也能记录到环境更为恶劣区域的地震事件。科学家认为，光纤地震网络非常适合在月球环境下开展这项任务。
光纤地震网络的优势
DAS利用长光纤内部的微小缺陷作为地震传感器。位于光纤一端的名为”解调仪”的仪器向光纤发送激光脉冲，激光脉冲会在光纤中传播并被各个缺陷点反射。当光纤受到像是地震波的影响而产生变形时，研究人员就能分析反射回来的激光脉冲的变化，从而推断出地震波的信息。
与传统的地震仪相比，DAS技术有着许多优势，它可以提供一个非常密集的地震阵列，一根电缆就能获取数千个独立的传感器。
月表环境带来的挑战
月球地震学面临的巨大挑战之一是覆盖在月球表面的那层被称为”月壤”的疏松碎石层。月震发生之后，最初产生的部分地震波会被月壤层散射，这种散射会模糊甚至淹没后来的地震波，让科学家难以获取有关月球深层结构的信息。
针对这个问题，研究人员进行了实验论证。他们发现，DAS阵列中的大量传感器所收集的数据，能够利用一种被称为”阵列叠加”的信号处理技术来分离有效的地震信号。经过处理，科学家们就能”看到”隐藏在散射波中的深层信号，并降低背景噪声的影响。
为了验证设想，该研究团队制作了人工地震图，这些模拟数据基于阿波罗任务期间收集的真实月震数据构建而成。通过在模拟地震图上应用”阵列叠加”技术，他们成功地分辨出了ScS波相。这是一种在地震发生后、从震源向月球核心传播并在反射到月表前形成的特殊的剪切波（S波）。
部署前的准备以及未来的应用
在真正将光纤阵列部署到月球之前，有必要进行一系列数值模拟实验。这些实验能帮助科学家确定从月震信号中能够获取哪些数据，以及这些数据将如何被用于研究月球的深层结构。
研究人员指出，如果能在月球长期为一个光纤地震网络提供能源并且进行及时维护的话，该网络将能够运行数十年之久。从地球的经验看，光纤地震网络如果能源供应稳定，就可以持续运作数十年。
此外，该研究团队在论文中表示，光纤月震监测网络可以与其他月球科学计划相结合。例如在月球背面放置射电望远镜的设想（本身也需要光纤电缆连接天线），可以与光纤地震网络合用部分基础设施。Wu认为，将这些项目结合起来能够节约成本，并最大化科学回报的产出。
研究论文：Wenbo Wu, Zhongwen Zhan, Mark Panning, Andrew Klesh; Fiber Seismic Network on the Moon. Seismological Research Letters 2024; doi: https://doi.org/10.1785/0220230067
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