In de traditionele seismologie onderzoekers bestuderen hoe de aarde beweegt in de momenten ervoor, gedurende, en na een aardbeving vertrouwen op sensoren die tienduizenden dollars kosten om ondergronds te maken en te installeren. En vanwege de kosten en arbeid die ermee gemoeid zijn, slechts een paar seismische sensoren zijn geïnstalleerd in afgelegen gebieden van Californië, waardoor het moeilijk is om de effecten van toekomstige aardbevingen te begrijpen, evenals kleine aardbevingen die optreden op niet-in kaart gebrachte fouten.

Nu hebben onderzoekers van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) van het Amerikaanse Department of Energy een manier gevonden om deze hindernissen te overwinnen door delen van een 13, 000 mijl lange testbed van "dark fiber, " ongebruikte glasvezelkabel van het DOE Energy Sciences Network (ESnet), in een zeer gevoelige sensor voor seismische activiteit die de prestaties van vroegtijdige waarschuwingssystemen voor aardbevingen die momenteel in het westen van de Verenigde Staten worden ontwikkeld, zou kunnen verbeteren. De studie die het werk beschrijft - de eerste die een groot regionaal netwerk als aardbevingssensor gebruikte - werd deze week gepubliceerd in Nature's Wetenschappelijke rapporten .

Seismologie opschudden met donkere vezels

Volgens Jonathan Ajo-Franklin, een stafwetenschapper in Berkeley Lab's Earth and Environmental Sciences Area die de studie leidde, er is wereldwijd ongeveer 10 miljoen kilometer glasvezelkabel, en ongeveer 10 procent daarvan bestaat uit donkere vezels.

De Ajo-Franklin-groep werkt al enkele jaren aan dit soort experimenten. In een onderzoek uit 2017, ze installeerden een glasvezelkabel in een ondiepe greppel in Richmond, Californië, en toonden aan dat een nieuwe detectietechnologie genaamd gedistribueerde akoestische detectie (DAS) kan worden gebruikt voor beeldvorming van de ondiepe ondergrond. DAS is een technologie die seismische golfvelden meet door korte laserpulsen over de lengte van de vezel te schieten. In een vervolgonderzoek is zij en een groep medewerkers toonden voor het eerst aan dat glasvezelkabels kunnen worden gebruikt als sensoren voor het detecteren van aardbevingen.

De huidige studie gebruikt dezelfde DAS-techniek, maar in plaats van hun eigen glasvezelkabel in te zetten, de onderzoekers voerden hun experimenten uit op een segment van 20 mijl van de 13, 000 mijl lange ESnet Dark Fiber Testbed dat zich uitstrekt van West Sacramento tot Woodland, Californië. "Om onze resultaten van de studie van 2017 verder te verifiëren, we wisten dat we de DAS-tests moesten uitvoeren op een echt dark fiber-netwerk, " zei Ajo-Franklin, die ook de afdeling Geofysica van Berkeley Lab leidt.

"Toen Jonathan me benaderde over het gebruik van ons Dark Fiber Testbed, Ik wist niet eens dat het mogelijk was om een ​​netwerk als sensor te gebruiken, zei Inder Monga, Executive Director van ESnet en directeur van de Scientific Networking Division bij Berkeley Lab. "Niemand had dit werk eerder gedaan. Maar de mogelijkheden waren enorm, dus ik zei, 'Zeker wel, laten we dit doen!"

Chris Tracy van ESnet werkte nauw samen met de onderzoekers om de logistiek van de implementatie te achterhalen. Telecommunicatiebedrijf CenturyLink verstrekte informatie over de installatie van glasvezel.

Omdat het ESnet Testbed een regionale dekking heeft, de onderzoekers waren in staat om seismische activiteit en omgevingsgeluid nauwkeuriger te volgen dan eerdere studies.

"De dekking van het ESnet Dark Fiber Testbed leverde ons ondergrondse beelden op met een hogere resolutie en grotere schaal dan mogelijk zou zijn geweest met een traditioneel sensornetwerk, " zei co-auteur Verónica Rodríguez Tribaldos, een postdoctoraal onderzoeker in het laboratorium van Ajo-Franklin. "Conventionele seismische netwerken gebruiken vaak slechts enkele tientallen sensoren die enkele kilometers uit elkaar liggen om een ​​gebied te bestrijken dat zo groot is, maar met het ESnet Testbed en DAS, wij hebben 10, 000 sensoren in een lijn met een tussenruimte van twee meter. Dat betekent dat je met slechts één glasvezelkabel gedurende meerdere maanden zeer gedetailleerde informatie over de bodemstructuur kunt verzamelen."

Diep graven naar gegevens ondergronds

Na zeven maanden DAS te hebben gebruikt om gegevens vast te leggen via het ESnet Dark Fiber Testbed, de onderzoekers bewezen dat de voordelen van het gebruik van een commerciële vezel legio zijn. "Gewoon door 40 minuten te luisteren, deze technologie heeft het potentieel om ongeveer 10 verschillende dingen tegelijk te doen. We waren in staat om zeer laagfrequente golven van verre aardbevingen op te vangen, evenals de hogere frequenties die worden gegenereerd door nabijgelegen voertuigen, " zei Ajo-Franklin. Dankzij de technologie konden de onderzoekers het verschil zien tussen een auto of rijdende trein en een aardbeving, en om zowel lokale als verre aardbevingen te detecteren, van Berkeley tot Gilroy tot Chiapas, Mexico. De technologie kan ook worden gebruikt om de bodemkwaliteit te karakteriseren, informatie verstrekken over watervoerende lagen, en worden geïntegreerd in geotechnische studies, hij voegde toe.

Met zo'n gedetailleerd beeld van de ondergrond, de technologie heeft potentieel voor gebruik in time-lapse-studies van bodemeigenschappen, zei Rodríguez Tribaldos. Bijvoorbeeld, op het gebied van milieumonitoring, deze tool kan worden gebruikt om langdurige grondwaterveranderingen te detecteren, het smelten van permafrost, of de hydrologische veranderingen die gepaard gaan met aardverschuivingsgevaren.

De bevindingen van de huidige studie suggereren ook dat onderzoekers mogelijk niet langer hoeven te kiezen tussen gegevenskwaliteit en kosten. "Mobiele telefoonsensoren zijn goedkoop en vertellen ons wanneer er in de buurt een grote aardbeving plaatsvindt, maar ze zullen niet in staat zijn om de fijne trillingen van de planeet vast te leggen, " zei co-auteur Nate Lindsey, een afgestudeerde student van UC Berkeley die het veldwerk en de aardbevingsanalyse voor de studie van 2017 leidde. "In dit onderzoek, we hebben laten zien dat goedkope glasvezel die kleine grondbewegingen met verrassende kwaliteit opvangt."

Met 300 terabyte aan onbewerkte gegevens verzameld voor het onderzoek, de onderzoekers zijn uitgedaagd om manieren te vinden om de "brandslang" van seismische informatie effectief te beheren en te verwerken. Ajo-Franklin expressed hope to one day build a seismology data portal that couples ESnet as a sensor and data transfer mechanism, with analysis and long-term data storage managed by Berkeley Lab's supercomputing facility, NERSC (National Energy Research Scientific Computing Center).

Monga added that even though the Dark Fiber Testbed will soon be lit for the next generation of ESnet, dubbed "ESnet 6, " there may be sections that could be used for seismology. "Although it was completely unexpected that ESnet—a transatlantic network dedicated for research—could be used as a seismic sensor, it fits perfectly within our mission, " he said. "At ESnet, we want to enable scientific discovery unconstrained by geography."