В традиционной сейсмологии исследователи, изучающие движение земли в моменты до, во время и после землетрясения, полагаются на датчики, изготовление и установка которых под землей стоят десятки тысяч долларов. А из-за затрат и трудозатрат в отдаленных районах Калифорнии было установлено всего несколько сейсмических датчиков, что затрудняет понимание воздействия будущих землетрясений, а также небольших землетрясений, происходящих на не нанесенных на карту разломах.
Теперь исследователи из Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли Министерства энергетики США (Berkeley Lab) нашли способ преодолеть эти препятствия, превратив части испытательного стенда «темного волокна» протяженностью 13 000 миль в неиспользованные. волоконно-оптический кабель, принадлежащий сети энергетических наук Министерства энергетики США (ESnet), в высокочувствительный датчик сейсмической активности, который потенциально может повысить эффективность систем раннего предупреждения о землетрясениях, разрабатываемых в настоящее время на западе Соединенных Штатов. Исследование с подробным описанием работы - первой, в которой крупная региональная сеть использовалась в качестве датчика землетрясений - было опубликовано на этой неделе в Nature’s Scientific Reports.
Встряхните сейсмологию темным волокном
По словам Джонатана Аджо-Франклина, штатного научного сотрудника отдела наук о Земле и окружающей среде лаборатории Беркли, который руководил исследованием, в мире проложено около 10 миллионов километров оптоволоконного кабеля, и около 10 процентов из них составляют из темного волокна.
Группа Аджо-Франклин работала над экспериментом такого типа в течение нескольких лет. В исследовании 2017 года они проложили оптоволоконный кабель в неглубокой траншеи в Ричмонде, штат Калифорния, и продемонстрировали, что новую технологию обнаружения, называемую распределенным акустическим зондированием (DAS), можно использовать для визуализации мелководья. DAS - это технология, которая измеряет поля сейсмических волн, посылая короткие лазерные импульсы по всей длине волокна. В последующем исследовании они и группа их сотрудников впервые продемонстрировали, что оптоволоконные кабели можно использовать в качестве датчиков для обнаружения землетрясений.
В текущем исследовании используется тот же метод DAS, но вместо развертывания собственного оптоволоконного кабеля исследователи провели свои эксперименты на 20-мильном сегменте испытательного стенда ESnet Dark Fiber протяженностью 13 000 миль, который простирается от Западного Сакраменто до Вудленда, Калифорния. «Для дальнейшей проверки наших результатов исследования 2017 года мы знали, что нам нужно будет провести тесты DAS на реальной сети с темным волокном», - сказал Аджо-Франклин, который также возглавляет геофизический отдел лаборатории Беркли.
«Когда Джонатан обратился ко мне с предложением использовать наш тестовый стенд Dark Fiber, я даже не знал, что можно» использовать сеть в качестве датчика, - сказал Индер Монга, исполнительный директор ESnet и директор отдела научных сетей. в лаборатории Беркли. «Никто раньше не делал эту работу. Но возможности были огромные, поэтому я сказал: «Конечно, давайте сделаем это!»
Крис Трейси из ESnet тесно сотрудничал с исследователями, чтобы выяснить логистику внедрения. Телекоммуникационная компания CenturyLink предоставила информацию об установке оптоволокна.
Поскольку испытательный стенд ESnet имеет региональное покрытие, исследователи смогли отслеживать сейсмическую активность и окружающий шум с большей детализацией, чем в предыдущих исследованиях.
«Покрытие испытательного стенда ESnet Dark Fiber предоставило нам изображения недр с более высоким разрешением и большим масштабом, чем это было бы возможно с традиционной сенсорной сетью», - сказала соавтор Вероника Родригес Трибальдос, исследователь с докторской степенью в Лаборатория Айо-Франклина.«Обычные сейсмические сети часто используют всего несколько десятков датчиков, разнесенных на несколько километров, чтобы покрыть такую большую площадь, но с испытательным стендом ESnet и DAS у нас есть 10 000 датчиков на линии с двухметровым интервалом. Это означает, что с помощью всего одного оптоволоконного кабеля вы можете собрать очень подробную информацию о структуре почвы за несколько месяцев."
Глубоко копаем данные под землей
После семи месяцев использования DAS для записи данных через испытательный стенд ESnet Dark Fiber Testbed исследователи доказали, что преимущества использования коммерческого оптоволокна многообразны. «Просто слушая в течение 40 минут, эта технология может делать около 10 разных вещей одновременно. Мы смогли уловить волны очень низкой частоты от далеких землетрясений, а также более высокие частоты, генерируемые ближайшими транспортными средствами», - сказал Аджо- Франклин. Технология позволила исследователям определить разницу между автомобилем или движущимся поездом и землетрясением, а также обнаружить как локальные, так и удаленные землетрясения, от Беркли до Гилроя и Чьяпаса, Мексика. Он также добавил, что эту технологию можно использовать для характеристики качества почвы, предоставления информации о водоносных горизонтах и интеграции в геотехнические исследования.
С такой подробной картиной недр технология имеет потенциал для использования в покадровых исследованиях свойств почвы, сказал Родригес Трибальдос. Например, при мониторинге окружающей среды этот инструмент можно использовать для обнаружения долгосрочных изменений грунтовых вод, таяния вечной мерзлоты или гидрологических изменений, связанных с опасностью оползней.
Выводы текущего исследования также показывают, что исследователям, возможно, больше не придется выбирать между качеством данных и стоимостью. «Датчики сотовых телефонов недороги и сообщают нам, когда поблизости происходит сильное землетрясение, но они не смогут зафиксировать тонкие вибрации планеты», - сказал соавтор Нейт Линдси, аспирант Калифорнийского университета в Беркли, который руководил полевыми работами и анализ землетрясений для исследования 2017 года. «В этом исследовании мы показали, что недорогая оптоволоконная оптика улавливает эти небольшие колебания грунта с удивительным качеством."
С 300 терабайтами необработанных данных, собранных для исследования, перед исследователями была поставлена задача найти способы эффективного управления и обработки «пожарного шланга» сейсмической информации. Аджо-Франклин выразил надежду, что однажды он создаст портал сейсмологических данных, который объединит ESnet в качестве датчика и механизма передачи данных с анализом и долгосрочным хранением данных, управляемым суперкомпьютерным центром Berkeley Lab, NERSC (Национальный научно-вычислительный центр энергетических исследований).
Монга добавил, что, несмотря на то, что испытательный стенд Dark Fiber скоро будет освещен для следующего поколения ESnet, получившего название «ESnet 6», могут быть участки, которые можно было бы использовать для сейсмологии. «Хотя было совершенно неожиданно, что ESnet - трансатлантическая сеть, предназначенная для исследований - может быть использована в качестве сейсмического датчика, она идеально подходит для нашей миссии», - сказал он. «В ESnet мы хотим, чтобы научные открытия не ограничивались географией».