Forskere anvender med succes distribueret akustisk sensing til seismisk overvågning

Forskere ved Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har for første gang vist, at mørk fiber - det enorme netværk af ubrugte fiberoptiske kabler installeret i hele landet og verden - kan bruges som sensorer til at detektere jordskælv, tilstedeværelsen af ​​grundvand, ændringer i permafrostforhold, og en række andre underjordiske aktiviteter.

I et par nyligt offentliggjorte artikler, et hold ledet af Berkeley Lab-forsker Jonathan Ajo-Franklin annoncerede, at de med succes havde kombineret en teknologi kaldet "distribueret akustisk sensing, "som måler seismiske bølger ved hjælp af fiberoptiske kabler, med nye behandlingsteknikker for at tillade pålidelig seismisk overvågning, opnå resultater, der kan sammenlignes med, hvad konventionelle seismometre kan måle.

"Dette har et enormt potentiale, fordi du bare kan forestille dig lange strækninger af fibre bliver omdannet til et massivt seismisk netværk, " sagde Shan Dou, en Berkeley Lab postdoc. "Ideen er, at ved at bruge fiber, der kan begraves under jorden i lang tid, vi kan transformere trafikstøj eller andre omgivende vibrationer til brugbare seismiske signaler, der kan hjælpe os med at overvåge overfladenære ændringer såsom permafrost-optøning og grundvandsniveauudsving."

Dou er hovedforfatteren til "Distributed Acoustic Sensing for Seismic Monitoring of the Near Surface:A Traffic-Noise Interferometry Case Study, " som blev offentliggjort i september i Nature's Videnskabelige rapporter og verificerede teknikken til overvågning af Jordens nære overflade. For nylig, Ajo-Franklins gruppe offentliggjorde en opfølgende undersøgelse ledet af UC Berkeley kandidatstuderende Nate Lindsey, "Fiberoptiske netværksobservationer af jordskælvsbølgefelter, "ind Geofysiske forskningsbreve (GRL) , som demonstrerer levedygtigheden af ​​at bruge fiberoptiske kabler til jordskælvsdetektion.

Hvad er mørke fibre?

Mørk fiber refererer til ubrugt fiberoptisk kabel, hvoraf der er overflod takket være et enormt hastværk med at installere kablet i begyndelsen af ​​1990'erne af teleselskaber. Ligesom kablerne blev begravet under jorden, teknologien til at overføre data blev væsentligt forbedret, så der var brug for færre kabler. Der er nu tætte korridorer af mørke fibre, der krydser hele landet.

Distribueret akustisk sensing (DAS) er en ny teknologi, der måler seismiske bølgefelter ved at skyde korte laserimpulser på tværs af fiberens længde. "Grundtanken er, laserlyset bliver spredt af små urenheder i fiberen, " sagde Ajo-Franklin. "Når fiber er deformeret, vi vil se forvrængninger i det tilbagespredte lys, og fra disse forvrængninger, vi kan måle, hvordan selve fiberen bliver klemt eller trukket."

Ved at bruge et testarray, de installerede i Richmond, Californien - med fiberoptisk kabel placeret i en lavvandet L-formet rende, et ben på omkring 100 meter parallelt med vejen og et andet vinkelret - forskerne bekræftede, at de kunne bruge seismiske bølger genereret af bytrafik, som biler og tog, at afbilde og overvåge de mekaniske egenskaber af lavvandede jordlag.

Målingerne giver information om, hvor "squishy" jorden er på et givet tidspunkt, gør det muligt at udlede en stor mængde information om jordens egenskaber, såsom dets vandindhold eller tekstur. "Forestil dig en slinky - den kan komprimere eller vrikke, " sagde Ajo-Franklin. "De svarer til forskellige måder, du kan presse jorden på, og hvor meget energi det tager at reducere dens volumen eller forskyde den."

Han tilføjede:"Det smarte ved det er, at du foretager målinger på tværs af hver lille fiberenhed. Alle refleksioner kommer tilbage til dig. Ved at kende dem alle og vide, hvor lang tid det tager for et laserlys at rejse tilbage og frem på fiberen kan du bakke ud af, hvad der sker på hvert sted. Så det er en virkelig distribueret måling."

Efter at have bevist konceptet under kontrollerede forhold, holdet sagde, at de forventer, at teknikken virker på en række eksisterende telekommunikationsnetværk, og de udfører i øjeblikket opfølgende eksperimenter på tværs af Californien for at demonstrere dette. Igangværende forskning i Alaska udforsker også den samme teknik til at overvåge stabiliteten af ​​arktisk permafrost.

Tilføjet Dou:"Vi kan overvåge den nære overflade rigtig godt ved ikke at bruge andet end trafikstøj. Det kan være udsving i grundvandsniveauet, eller ændringer, der kunne give tidlige advarsler for en række geofarer såsom permafrost-optøning, synkehulsdannelse, og jordskred."

Brug af fiber til detektion af jordskælv

Bygger på fem års Berkeley Lab-ledet forskning, der udforsker brugen af ​​DAS til underjordisk overvågning ved hjælp af ikke-jordskælvs seismiske kilder, Ajo-Franklins gruppe har nu skubbet på konvolutten og har vist, at DAS også er et stærkt værktøj til jordskælvsovervågning.

I GRL-undersøgelsen ledet af Lindsey i samarbejde med Stanford-studerende Eileen Martin, forskerholdet tog målinger ved hjælp af DAS-teknikken på fiberoptiske arrays tre steder - to i Californien og en i Alaska. I alle tilfælde, DAS viste sig at være sammenlignelig følsom over for jordskælv som konventionelle seismometre, trods det højere støjniveau. Brug af DAS-arrays, de samlede et katalog over lokale, regional, og fjerne jordskælv og viste, at behandlingsteknikker kunne udnytte DAS' mange kanaler til at hjælpe med at forstå, hvor jordskælv stammer fra.

Ajo-Franklin sagde, at mørke fibre har den fordel at være næsten allestedsnærværende, der henviser til, at traditionelle seismometre, fordi de er dyre, er sparsomt installeret, og undersøiske installationer er særligt sparsomme. Derudover fiber giver mulighed for tæt rumlig prøvetagning, hvilket betyder, at datapunkter kun er meter fra hinanden, hvorimod seismometre typisk er adskilt med mange kilometer.

Lindsey tilføjede:"Fiber har mange konsekvenser for jordskælvsdetektion, Beliggenhed, og tidlig advarsel. Fiber går ud i havet, og det er over hele landet, så denne teknologi øger sandsynligheden for, at en sensor er tæt på brud, når der sker et jordskælv, hvilket udmønter sig i at finde små begivenheder, forbedrede jordskælvsplaceringer, og ekstra tid til tidlig advarsel."

GRL-papiret bemærker andre potentielle anvendelser ved at bruge den mørke fiber, herunder seismisk fareanalyse i byområder, global seismisk billeddannelse, offshore ubådsvulkandetektion, overvågning af nuklear eksplosion, og karakterisering af mikrojordskælv.