Undervands telekommunikationskabler udgør et fremragende seismisk netværk

Fiberoptiske kabler, der udgør et globalt undersøisk telekommunikationsnetværk, kan en dag hjælpe forskere med at studere offshore jordskælv og de geologiske strukturer gemt dybt under havoverfladen.

I et papir, der udkommer i bladet i denne uge Videnskab , forskere fra University of California, Berkeley, Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), Monterey Bay Aquarium Research Institute (MBARI) og Rice University beskriver et eksperiment, der forvandlede 20 kilometer undersøisk fiberoptisk kabel til hvad der svarer til 10, 000 seismiske stationer langs havbunden. Under deres fire-dages eksperiment i Monterey Bay, de registrerede et jordskælv med en styrke på 3,5 og seismisk spredning fra undersøiske forkastningszoner.

Deres teknik, som de tidligere havde testet med fiberoptiske kabler på land, kunne levere tiltrængte data om jordskælv, der opstår under havet, hvor der findes få seismiske stationer, efterlader 70 % af Jordens overflade uden jordskælvsdetektorer.

"Der er et enormt behov for havbundsseismologi. Enhver instrumentering, du kommer ud i havet, selvom det kun er de første 50 kilometer fra kysten, vil være meget nyttigt, " sagde Nate Lindsey, en UC Berkeley kandidatstuderende og hovedforfatter af papiret.

Lindsey og Jonathan Ajo-Franklin, en geofysikprofessor ved Rice University i Houston og en gæsteforsker ved Berkeley Lab, ledede eksperimentet med bistand fra Craig Dawe fra MBARI, som ejer det fiberoptiske kabel. Kablet strækker sig 52 kilometer offshore til den første seismiske station nogensinde placeret på gulvet i Stillehavet, sat der for 17 år siden af ​​MBARI og Barbara Romanowicz, en UC Berkeley professor ved Graduate School i Institut for Jord- og Planetvidenskab. Et permanent kabel til Monterey Accelerated Research System (MARS) node blev lagt i 2009, 20 kilometer af dem blev brugt i denne test, mens de var offline til årlig vedligeholdelse i marts 2018.

"Dette er virkelig en undersøgelse på grænsen til seismologi, første gang nogen har brugt offshore fiberoptiske kabler til at se på disse typer oceanografiske signaler eller til at afbilde fejlstrukturer, " sagde Ajo-Franklin. "En af de tomme pletter i det seismografiske netværk verden over er i havene."

Det endelige mål for forskernes indsats, han sagde, er at bruge de tætte fiberoptiske netværk rundt om i verden - formentlig mere end 10 millioner kilometer i alt, på både land og under havet – som følsomme mål for Jordens bevægelse, tillader jordskælvsovervågning i regioner, der ikke har dyre jordstationer som dem, der er spredt ud over det jordskælvsudsatte Californien og Stillehavskysten.

"Det eksisterende seismiske netværk har en tendens til at have højpræcisionsinstrumenter, men er forholdsvis sparsom, hvorimod dette giver dig adgang til et meget tættere array, " sagde Ajo-Franklin.

Fotonisk seismologi

Teknikken forskerne bruger er distribueret akustisk sansning, som anvender en fotonisk enhed, der sender korte pulser af laserlys ned i kablet og detekterer tilbagespredningen skabt af belastning i kablet, der er forårsaget af strækning. Med interferometri, de kan måle backscatter hver 2. meter (6 fod), effektivt at forvandle et 20-kilometer kabel til 10, 000 individuelle bevægelsessensorer.

"Disse systemer er følsomme over for ændringer af nanometer til hundredvis af piometer for hver meter af længden, " sagde Ajo-Franklin. "Det er en ændring på én del i en milliard."

Tidligere i år, de rapporterede resultaterne af et seks-måneders forsøg på land ved hjælp af 22 kilometer kabel nær Sacramento placeret af Department of Energy som en del af dets 13, 000-mile ESnet Dark Fiber Testbed. Mørk fiber refererer til optiske kabler lagt under jorden, men ubrugt eller udlejet til korttidsbrug, i modsætning til det aktivt brugte "oplyste" internet. Forskerne var i stand til at overvåge seismisk aktivitet og miljøstøj og opnå underjordiske billeder i en højere opløsning og større skala, end det ville have været muligt med et traditionelt sensornetværk.

"Det skønne ved fiberoptisk seismologi er, at du kan bruge eksisterende telekommunikationskabler uden at skulle udsætte 10, 000 seismometre, " sagde Lindsey. "Du går bare ud til stedet og forbinder instrumentet til enden af ​​fiberen."

Under undervandstesten, de var i stand til at måle en bred vifte af frekvenser af seismiske bølger fra et jordskælv med en styrke på 3,4, der fandt sted 45 kilometer inde i landet nær Gilroy, Californien, og kortlægge flere kendte og tidligere ikke-kortlagte undersøiske fejlzoner, del af San Gregorio Fault-systemet. De var også i stand til at detektere steady-state havbølger - såkaldte havmikroseismer - såvel som stormbølger, som alle matchede bøje- og landseismiske målinger.

"Vi har enorme videnshuller om processer på havbunden og strukturen af ​​havskorpen, fordi det er udfordrende at placere instrumenter som seismometre på bunden af ​​havet, sagde Michael Manga, en UC Berkeley professor i jord- og planetvidenskab. "Denne forskning viser løftet om at bruge eksisterende fiberoptiske kabler som arrays af sensorer til at afbilde på nye måder. Her, de har identificeret tidligere hypotesebølger, som ikke var blevet opdaget før."

Ifølge Lindsey, der er stigende interesse blandt seismologer for at registrere Jordens omgivende støjfelt forårsaget af interaktioner mellem havet og det kontinentale land:i det væsentlige, bølger, der skvulper rundt nær kystlinjer.

"Ved at bruge disse kystnære fiberoptiske kabler, vi kan dybest set se de bølger, vi er vant til at se fra kysten kortlagt på havbunden, og måden disse havbølger kobles ind i Jorden for at skabe seismiske bølger, " han sagde.

For at gøre brug af verdens oplyste fiberoptiske kabler, Lindsey og Ajo-Franklin skal vise, at de kan pinge laserimpulser gennem én kanal uden at forstyrre andre kanaler i fiberen, der bærer uafhængige datapakker. De udfører eksperimenter nu med tændte fibre, mens de også planlægger fiberoptisk overvågning af seismiske hændelser i et geotermisk område syd for det sydlige Californiens Saltonhavet, i Brawley seismiske zone.