Undersøgelse viser potentiale for at bruge fiberoptiske netværk til at vurdere jordens bevægelser under jordskælv

En ny undersøgelse fra en forsker fra University of Michigan og kolleger ved tre institutioner viser potentialet for at bruge eksisterende netværk af nedgravede optiske fibre som et billigt observatorium til overvågning og undersøgelse af jordskælv.

Undersøgelsen giver nye beviser for, at de samme optiske fibre, der leverer højhastighedsinternet og HD-video til vores hjem, en dag kan fungere som seismiske sensorer.

"Fiberoptiske kabler er rygraden i moderne telekommunikation, og vi har demonstreret, at vi kan omdanne eksisterende netværk til omfattende seismiske arrays for at vurdere jordens bevægelser under jordskælv, " sagde UM-seismolog Zack Spica, første forfatter til et papir offentliggjort online 12. februar i tidsskriftet JGR Solid Earth .

Undersøgelsen blev udført ved hjælp af et prototype-array ved Stanford University, hvor Spica var postdoc i flere år, inden han for nylig kom til U-M-fakultetet som adjunkt ved Institut for Jord- og Miljøvidenskab. Medforfattere omfatter forskere ved Stanford og fra Mexico og Virginia.

"Dette er første gang, at fiberoptisk seismologi er blevet brugt til at udlede et standardmål for underjordiske egenskaber, som bruges af jordskælvsingeniører til at forudse alvoren af ​​rystelser, " sagde geofysiker Greg Beroza, en medforfatter på papiret og Wayne Loel Professor i Stanford's School of Earth, Energi- og miljøvidenskab.

For at omdanne et fiberoptisk kabel til en seismisk sensor, forskerne forbinder et instrument kaldet en laserinterrogator til den ene ende af kablet. Den skyder pulser af laserlys ned i fiberen. Lyset hopper tilbage, når det støder på urenheder langs fiberen, skabe et "backscatter-signal", der analyseres af en enhed kaldet et interferometer.

Ændringer i backscatter-signalet kan afsløre, hvordan fiberen strækkes eller komprimeres som reaktion på forbipasserende forstyrrelser, herunder seismiske bølger fra jordskælv. Teknikken kaldes distribueret akustisk sansning, eller DAS, og er blevet brugt i årevis til at overvåge tilstanden af ​​rørledninger og brønde i olie- og gasindustrien.

Den nye undersøgelse i JGR Solid Earth udvider tidligere arbejde med 3-mile Stanford-testsløjfen ved at producere højopløsningskort over den lavvandede undergrund, som videnskabsmænd kan bruge til at se, hvilke områder der vil undergå de kraftigste rystelser i fremtidige jordskælv, sagde Beroza.

Ud over, undersøgelsen viser, at optiske fibre kan bruges til at registrere seismiske bølger og opnå hastighedsmodeller og resonansfrekvenser for jorden - to parametre, der er afgørende for forudsigelse af jordbevægelse og vurdering af seismisk fare. Spica og hans kolleger siger, at deres resultater er i god overensstemmelse med en uafhængig undersøgelse, der brugte traditionelle teknikker, derved validerer metoden for fiberoptisk seismologi.

Denne tilgang ser ud til at have et stort potentiale til brug i store, jordskælvstruede byer som San Francisco, Los Angeles, Tokyo og Mexico City, hvor tusindvis af miles af optiske kabler er begravet under overfladen.

"Det, der er fantastisk ved at bruge fiber til dette, er, at byer allerede har det som en del af deres infrastruktur, så alt vi skal gøre er at bruge det, " sagde Beroza.

Mange af disse bycentre er bygget oven på bløde sedimenter, der forstærker og forlænger jordskælvsrystelser. Den overfladenære geologi kan variere betydeligt fra kvarter til kvarter, fremhæver behovet for detaljerede, stedspecifik information.

Men at få den slags information kan være en udfordring med traditionelle teknikker, som involverer indsættelse af store seismometer-arrays - tusindvis af sådanne instrumenter i Los Angeles-området, for eksempel.

"I byområder, det er meget svært at finde et sted at installere seismiske stationer, fordi asfalt er overalt, Spica sagde. mange af disse jorder er private og ikke tilgængelige, og du kan ikke altid lade en seismisk station stå alene på grund af risikoen for tyveri.

"Fiberoptik kan en dag markere afslutningen på sådanne store og dyre eksperimenter. Kablerne er begravet under asfalten og krydser hele byen, uden nogen af ​​ulemperne ved overfladeseismiske stationer."

Teknikken ville sandsynligvis være ret billig, såvel, sagde Spica. Typisk, kommercielle fiberoptiske kabler indeholder ubrugte fibre, der kan lejes til andre formål, herunder seismologi.

I øjeblikket, traditionelle seismometre giver bedre ydeevne end prototypesystemer, der bruger fiberoptisk sensing. Også, seismometre registrerer jordens bevægelser i tre retninger, mens optiske fibre kun føler langs fiberens retning.

Det 3-mile Stanford fiberoptiske array og dataindsamling blev muliggjort af en kollektiv indsats fra Stanford IT-tjenester, Stanford Geofysik, og OptaSense Ltd. Finansiel støtte blev ydet af Stanford Exploration Project, det amerikanske energiministerium og Schlumberger Fellowship.

Den næste fase af projektet involverer et meget større testarray. En 27-mile loop blev dannet for nylig ved at forbinde optiske fibre på Stanfords historiske campus med fibre på flere andre nærliggende steder.

De andre forfattere af JGR Solid Earth papir er Biondo Biondi fra Stanford, Mathieu Perton fra Universidad Nacional Autónoma de México og Eileen Martin fra Virginia Tech.