火车的振动可以帮助地震学家观察地下情况

探索地下是一件低调的事情。了解脚下有什么对于从寻找矿物到预测地震等所有事情都至关重要。为了找到更好的方法探索地下，科学家们求助于一个独特的来源：火车。

行驶的火车会向地面发射地震波，就像一场持续不断的微型地震。当这些地震波冲刷地表下的地质特征时，它们会相应地改变形状。在过去十年中，科学家们发现他们可以利用这些地震波，从远处聆听它们的振动，并解析噪音，从而绘制出这些地震波经过的地方的图像。

放置地震仪

为了监听这些地震波，研究人员首先要安装地震仪阵列。这些传感器不必安装在轨道旁边，它们可以安装在几十英里之外。要对某个区域进行成像，研究人员通常只需要一个阵列。如果他们有兴趣监测地下特征（例如断层线），那么研究人员会在该特征的两侧放置两个阵列。

“与竭尽全力将火车产生的噪音降至最低的工程师不同，我们地震学家则认为噪音越大越好，”法国格勒诺布尔阿尔卑斯大学的博士后研究员弗朗索瓦拉沃埃 (François Lavoué) 说，该校是地震学家一直在研究火车的几个地方之一。

这就是为什么长货运列车（例如穿越北美大陆的列车）是理想的选择。事实上，科学家估计，一列一公里长（0.6 英里长）的货运列车在 10 公里（6.2 英里）的铁轨上隆隆驶过，相当于里氏 1.0 级地震。“这听起来可能很小，”拉沃埃说，“但它远高于背景地震噪声水平，我们的高灵敏度地震仪可以很容易地检测到它。”

如果你只是在地面上安装传感器，然后聆听地球运动的环境噪音，你可能需要连续聆听数周或数月才能了解脚下的情况。另一方面，如果你使用火车的噪音，那么只需不到十几列火车，你就能获得清晰的图像。

将火车噪音变成图片

从火车噪音到可用图像的过程涉及几个步骤。货运列车的来往频率远高于地震，但它们往往不按固定时间表运行。这意味着传感器需要持续运行，长达一个月。为了防止大量不必要的数据堆积，传感器需要自动识别火车何时到达，然后将这些数据传递出去。

一旦他们这样做了，研究人员就不再关心一台地震仪上发生了什么；他们关心的是传感器之间发生了什么。因此，当研究人员从多个传感器收集数据时，他们会对其进行交叉关联，以找出每个传感器听到的声音之间的差异。这将数据转化为可用的信号。

接下来是棘手的部分。研究人员必须将火车波与波经过的回声分离出来。“具体如何做到这一点仍在进行中，而且很可能取决于具体情况，”拉沃埃说。火车的地震特征会随着火车的速度、车轮间距和轨道下地面的硬度而变化。为了滤除这种特征，科学家需要深入了解这些特性。

但一旦地震学家掌握了这些信息，他们就可以利用在多个点收集的数据拼凑出地表之下的图像。

奔向未来

Lavoué 认为，使用火车的主要优势在于，火车是传播地震波的绝佳来源，这种地震波在地表深处传播，当接触到地下特征时就会发生变化。通常，这些深度会被地表上传播的其他波所掩盖。火车产生的噪音非常大，深层波可以穿透。

但这些表面波还有另一个缺点：火车不太擅长产生这些波。因此，研究人员发现利用火车在地面附近进行成像更加困难，尽管像 Lavoué 的同事 Laura Pinzon-Rincon 这样的科学家正在努力通过更好地理解火车信号来克服这一障碍。

西北大学地震学家苏珊·范德李 (Suzan van der Lee) 表示，尽管使用火车进行地震勘探相对较新，但这种方法在地震学界已广为人知。拉沃埃表示，格勒诺布尔阿尔卑斯大学的科学家已在寻找方法将其付诸实践：在安大略省和瑞典寻找矿物，以及在加利福尼亚州监测断层。

过去，地震学家可能需要用炸药炸开地面，才能看到地下。现在，他们开始利用现有的噪声源，比如海浪和风的环境噪声，或者交通、钻井和火车产生的人类噪音。由于已经有如此多的铁路线环绕整个大陆，它们可能是揭开我们脚下全新世界的关键。