Seismologer ser fremtiden i fiberoptiske kabler som jordskælvssensorer

Hver hårtynd glasfiber i et nedgravet fiberoptisk kabel indeholder bittesmå interne fejl - og det er en god ting for forskere, der leder efter nye måder at indsamle seismiske data på steder fra en travl bymidtby til en fjern gletsjer.

I Seismologiske forskningsbreve , California Institute of Technology seismolog Zhongwen Zhan beskriver stigende interesse for denne metode - kaldet Distributed Acoustic Sensing - og dens potentielle anvendelser. Hans papir er en del af tidsskriftets Emerging Topics-serie, hvor forfattere inviteres af SRL-redaktører til at udforske udviklinger, der former forskellige områder inden for seismologi og jordskælvsvidenskab.

DAS fungerer ved at bruge de bittesmå interne fejl i en lang optisk fiber som tusindvis af seismiske sensorer langs titusvis af kilometer fiberoptisk kabel. Et instrument i den ene ende sender laserimpulser ned i et kabel og opsamler og måler "ekkoet" af hver impuls, da det reflekteres af de interne fiberfejl.

Når fiberen forstyrres af ændringer i temperatur, belastning eller vibrationer – forårsaget af seismiske bølger, for eksempel - der er ændringer i størrelsen, frekvens og fase af laserlys spredt tilbage til DAS-instrumentet. Seismologer kan bruge disse ændringer til at bestemme den slags seismiske bølger, der kunne have stødt fiberen, selv om det kun er et par tiere af nanometer.

Følsomheden af ​​DAS -instrumenter er forbedret markant i løbet af de sidste fem år, åbne nye muligheder for deres implementering, sagde Zhan. "Følsomheden bliver bedre og bedre, til det punkt, at hvis man for nogle år siden sammenligner bølgeformerne fra en fibersektion med en geofon, de ligner hinanden meget."

Deres ydeevne gør dem velegnede til brug på tværs af en række miljøer, især på steder, hvor det ville være for dyrt at etablere et mere følsomt eller tæt seismisk netværk. Forskere kan også udnytte de store mængder ubrugt eller "mørk" fiber, der tidligere er blevet nedlagt af teleselskaber og andre. Et par tråde af et større kabel, sagde Zhan, ville tjene en seismologs formål.

Zhan sagde, at olie- og gasindustrien har været en af ​​de største drivkræfter bag den nye metode, da de brugte kabel ned i borehuller til at overvåge væskeændringer i dybvandsoliefelter og under hydraulisk frakturering og spildevandsinjektion.

DAS -forskere mener, at metoden er særligt lovende til seismisk overvågning i barske miljøer, som Antarktis - eller månen. Med et almindeligt netværk af seismometre, videnskabsmænd "skal beskytte og drive hver enkelt knude" af instrumenter i netværket, Zhan forklarede. "Hvor for DAS, du lægger en lang fiberstreng, som er ret robust, og alle dine følsomme instrumenter er kun i den ene ende af fiberen."

"Du kan forestille dig, at på månen eller en anden planet, med et scenarie med høj stråling eller høj temperatur, elektronikken overlever måske ikke så længe i det miljø, " tilføjede han. "Men fiber kan."

Forskere bruger allerede DAS til at undersøge optønings- og frysecyklusser i permafrost og på gletsjere, for bedre at karakterisere deres dynamiske bevægelse af isstrømme og glidning på grundfjeldet, som kunne hjælpe forskere med at lære mere om, hvordan isafsmeltning drevet af klimaændringer bidrager til havniveaustigning.

I øjeblikket, rækkevidden for de fleste DAS-systemer er 10 til 20 kilometer. Forskere håber at udvide dette i den nærmeste fremtid til 100 kilometer, Zhan sagde, som kunne være nyttig til seismisk dækning i havbundsmiljøer, herunder offshore subduktionszoner.

DAS er også velegnet til hurtig reaktion efter jordskælv, især i områder, hvor mørke fibre er talrige, og seismologer har truffet foranstaltninger til at bruge fiberen på forhånd. Efter Ridgecrest-jordskælvene i 2019 i det sydlige Californien, for eksempel, Zhan og hans kolleger bevægede sig hurtigt for at overvåge efterskælvets sekvens i området ved hjælp af DAS. "Vi forvandlede omkring 50 kilometer kabel til mere end 6, 000 sensorer på tre dage, " han sagde.

Hvis seismologer har gjort deres benarbejde med at identificere og anmode om adgang til fibre på forhånd, Zhan sagde, et DAS-system kan indsættes inden for få timer efter et jordskælv.

En udfordring ved at bruge fiber er at vide præcis, hvordan den ligger i jorden. Med DAS -metoden, forskere ved, hvor langt langs en fiber en bestemt sensor ligger, men hvis det fiberoptiske kabel er snoet eller bøjet eller hænger, beregningerne kunne være ude. For at afhjælpe dette, Seismologer laver nogle gange en "tap-test" - som kortlægger forhammerslag langs jorden over kablet med GPS, da slagene giver genlyd fra fiberen for at skabe en slags ekkolodsbillede af dens drejninger og drejninger.

DAS-sensorer indeholder også mere "selvstøj" - seismiske baggrundssignaler, der kan interferere med en jordskælvsidentifikation - end traditionelle seismiske sensorer, "men vi ved ærligt talt ikke hvorfor, " sagde Zhan. Noget af støjen kan komme fra de forespørgende laserimpulser, som måske ikke er stabil, eller fra selve kablet. Nogle kabler ligger løst i deres tunneler, og andre har flere fiberstik, som kan frembringe refleksion og tab af lyssignalet.

"Mens den stadig var i sin vorden, DAS har allerede vist sig som det arbejdende hjerte - eller måske trommehinder - i et værdifuldt nyt seismisk lytteværktøj, " konkluderede Zhan.