Wetenschappers van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) van het Department of Energy hebben voor het eerst aangetoond dat dark fiber - het enorme netwerk van ongebruikte glasvezelkabels dat in het hele land en de wereld is geïnstalleerd - kan worden gebruikt als sensoren voor het detecteren van aardbevingen, de aanwezigheid van grondwater, veranderingen in permafrostomstandigheden, en een verscheidenheid aan andere ondergrondse activiteiten.

In een paar onlangs gepubliceerde artikelen, een team onder leiding van Berkeley Lab-onderzoeker Jonathan Ajo-Franklin kondigde aan dat ze met succes een technologie hadden gecombineerd genaamd "distributed acoustic sensing, " die seismische golven meet met behulp van glasvezelkabels, met nieuwe verwerkingstechnieken om betrouwbare seismische monitoring mogelijk te maken, resultaten bereiken die vergelijkbaar zijn met wat conventionele seismometers kunnen meten.

"Dit heeft een enorm potentieel omdat je je kunt voorstellen dat lange stukken vezels worden omgezet in een enorm seismisch netwerk, " zei Shan Dou, een postdoctoraal onderzoeker van Berkeley Lab. "Het idee is dat door het gebruik van vezels die lange tijd ondergronds kunnen worden begraven, we kunnen verkeerslawaai of andere omgevingstrillingen omzetten in bruikbare seismische signalen die ons kunnen helpen om veranderingen in de buurt van het oppervlak, zoals permafrostdooi en schommelingen in het grondwaterpeil, te monitoren."

Dou is de hoofdauteur van "Distributed Acoustic Sensing for Seismic Monitoring of the Near Surface:A Traffic-Noise Interferometry Case Study, " die in september werd gepubliceerd in Nature's Wetenschappelijke rapporten en verifieerde de techniek voor het bewaken van het aardoppervlak. Recenter, De groep van Ajo-Franklin publiceerde een vervolgonderzoek onder leiding van UC Berkeley-afgestudeerde student Nate Lindsey, "Glasvezelnetwerkobservaties van aardbevingsgolfvelden, " in Geofysische onderzoeksbrieven (GRL) , die de levensvatbaarheid aantoont van het gebruik van glasvezelkabels voor detectie van aardbevingen.

Wat is donkere vezels?

Dark fiber verwijst naar ongebruikte glasvezelkabel, waarvan er een overschot is dankzij een enorme haast om de kabel begin jaren negentig te installeren door telecommunicatiebedrijven. Net zoals de kabels ondergronds werden begraven, de technologie voor het verzenden van gegevens verbeterde aanzienlijk, zodat er minder kabels nodig waren. Er zijn nu dichte gangen van donkere vezels die het hele land doorkruisen.

Distributed acoustic sensing (DAS) is een nieuwe technologie die seismische golfvelden meet door korte laserpulsen over de lengte van de vezel te schieten. "Het basisidee is het laserlicht wordt verstrooid door kleine onzuiverheden in de vezel, " zei Ajo-Franklin. "Als vezels vervormd zijn, we zullen vervormingen zien in het terugverstrooide licht, en van deze vervormingen, we kunnen meten hoe de vezel zelf wordt geperst of getrokken."

Met behulp van een testarray die ze in Richmond installeerden, Californië - met glasvezelkabel geplaatst in een ondiepe L-vormige greppel, een been van ongeveer 100 meter parallel aan de weg en een ander loodrecht - de onderzoekers bevestigden dat ze seismische golven konden gebruiken die worden gegenereerd door stadsverkeer, zoals auto's en treinen, om de mechanische eigenschappen van ondiepe bodemlagen in beeld te brengen en te monitoren.

De metingen geven informatie over hoe "squishy" de grond op een bepaald punt is, waardoor veel informatie over de bodemeigenschappen kan worden afgeleid, zoals het watergehalte of de textuur. "Stel je een slinky voor - hij kan samendrukken of wiebelen, "Zei Ajo-Franklin. "Die komen overeen met verschillende manieren waarop je de grond kunt uitknijpen, en hoeveel energie het kost om het volume te verminderen of te scheren."

Hij voegde eraan toe:"Het leuke is dat je metingen doet over elke kleine eenheid vezel. Alle reflecties komen naar je terug. Door ze allemaal te kennen en te weten hoe lang het duurt voordat een laserlicht teruggaat en op de vezel kunt u terugzien wat er op elke locatie gebeurt. Het is dus een echt gedistribueerde meting."

Na het concept onder gecontroleerde omstandigheden te hebben bewezen, het team zei dat ze verwachten dat de techniek zal werken op een verscheidenheid aan bestaande telecommunicatienetwerken, en ze voeren momenteel vervolgexperimenten uit in heel Californië om dit aan te tonen. Lopend onderzoek in Alaska onderzoekt ook dezelfde techniek voor het bewaken van de stabiliteit van Arctische permafrost.

Dou toegevoegd:"We kunnen het nabije oppervlak heel goed monitoren door alleen verkeerslawaai te gebruiken. Het kunnen fluctuaties in grondwaterstanden zijn, of veranderingen die vroegtijdige waarschuwingen kunnen geven voor een verscheidenheid aan geografische gevaren, zoals dooi permafrost, zinkgat formatie, en aardverschuivingen."

Glasvezel gebruiken voor aardbevingsdetectie

Voortbouwend op vijf jaar door Berkeley Lab geleid onderzoek naar het gebruik van DAS voor ondergrondse monitoring met behulp van niet-aardbevingsseismische bronnen, De groep van Ajo-Franklin heeft nu de grenzen verlegd en heeft aangetoond dat DAS ook een krachtig hulpmiddel is voor het monitoren van aardbevingen.

In de GRL-studie onder leiding van Lindsey in samenwerking met Stanford-afgestudeerde student Eileen Martin, het onderzoeksteam nam metingen met behulp van de DAS-techniek aan glasvezelarrays op drie locaties - twee in Californië en één in Alaska. In alle gevallen, DAS bleek vergelijkbaar gevoelig voor aardbevingen als conventionele seismometers, ondanks het hogere geluidsniveau. Met behulp van de DAS-arrays, ze stelden een catalogus samen van lokale, regionaal, en verre aardbevingen en toonden aan dat verwerkingstechnieken gebruik konden maken van de vele kanalen van DAS om te helpen begrijpen waar aardbevingen vandaan komen.

Ajo-Franklin zei dat donkere vezels het voordeel hebben dat ze bijna alomtegenwoordig zijn, overwegende dat traditionele seismometers, omdat ze duur zijn, zijn schaars geïnstalleerd, en onderzeese installaties zijn bijzonder schaars. Aanvullend, glasvezel zorgt voor dichte ruimtelijke bemonstering, wat betekent dat datapunten slechts meters van elkaar verwijderd zijn, terwijl seismometers doorgaans vele kilometers van elkaar verwijderd zijn.

Lindsey voegde toe:"Vezel heeft veel implicaties voor de detectie van aardbevingen, plaats, en vroegtijdige waarschuwing. Vezel gaat uit in de oceaan, en het is over het hele land, dus deze technologie vergroot de kans dat een sensor zich in de buurt van de breuk bevindt als er een aardbeving plaatsvindt, wat zich vertaalt in het vinden van kleine evenementen, verbeterde aardbevingslocaties, en extra tijd voor vroegtijdige waarschuwing."

Het GRL-document vermeldt andere mogelijke toepassingen van het gebruik van de donkere vezel, inclusief stedelijke seismische gevarenanalyse, wereldwijde seismische beeldvorming, offshore onderzeese vulkaandetectie, nucleaire explosie monitoring, en micro-aardbeving karakterisering.