Новое исследование, проведенное исследователем из Мичиганского университета и его коллегами из трех институтов, демонстрирует потенциал использования существующих сетей закопанных оптических волокон в качестве недорогой обсерватории для мониторинга и изучения землетрясений.
Исследование предоставляет новые доказательства того, что те же оптические волокна, которые доставляют в наши дома высокоскоростной интернет и HD-видео, однажды могут использоваться в качестве сейсмических датчиков.
«Волоконно-оптические кабели являются основой современных телекоммуникаций, и мы продемонстрировали, что можем превратить существующие сети в обширные сейсмические массивы для оценки движений грунта во время землетрясений», - сказал сейсмолог из Университета штата Массачусетс Зак Спика, первый автор статьи. опубликовано в Интернете в феврале12 в журнале JGR Solid Earth.
Исследование проводилось с использованием прототипа массива в Стэнфордском университете, где Спика несколько лет работала над докторской диссертацией, прежде чем недавно поступила на факультет UM в качестве доцента кафедры наук о Земле и окружающей среде. Среди соавторов исследователи из Стэнфорда, Мексики и Вирджинии.
«Это первый случай, когда волоконно-оптическая сейсмология использовалась для получения стандартной меры свойств недр, которая используется инженерами по землетрясениям для прогнозирования силы сотрясений», - сказал геофизик Грег Бероза, соавтор на бумаге и профессор Уэйн Лоэл в Стэнфордской школе наук о Земле, энергетике и окружающей среде.
Чтобы преобразовать оптоволоконный кабель в сейсмический датчик, исследователи подключают инструмент, называемый лазерным опросчиком, к одному концу кабеля. Он стреляет импульсами лазерного света по волокну. Свет отражается, когда сталкивается с примесями вдоль волокна, создавая «сигнал обратного рассеяния», который анализируется устройством, называемым интерферометром.
Изменения сигнала обратного рассеяния могут показать, как волокно растягивается или сжимается в ответ на проходящие возмущения, включая сейсмические волны от землетрясений. Этот метод называется распределенным акустическим зондированием, или DAS, и уже много лет используется для мониторинга состояния трубопроводов и скважин в нефтегазовой отрасли.
Новое исследование в JGR Solid Earth расширяет предыдущую работу с 3-мильной испытательной петлей Стэнфорда, создавая карты мелководья с высоким разрешением, которые ученые могут использовать, чтобы увидеть, какие области будут подвергаться сильнейшим сотрясениям во время будущих землетрясений., - сказал Бероза.
Кроме того, исследование показывает, что оптические волокна можно использовать для обнаружения сейсмических волн и получения моделей скоростей и резонансных частот земли - двух параметров, которые необходимы для прогнозирования колебаний грунта и оценки сейсмической опасности. Спика и его коллеги говорят, что их результаты хорошо согласуются с результатами независимой съемки, в которой использовались традиционные методы, тем самым подтверждая методологию волоконно-оптической сейсмологии.
Этот подход имеет большой потенциал для использования в крупных городах, которым угрожает землетрясение, таких как Сан-Франциско, Лос-Анджелес, Токио и Мехико, где под землей проложены тысячи километров оптических кабелей.
«Что хорошо в использовании оптоволокна для этого, так это то, что города уже используют его как часть своей инфраструктуры, поэтому все, что нам нужно сделать, это подключиться к нему», - сказал Бероза.
Многие из этих городских центров построены на мягких отложениях, которые усиливают и продлевают землетрясение. Приповерхностная геология может значительно варьироваться от района к району, что подчеркивает потребность в подробной информации по конкретным участкам.
Тем не менее, получение такого рода информации может быть проблемой при использовании традиционных методов, которые включают развертывание больших групп сейсмометров - например, тысячи таких инструментов в районе Лос-Анджелеса.
«В городских районах очень сложно найти место для установки сейсмических станций, потому что везде асфальт», - сказал Спика.«Кроме того, многие из этих земель являются частными и недоступными, и вы не можете всегда оставлять сейсмическую станцию в одиночестве из-за риска кражи.
"Волоконная оптика может когда-нибудь положить конец таким крупномасштабным и дорогостоящим экспериментам. Кабели проложены под асфальтом и пересекают весь город, лишенные недостатков наземных сейсмических станций."
Техника, вероятно, будет довольно недорогой, сказал Спика. Как правило, коммерческие оптоволоконные кабели содержат неиспользуемые волокна, которые можно арендовать для других целей, включая сейсмологию.
На данный момент традиционные сейсмометры обеспечивают лучшую производительность, чем прототипы систем, использующих оптоволоконные датчики. Кроме того, сейсмометры воспринимают движения грунта в трех направлениях, в то время как оптические волокна воспринимают только вдоль направления волокна.
Стэнфордская оптоволоконная сеть протяженностью 3 мили и сбор данных стали возможными благодаря коллективным усилиям Стэнфордских ИТ-служб, Стэнфордской геофизики и OptaSense Ltd. Финансовая поддержка была оказана Стэнфордским исследовательским проектом, Министерством энергетики США и стипендией Шлюмберже.
Следующая фаза проекта включает в себя гораздо больший тестовый массив. Недавно была сформирована 27-мильная петля путем соединения оптических волокон в историческом кампусе Стэнфорда с волокнами в нескольких других близлежащих местах.
Другими авторами статьи JGR Solid Earth являются Биондо Бионди из Стэнфорда, Матье Пертон из Национального автономного университета Мексики и Эйлин Мартин из Технологического института Вирджинии.