Каждое тонкое стекловолокно в проложенном под землей оптоволоконном кабеле содержит крошечные внутренние дефекты, и это хорошо для ученых, которые ищут новые способы сбора сейсмических данных в разных местах, от оживленного центра города до удаленного ледника.
В Seismological Research Letters сейсмолог Калифорнийского технологического института Чжунвен Чжан описывает растущий интерес к этому методу, называемому распределенным акустическим зондированием, и его потенциальным применениям. Его статья является частью серии журнала Emerging Topics, в которой редакторы SRL приглашают авторов исследовать разработки, формирующие различные области сейсмологии и науки о землетрясениях.
DAS работает, используя крошечные внутренние изъяны длинного оптического волокна в качестве тысяч сейсмических датчиков на десятках километров оптоволоконного кабеля. Прибор на одном конце посылает лазерные импульсы по кабелю, собирает и измеряет «эхо» каждого импульса, когда он отражается от внутренних дефектов волокна.
Когда волокно возмущается из-за изменений температуры, деформации или вибраций, вызванных, например, сейсмическими волнами, происходят изменения в размере, частоте и фазе лазерного излучения, рассеиваемого обратно к прибору DAS. Сейсмологи могут использовать эти изменения для определения типов сейсмических волн, которые могли сдвинуть волокно, пусть даже всего на несколько десятков нанометров.
Чувствительность инструментов DAS заметно улучшилась за последние пять лет, что открывает новые возможности для их развертывания, сказал Чжан. «Чувствительность становится все лучше и лучше, до такой степени, что несколько лет назад, если вы сравните формы сигналов с участка волокна с геофоном, они будут очень похожи друг на друга."
Их производительность делает их пригодными для использования в самых разных условиях, особенно в местах, где создание более чувствительной или плотной сейсмической сети было бы слишком дорого. Исследователи также могут подключиться к большому количеству неиспользуемых или «темных» волокон, которые ранее были проложены телекоммуникационными компаниями и другими организациями. По словам Чжан, несколько прядей от более крупного кабеля послужат целям сейсмолога.
Жан сказал, что нефтегазовая промышленность была одной из крупнейших движущих сил нового метода, поскольку они использовали тросы в скважинах для мониторинга изменений жидкости в глубоководных нефтяных месторождениях, а также во время гидравлического разрыва пласта и закачки сточных вод.
Исследователи DAS считают, что этот метод особенно перспективен для сейсмического мониторинга в суровых условиях, таких как Антарктида или Луна. По словам Чжан, при наличии регулярной сети сейсмометров ученым «необходимо защищать и питать каждый узел» инструментов в сети.«Где для DAS вы укладываете одну длинную прядь волокна, которая довольно прочна, и все ваши чувствительные инструменты находятся только на одном конце волокна».
«Вы можете себе представить, что на Луне или какой-либо другой планете, с высокой радиацией или высокой температурой, электроника может не выжить в такой среде так долго», - добавил он. «Но волокно может».
Ученые уже используют DAS для исследования циклов таяния и замерзания вечной мерзлоты и ледников, чтобы лучше охарактеризовать их динамическое движение ледяных потоков и скольжение по коренным породам, что может помочь исследователям больше узнать о том, как таяние ледников вызывает изменение климата. способствует повышению уровня моря.
На данный момент радиус действия большинства систем DAS составляет от 10 до 20 километров. По словам Чжана, в ближайшем будущем исследователи надеются увеличить это расстояние до 100 километров, что может быть полезно для сейсмического охвата морского дна, включая морские зоны субдукции..
DAS также хорошо подходит для быстрого реагирования после землетрясений, особенно в районах, где много темного волокна, и сейсмологи заранее договорились об использовании волокна. Например, после землетрясения в Риджкресте в 2019 году в южной Калифорнии Чжан и его коллеги быстро приступили к мониторингу последовательности афтершоков в этом районе с помощью DAS. «Мы превратили около 50 километров кабеля в более чем 6000 датчиков за три дня», - сказал он.
Если сейсмологи позаботились о том, чтобы заблаговременно идентифицировать волокна и запросить доступ к ним, система DAS может быть развернута в течение нескольких часов после землетрясения.
Одной из проблем при использовании оптоволокна является точное знание того, как оно лежит в земле. С помощью метода DAS исследователи знают, как далеко вдоль волокна проходит конкретный датчик, но если оптоволоконный кабель скручен, согнут или провисает, расчеты могут быть ошибочными. Чтобы исправить это, сейсмологи иногда проводят «тест постукивания» - во время которого с помощью GPS фиксируют удары кувалды по земле над кабелем, поскольку удары отражаются от волокна, создавая своего рода сонарное изображение его изгибов и поворотов.
датчики DAS также содержат больше «собственного шума» - фоновых сейсмических сигналов, которые могут помешать идентификации землетрясения, - чем традиционные сейсмические датчики, «но, честно говоря, мы точно не знаем, почему», - сказал Чжан. Часть шума может исходить от опрашивающих лазерных импульсов, которые могут быть нестабильными, или от самого кабеля. Некоторые кабели свободно лежат в своих туннелях, а другие имеют несколько разъемов для оптоволокна, что может привести к отражению и потере светового сигнала.
«Даже в зачаточном состоянии DAS уже зарекомендовал себя как работающее сердце - или, возможно, барабанные перепонки - нового ценного инструмента для прослушивания сейсмических данных», - заключил Чжан.