Seismologer overvåger ridgecrest-efterskælv ved hjælp af et nyt fiberoptisk netværk

Seismologer fra Caltech bruger fiberoptiske kabler til at overvåge og registrere efterskælvene fra 2019 Ridgecrest jordskælvssekvensen mere detaljeret end tidligere muligt. Tusindvis af små efterskælv forekommer i hele regionen hver dag, hvoraf et hidtil uset antal nu vil kunne spores og studeres.

Den begyndende teknik involverer at skyde en lysstråle ned i en "mørke, " eller ubrugte, fiberoptisk kabel. Når strålen rammer små ufuldkommenheder i kablet, en minimal del af lyset reflekteres tilbage og registreres.

På denne måde, hver ufuldkommenhed fungerer som et sporbart waypoint langs det fiberoptiske kabel, som typisk er begravet flere meter under jordens overflade. Seismiske bølger, der bevæger sig gennem jorden, får kablet til at udvide sig og trække sig minutiøst sammen, som ændrer lysets rejsetid til og fra disse waypoints. Ved at overvåge disse ændringer, seismologer kan observere bevægelsen af ​​seismiske bølger.

"Disse ufuldkommenheder opstår ofte nok til, at hvert par meter fiber fungerer som et individuelt seismometer. For de 50 kilometer fiberoptiske kabel på tre forskellige steder, vi har brugt til projektet, det svarer nogenlunde til at implementere over 6, 000 seismometre i området, " siger Zhongwen Zhan, assisterende professor i geofysik, hvem der leder indsatsen.

Projektet blev iværksat få dage efter, at de to store jordskælv ramte Ridgecrest-området. Zhan ringede rundt, søger efter ubrugt fiberoptisk kabel, der ville være langt nok og tæt nok på det seismisk aktive område til at være nyttigt. Til sidst, lederen af ​​Inyokern Lufthavn, Scott Seymour (som også havde tilbudt brugen af ​​fibernettet omkring lufthavnen), forbundet Zhan med Michael Ort, den administrerende direktør for California Broadband Cooperative's Digital 395-projekt. Projektet sigter mod at bygge et nyt 583-mile fibernetværk, der hovedsageligt følger U.S. Route 395, som løber nord-syd langs den østlige side af Sierra Nevada, passerer nær Ridgecrest.

Digital 395 har tilbudt at lade Zhan bruge tre segmenter af sit fiberoptiske kabel:10 kilometer fra Ridgecrest mod vest, og to sektioner både nord og syd for Olancha, tæt på, hvor der var intens seismisk aktivitet udløst af M7.1-skælvet. "Jordskælvene den 4.-5. juli skabte et 50 kilometer langt brud, der har udløst efterskælv i separate regioner, som vi vil være i stand til at studere, " siger Zhan. I mellemtiden, de føleinstrumenter, som Zhan tilsluttede til det fiberoptiske kabel til projektet, blev leveret af producenterne OptaSense og Silixa.

Zhans team blev også indsat længere sydpå ved Goldstone Deep Space Communications Complex, et NASA-anlæg drevet af JPL. (JPL administreres af Caltech for NASA.) Webstedet, som ligger tæt på Fort Irwin, vært for et mørkt fibernetværk, som Zhan tidligere brugte til at teste den fiberoptiske seismiske overvågningsteknologi. "Det er kun omkring 70 kilometer fra Ridgecrest, så det ville være et godt tidspunkt at gå tilbage, " han siger.

Umiddelbart efter jordskælvet, USGS indsatte også midlertidige seismometre omkring Ridgecrest for at overvåge efterskælv. Zhan siger, at hans fiberoptiske system vil komplementere snarere end duplikere denne indsats. De midlertidige seismometre er i stand til at dække et bredere område, men producerer sparsommere aflæsninger, han siger. De har også tendens til at være batteridrevne og ikke-netværksforbundne, hvilket betyder, at de data, de registrerer, ikke vil være tilgængelige, før deres batterier er løbet tør og er hentet, mens en del af dataene fra Zhans fiberoptiske system vil være tilgængelige med det samme.

Selvom Ridgecrest seismisk overvågning vil være midlertidig, Zhan og hans kolleger håber at etablere lignende systemer permanent i nøglebyer i det sydlige Californien. Dette arbejde begyndte med et pilotprojekt i 2018, der involverede Caltech Seismological Laboratory og byen Pasadena til at bruge en del af byens mørke fibre til at overvåge vejret i området.

"Kombinationen af ​​Pasadena-fiberarrayet og Ridgecrest-installationerne har givet to vigtige videnskabelige førstepunkter:Pasadena-arrayet er det første eksempel på et permanent jordskælvsovervågningssystem, der bruger fiberoptik, mens Ridgecrest installerer, også en første inden for jordskælvsovervågning, giv os et glimt af, hvad vi kunne se, hvis vi var i stand til konstant at lyse mørke fibre op i hele det sydlige Californien, " siger Michael Gurnis, John E. og Hazel S. Smits professor i geofysik og direktør for Caltech Seismological Laboratory. "De giver os mulighed for at observere og forstå, hvordan seismiske bølger giver genlyd gennem vores komplekse bjerge og bassiner efter en stor storm."

Oplysningerne indsamlet fra Ridgecrest fibernetværk vil hjælpe seismologer med at lære mere om, hvordan jordskælvssekvenser henfalder og migrerer gennem jorden, og vil tilbyde flere detaljer om, hvordan seismiske bølger bevæger sig i hele regionen omkring Ridgecrest.

Behandling af den store mængde data, som det fiberoptiske system indsamler, vil tage måneder, selv ved at bruge automatiserede systemer, siger Zhan, som anslår, at hans team vil modtage i størrelsesordenen 10 til 20 terabyte data i løbet af de næste par måneder.

"Dette vil holde os beskæftiget et stykke tid, men i sidste ende, vi får et klarere billede af, hvordan denne sekvens udviklede sig, end det ellers ville være muligt, " siger Zhan.