Mørke fibre lægger grunden til jordskælvsdetektion over lange afstande og kortlægning af grundvand

I traditionel seismologi, forskere, der studerer, hvordan jorden bevæger sig i øjeblikke før, i løbet af, og efter et jordskælv stole på sensorer, der koster titusindvis af dollars at lave og installere under jorden. Og på grund af udgifterne og arbejdskraften involveret, kun få seismiske sensorer er blevet installeret i fjerntliggende områder i Californien, gør det svært at forstå virkningerne af fremtidige jordskælv såvel som små jordskælv, der forekommer på ukortlagte forkastninger.

Nu har forskere ved det amerikanske energiministeriums Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) fundet ud af en måde at overvinde disse forhindringer ved at dreje dele af en 13, 000 kilometer lang testleje af "mørk fiber, "ubrugt fiberoptisk kabel ejet af DOE Energy Sciences Network (ESnet), ind i en meget følsom seismisk aktivitetssensor, der potentielt kan øge ydeevnen for tidlige varslingssystemer for jordskælv, der i øjeblikket udvikles i det vestlige USA. Undersøgelsen, der beskriver arbejdet - den første til at bruge et stort regionalt netværk som jordskælvssensor - blev offentliggjort i denne uge i Nature's Videnskabelige rapporter .

Ryster op i seismologi med mørk fiber

Ifølge Jonathan Ajo-Franklin, en stabsforsker i Berkeley Labs Earth and Environmental Sciences Area, der ledede undersøgelsen, der er cirka 10 millioner kilometer fiberoptisk kabel rundt om i verden, og omkring 10 procent af det består af mørke fibre.

Ajo-Franklin-gruppen har arbejdet hen imod denne type eksperiment i flere år. I en undersøgelse fra 2017, de installerede et fiberoptisk kabel i en lav grøft i Richmond, Californien, og demonstrerede, at en ny sanseteknologi kaldet distributed akustisk sensing (DAS) kunne bruges til billeddannelse af den lavvandede undergrund. DAS er en teknologi, der måler seismiske bølgefelter ved at skyde korte laserimpulser på tværs af fiberens længde. I en opfølgende undersøgelse, de og en gruppe samarbejdspartnere demonstrerede for første gang, at fiberoptiske kabler kunne bruges som sensorer til at detektere jordskælv.

Den aktuelle undersøgelse anvender den samme DAS -teknik, men i stedet for at installere deres eget fiberoptiske kabel, forskerne kørte deres eksperimenter på et 20-mile segment af de 13, 000 kilometer lang ESnet Dark Fiber Testbed, der strækker sig fra West Sacramento til Woodland, Californien. "For yderligere at verificere vores resultater fra 2017-undersøgelsen, vi vidste, at vi skulle køre DAS-testene på et egentligt mørkt fibernetværk, " sagde Ajo-Franklin, som også leder Berkeley Labs Geofysikafdeling.

"Da Jonathan henvendte sig til mig om at bruge vores Dark Fiber Testbed, Jeg vidste ikke engang, at det var muligt" at bruge et netværk som en sensor, sagde Inder Monga, Direktør for ESnet og direktør for Scientific Networking Division i Berkeley Lab. "Ingen havde udført dette arbejde før. Men mulighederne var enorme, så jeg sagde, 'Jo da, Lad os gøre det!"

Chris Tracy fra ESnet arbejdede tæt sammen med forskerne for at finde ud af logistikken i implementeringen. Teleselskabet CenturyLink leverede fiberinstallationsoplysninger.

Fordi ESnet Testbed har regional dækning, forskerne var i stand til at overvåge seismisk aktivitet og miljøstøj med finere detaljer end tidligere undersøgelser.

"Dækningen af ​​ESnet Dark Fibre Testbed gav os underjordiske billeder i en højere opløsning og større skala, end det ville have været muligt med et traditionelt sensornetværk, "sagde medforfatter Verónica Rodríguez Tribaldos, en postdoktor i Ajo-Franklins laboratorium. "Konventionelle seismiske netværk anvender ofte kun et par dusin sensorer adskilt med adskillige kilometer for at dække et så stort område, men med ESnet Testbed og DAS, vi har 10, 000 sensorer på en linje med en afstand på to meter. Det betyder, at du med kun et fiberoptisk kabel kan indsamle meget detaljerede oplysninger om jordens struktur over flere måneder. "

Graver dybt efter data under jorden

Efter syv måneders brug af DAS til at optage data gennem ESnet Dark Fiber Testbed, forskerne beviste, at fordelene ved at bruge en kommerciel fiber er mangfoldige. "Bare ved at lytte i 40 minutter, denne teknologi har potentialet til at gøre omkring 10 forskellige ting på én gang. Vi var i stand til at opfange meget lavfrekvente bølger fra fjerne jordskælv såvel som de højere frekvenser genereret af nærliggende køretøjer, "sagde Ajo-Franklin. Teknologien tillod forskerne at fortælle forskellen mellem en bil eller et tog i bevægelse versus et jordskælv, og at opdage både lokale og fjerne jordskælv, fra Berkeley til Gilroy til Chiapas, Mexico. Teknologien kan også bruges til at karakterisere jordkvalitet, give oplysninger om grundvandsmagasiner, og integreres i geotekniske studier, han tilføjede.

Med et så detaljeret billede af undergrunden, teknologien har potentiale til brug i time-lapse undersøgelser af jordens egenskaber, sagde Rodríguez Tribaldos. For eksempel, i miljøovervågning, dette værktøj kan bruges til at opdage langsigtede grundvandsændringer, smeltning af permafrost, eller de hydrologiske ændringer, der er involveret i jordskredfare.

Den aktuelle undersøgelses resultater tyder også på, at forskere måske ikke længere skal vælge mellem datakvalitet og omkostninger. "Mobiltelefonsensorer er billige og fortæller os, når et stort jordskælv sker i nærheden, men de vil ikke være i stand til at registrere planetens fine vibrationer, "sagde medforfatter Nate Lindsey, en kandidatstuderende fra UC Berkeley, der ledede feltarbejdet og jordskælvsanalysen for 2017-undersøgelsen. "I dette studie, Vi viste, at billig fiberoptik opfanger de små jordbevægelser med overraskende kvalitet."

Med 300 terabyte rådata indsamlet til undersøgelsen, forskerne er blevet udfordret til at finde måder til effektivt at håndtere og behandle "brandslangen" af seismisk information. Ajo-Franklin expressed hope to one day build a seismology data portal that couples ESnet as a sensor and data transfer mechanism, with analysis and long-term data storage managed by Berkeley Lab's supercomputing facility, NERSC (National Energy Research Scientific Computing Center).

Monga added that even though the Dark Fiber Testbed will soon be lit for the next generation of ESnet, dubbed "ESnet 6, " there may be sections that could be used for seismology. "Although it was completely unexpected that ESnet—a transatlantic network dedicated for research—could be used as a seismic sensor, it fits perfectly within our mission, " he said. "At ESnet, we want to enable scientific discovery unconstrained by geography."