Ученые из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли Министерства энергетики (Berkeley Lab) впервые показали, что темное волокно - обширная сеть неиспользуемых волоконно-оптических кабелей, проложенных по всей стране и миру - может использоваться в качестве датчики для обнаружения землетрясений, наличия грунтовых вод, изменений условий вечной мерзлоты и множества других подземных явлений.
В паре недавно опубликованных статей группа под руководством исследователя из лаборатории Беркли Джонатана Аджо-Франклина объявила, что они успешно объединили технологию под названием «распределенное акустическое зондирование», которая измеряет сейсмические волны с помощью волоконно-оптических кабелей, с новым методы обработки, обеспечивающие надежный сейсмический мониторинг, с получением результатов, сравнимых с результатами, которые могут измерять обычные сейсмометры.
«У этого есть огромный потенциал, потому что вы можете просто представить, как длинные отрезки волокон превращаются в массивную сейсмическую сеть», - сказал Шан Доу, научный сотрудник лаборатории Беркли. «Идея состоит в том, что, используя волокно, которое можно проложить под землей на долгое время, мы можем преобразовать шум транспорта или другие окружающие вибрации в пригодные для использования сейсмические сигналы, которые могут помочь нам отслеживать приповерхностные изменения, такие как таяние вечной мерзлоты и колебания уровня грунтовых вод.."
Доу является ведущим автором книги «Распределенное акустическое зондирование для сейсмического мониторинга ближней поверхности: тематическое исследование шумовой интерферометрии», которая была опубликована в сентябре в Nature's Scientific Reports и подтвердила методику мониторинга ближней поверхности Земли. поверхность. Совсем недавно группа Аджо-Франклина опубликовала последующее исследование под руководством аспиранта Калифорнийского университета в Беркли Нейта Линдси «Наблюдения за волновыми полями землетрясений с помощью волоконно-оптической сети» в журнале Geophysical Research Letters (GRL), в котором демонстрируется жизнеспособность использования оптоволоконных сетей. кабели для обнаружения землетрясений.
Что такое темное волокно?
Темное волокно относится к неиспользуемому оптоволоконному кабелю, которого существует избыток благодаря огромной спешке телекоммуникационных компаний в начале 1990-х годов. Так же, как кабели были проложены под землей, технология передачи данных значительно улучшилась, так что потребовалось меньше кабелей. Теперь всю страну пересекают густые коридоры из темного волокна.
Распределенное акустическое зондирование (DAS) - это новая технология, которая измеряет сейсмические волновые поля, посылая короткие лазерные импульсы по длине волокна. «Основная идея заключается в том, что лазерный свет рассеивается крошечными примесями в волокне», - сказал Аджо-Франклин. «Когда волокно деформируется, мы видим искажения в обратно рассеянном свете, и по этим искажениям мы можем измерить, как само волокно сжимается или растягивается».
Используя испытательную решетку, которую они установили в Ричмонде, Калифорния, с оптоволоконным кабелем, помещенным в неглубокую L-образную траншею, один отрезок длиной около 100 метров параллелен дороге, а другой перпендикулярен, исследователи подтвердили, что они могут использовать сейсмические волны, генерируемые городским транспортом, таким как автомобили и поезда, для отображения и мониторинга механических свойств неглубоких слоев почвы.
Измерения дают информацию о том, насколько «мягкой» является почва в любой заданной точке, что позволяет получить большой объем информации о свойствах почвы, таких как содержание воды или текстура. «Представьте облегающее тело - оно может сжиматься или покачиваться», - сказал Аджо-Франклин. «Они соответствуют различным способам сжатия почвы и тому, сколько энергии требуется, чтобы уменьшить ее объем или сдвинуть ее».
Он добавил: «Самое интересное в этом то, что вы проводите измерения по каждой маленькой единице волокна. Все отражения возвращаются к вам. Зная их все и зная, сколько времени требуется для лазера света для перемещения туда и обратно по волокну, вы можете отследить, что происходит в каждом месте. Так что это действительно распределенное измерение».
Проверив концепцию в контролируемых условиях, команда заявила, что ожидает, что технология будет работать в различных существующих телекоммуникационных сетях, и в настоящее время они проводят дополнительные эксперименты по всей Калифорнии, чтобы продемонстрировать это. Текущие исследования на Аляске также изучают тот же метод мониторинга стабильности арктической вечной мерзлоты.
Добавил Доу: «Мы можем очень хорошо контролировать ближнюю поверхность, используя только транспортный шум. Это могут быть колебания уровня грунтовых вод или изменения, которые могут обеспечить раннее предупреждение о различных геологических опасностях, таких как таяние вечной мерзлоты, провалы в грунте. образование и оползни."
Использование оптоволокна для обнаружения землетрясений
Основываясь на пятилетнем исследовании под руководством лаборатории Беркли по использованию DAS для мониторинга недр с использованием сейсмических источников, не связанных с землетрясением, группа Аджо-Франклин вышла за рамки возможного и продемонстрировала, что DAS является мощным инструментом для землетрясений. мониторинг тоже.
В исследовании GRL под руководством Линдси в сотрудничестве с аспиранткой Стэнфордского университета Эйлин Мартин исследовательская группа провела измерения с использованием метода DAS на волоконно-оптических массивах в трех местах - двух в Калифорнии и одном на Аляске. Во всех случаях DAS оказался сравнимым с обычными сейсмометрами чувствительными к землетрясениям, несмотря на более высокий уровень шума. Используя массивы DAS, они составили каталог местных, региональных и отдаленных землетрясений и показали, что методы обработки могут использовать преимущества множества каналов DAS, чтобы помочь понять, откуда происходят землетрясения.
Аджо-Франклин сказал, что темное волокно имеет то преимущество, что оно почти повсеместно распространено, тогда как традиционные сейсмометры из-за их дороговизны устанавливаются редко, а подводные установки особенно редки. Кроме того, оптоволокно позволяет выполнять плотную пространственную выборку, то есть точки данных находятся всего в нескольких метрах друг от друга, тогда как сейсмометры обычно разделены многими километрами.
Линдси добавила: «Волокно имеет большое значение для обнаружения землетрясений, определения местоположения и раннего оповещения. разрыв, когда происходит землетрясение, что приводит к обнаружению небольших событий, улучшенным местоположениям землетрясений и дополнительному времени для раннего предупреждения."
В документе GRL отмечены другие потенциальные области применения темного волокна, включая анализ городской сейсмической опасности, глобальную сейсмическую визуализацию, обнаружение морских подводных вулканов, мониторинг ядерных взрывов и определение характеристик микроземлетрясений.