Волоконно-оптические кабели, составляющие глобальную подводную телекоммуникационную сеть, однажды могут помочь ученым в изучении морских землетрясений и геологических структур, скрытых глубоко под поверхностью океана.
В статье, опубликованной на этой неделе в журнале Science, исследователи из Калифорнийского университета в Беркли, Национальной лаборатории Лоуренса Беркли (Berkeley Lab), Исследовательского института аквариумов Монтерей-Бей (MBARI) и Университета Райса описывают эксперимент, который превратил 20 километров подводного оптоволоконного кабеля в эквиваленте 10 000 сейсмических станций на дне океана. Во время своего четырехдневного эксперимента в заливе Монтерей они зафиксировали землетрясение магнитудой 3,5 и рассеяние сейсмических волн от подводных разломов.
Их метод, который они ранее тестировали с помощью волоконно-оптических кабелей на суше, может предоставить столь необходимые данные о землетрясениях, которые происходят под водой, где есть несколько сейсмических станций, оставляя 70% поверхности Земли без детекторов землетрясений..
«Существует огромная потребность в сейсмологии морского дна. Любая аппаратура, которую вы вытащите в океан, даже если она будет установлена только на первые 50 километров от берега, будет очень полезна», - сказал Нейт Линдси, сотрудник Калифорнийского университета в Беркли. аспирант и ведущий автор статьи.
Линдси и Джонатан Аджо-Франклин, профессор геофизики Университета Райса в Хьюстоне и приглашенный научный сотрудник лаборатории Беркли, провели эксперимент с помощью Крейга Доу из MBARI, которому принадлежит оптоволоконный кабель. Кабель протянулся на 52 километра от берега к первой сейсмической станции, когда-либо размещенной на дне Тихого океана, установленной 17 лет назад MBARI и Барбарой Романович, профессором Высшей школы Калифорнийского университета в Беркли на факультете наук о Земле и планетах. Постоянный кабель к узлу Монтерейской системы ускоренных исследований (MARS) был проложен в 2009 году, 20 километров из которых были использованы в этом испытании в автономном режиме для ежегодного технического обслуживания в марте 2018 года.
«Это действительно исследование на переднем крае сейсмологии, впервые кто-либо использовал морские оптоволоконные кабели для просмотра этих типов океанографических сигналов или для визуализации структур разломов», - сказал Аджо-Франклин. «Одно из белых пятен в мировой сейсмографической сети находится в океанах».
Конечная цель усилий исследователей, по его словам, состоит в том, чтобы использовать плотные волоконно-оптические сети по всему миру - вероятно, более 10 миллионов километров, как на суше, так и под водой - в качестве чувствительных мер. движения Земли, что позволяет осуществлять мониторинг землетрясений в регионах, где нет дорогих наземных станций, таких как те, которые разбросаны по большей части подверженной землетрясениям Калифорнии и Тихоокеанскому побережью..
«Существующая сейсмическая сеть, как правило, имеет высокоточные инструменты, но относительно разрежена, тогда как это дает вам доступ к гораздо более плотному массиву», - сказал Аджо-Франклин.
Фотонная сейсмология
Исследователи используют метод распределенного акустического зондирования, в котором используется фотонное устройство, посылающее короткие импульсы лазерного света по кабелю и обнаруживающее обратное рассеяние, вызванное растяжением кабеля. С помощью интерферометрии они могут измерять обратное рассеяние через каждые 2 метра (6 футов), фактически превращая 20-километровый кабель в 10 000 отдельных датчиков движения.
«Эти системы чувствительны к изменениям от нанометров до сотен пикометров на каждый метр длины», - сказал Аджо-Франклин. «Это изменение составляет одну миллиардную часть».
Ранее в этом году они сообщили о результатах шестимесячных испытаний на суше с использованием 22-километрового кабеля недалеко от Сакраменто, установленного Министерством энергетики в рамках испытательного стенда ESnet Dark Fiber протяженностью 13 000 миль. Темное волокно относится к оптическим кабелям, проложенным под землей, но не используемым или сданным в аренду для краткосрочного использования, в отличие от активно используемого «освещенного» интернета. Исследователи смогли отслеживать сейсмическую активность и шум окружающей среды и получать изображения недр с более высоким разрешением и большим масштабом, чем это было бы возможно с помощью традиционной сенсорной сети.
«Прелесть волоконно-оптической сейсмологии заключается в том, что вы можете использовать существующие телекоммуникационные кабели без необходимости устанавливать 10 000 сейсмометров», - сказал Линдси. «Вы просто выходите на объект и подключаете прибор к концу оптоволокна».
Во время подводных испытаний они смогли измерить широкий диапазон частот сейсмических волн от землетрясения магнитудой 3,4, которое произошло в 45 километрах от суши недалеко от Гилроя, Калифорния, и нанести на карту несколько известных и ранее не нанесенных на карту зон подводных разломов, частично системы разломов Сан-Грегорио. Они также смогли обнаружить стационарные океанские волны - так называемые океанские микросейсмы - а также штормовые волны, все из которых соответствовали буйковым и наземным сейсмическим измерениям.
«У нас есть огромные пробелы в знаниях о процессах на дне океана и структуре океанической коры, потому что сложно разместить такие инструменты, как сейсмометры, на дне моря», - сказал Майкл Манга, профессор Калифорнийского университета в Беркли. наука о земле и планетах.«Это исследование демонстрирует перспективность использования существующих волоконно-оптических кабелей в качестве массивов датчиков для получения изображений новыми способами. Здесь они идентифицировали ранее предполагаемые волны, которые раньше не обнаруживались».
По словам Линдси, среди сейсмологов растет интерес к регистрации фонового шумового поля Земли, вызванного взаимодействием между океаном и континентальной сушей: по сути, волнами, плещущимися у береговой линии.
«Используя эти прибрежные оптоволоконные кабели, мы можем в основном наблюдать волны, которые мы привыкли видеть с берега, нанесенные на морское дно, и то, как эти океанские волны соединяются с Землей, создавая сейсмические волны», - сказал он..
Чтобы использовать освещенные в мире волоконно-оптические кабели, Линдси и Аджо-Франклин должны показать, что они могут передавать лазерные импульсы по одному каналу, не мешая другим каналам в волокне, по которым передаются независимые пакеты данных. Сейчас они проводят эксперименты с освещенными волокнами, а также планируют оптоволоконный мониторинг сейсмических событий в геотермальной зоне к югу от Солтон-Си в Южной Калифорнии, в сейсмической зоне Броули.