Forskere bygger en milliard sensorer jordskælvsobservatorium med optiske fibre

Tusindvis af kilometer begravede optiske fibre krydser Californiens San Francisco Bay Area og leverer højhastighedsinternet og HD-video til hjem og virksomheder.

Biondo Biondi, professor i geofysik ved Stanford's School of Earth, Energi- og miljøvidenskab, drømmer om at gøre det tætte netværk til et billigt "milliard sensorer" observatorium til løbende at overvåge og studere jordskælv.

I løbet af det sidste år, Biondis gruppe har vist, at det er muligt at konvertere jiggles af forstyrrede optiske fibertråde til information om retningen og størrelsen af ​​seismiske begivenheder.

Forskerne har registreret disse seismiske jiggles i en 3-mile loop af optisk fiber installeret under Stanford University campus med instrumenter kaldet laserinterrogatorer leveret af virksomheden OptaSense, som er medforfatter på publikationer om forskningen.

"Vi kan løbende lytte til - og høre godt - Jorden ved hjælp af allerede eksisterende optiske fibre, der er blevet indsat til telekomformål, "Sagde Biondi.

I øjeblikket overvåger forskere jordskælv med seismometre, som er mere følsomme end det foreslåede telekomarray, men deres dækning er sparsom, og de kan være udfordrende og dyre at installere og vedligeholde, især i byområder.

Derimod, et seismisk observatorium som det, Biondi foreslår, ville være relativt billigt at betjene. "Hver meter optisk fiber i vores netværk fungerer som en sensor og koster under en dollar at installere, "Sagde Biondi." Du vil aldrig være i stand til at oprette et netværk ved hjælp af konventionelle seismometre med den slags dækning, tæthed og pris. "

Et sådant netværk ville give forskere mulighed for at studere jordskælv, især mindre, mere detaljeret og præcisere deres kilder hurtigere, end det i øjeblikket er muligt. Større sensordækning ville også muliggøre målinger med højere opløsning af jordreaktioner ved rystelser.

"Civilingeniører kunne tage, hvad de lærer om, hvordan bygninger og broer reagerer på små jordskælv fra milliard-sensorer-arrayet og bruge disse oplysninger til at designe bygninger, der kan modstå større rystelser, "sagde Eileen Martin, en kandidatstuderende i Biondis laboratorium.

Fra backscatter til signal

Optiske fibre er tynde tråde af rent glas om tykkelsen af ​​et menneskehår. De er typisk samlet sammen for at skabe kabler, der transmitterer datasignaler over lange afstande ved at konvertere elektroniske signaler til lys.

Biondi er ikke den første til at forestille sig at bruge optiske fibre til at overvåge miljøet. En teknologi kendt som distribueret akustisk sansning (DAS) overvåger allerede sundheden for rørledninger og brønde i olie- og gasindustrien.

"Sådan fungerer DAS, at når lyset bevæger sig langs fiberen, den støder på forskellige urenheder i glasset og hopper tilbage, "Sagde Martin." Hvis fiberen var helt stationær, at 'backscatter' -signalet altid ville se det samme ud. Men hvis fiberen begynder at strække sig i nogle områder - på grund af vibrationer eller belastning - ændres signalet. "

Tidligere implementering af denne form for akustisk sansning, imidlertid, krævede, at optiske fibre blev dyrt fastgjort til en overflade eller indkapslet i cement for at maksimere kontakten med jorden og sikre den højeste datakvalitet. I modsætning, Biondis projekt under Stanford - kaldet det fiberoptiske seismiske observatorium - anvender de samme optiske fibre som teleselskaber, som ligger usikrede og frit svævende inde i hule plastrør.

"Folk troede ikke på, at det ville fungere, "Sagde Martin." De antog altid, at en ukoblet optisk fiber ville generere for meget signalstøj til at være nyttig. "

Men siden det fiberoptiske seismiske observatorium i Stanford begyndte at fungere i september 2016, den har registreret og katalogiseret mere end 800 begivenheder, lige fra menneskeskabte begivenheder og små, følte næsten ikke lokale templer til magtfulde, dødelige katastrofer som de seneste jordskælv, der ramte mere end 2, 000 miles væk i Mexico. I et særligt afslørende eksperiment, det underjordiske array fangede signaler fra to små lokale jordskælv med størrelser på 1,6 og 1,8.

"Som forventet, begge jordskælv havde den samme bølgeform, eller mønster, fordi de stammer fra det samme sted, men amplituden af ​​det større skælv var større, "Biondi sagde." Dette viser, at fiberoptisk seismisk observatorium korrekt kan skelne mellem forskellige jordskælv. "

Vigtigt, arrayet også opdaget og skelnet mellem to forskellige typer bølger, der bevæger sig gennem jorden, kaldet P- og S -bølger. "Et af vores mål er at bidrage til et system til advarsel om tidligt jordskælv. Det vil kræve evnen til at detektere P -bølger, som generelt er mindre skadelige for S -bølgerne, men ankommer meget tidligere, "Sagde Martin.

Det fiberoptiske seismiske observatorium ved Stanford er blot det første skridt mod at udvikle et seismisk netværk i hele Bay Area, Biondi sagde, og der er stadig mange forhindringer at overvinde, såsom at demonstrere, at matrixen kan fungere i storbyskala.