Glasvezelkabels die een wereldwijd onderzees telecommunicatienetwerk vormen, zouden wetenschappers ooit kunnen helpen bij het bestuderen van offshore-aardbevingen en de geologische structuren die diep onder het oceaanoppervlak verborgen zijn.

In een artikel dat deze week in het tijdschrift verschijnt Wetenschap , onderzoekers van de Universiteit van Californië, Berkeley, Lawrence Berkeley Nationaal Laboratorium (Berkeley Lab), Monterey Bay Aquarium Research Institute (MBARI) en Rice University beschrijven een experiment dat 20 kilometer onderzeese glasvezelkabel veranderde in het equivalent van 10, 000 seismische stations langs de oceaanbodem. Tijdens hun vierdaagse experiment in Monterey Bay, ze registreerden een aardbeving met een kracht van 3,5 en seismische verstrooiing van onderwaterbreukzones.

Hun techniek, die ze eerder hadden getest met glasvezelkabels op het land, zou de broodnodige gegevens kunnen opleveren over aardbevingen die onder zee plaatsvinden, waar weinig seismische stations bestaan, 70% van het aardoppervlak achterlatend zonder aardbevingsdetectoren.

"Er is een enorme behoefte aan seismologie op de zeebodem. Elke instrumentatie die je in de oceaan krijgt, al is het maar voor de eerste 50 kilometer van de kust, zal zeer nuttig zijn, " zei Nate Lindsey, een afgestudeerde student van UC Berkeley en hoofdauteur van het artikel.

Lindsey en Jonathan Ajo-Franklin, een professor geofysica aan de Rice University in Houston en een gastwetenschapper aan het Berkeley Lab, leidde het experiment met de hulp van Craig Dawe van MBARI, die eigenaar is van de glasvezelkabel. De kabel strekt zich 52 kilometer uit de kust uit tot het eerste seismische station dat ooit op de bodem van de Stille Oceaan is geplaatst. daar 17 jaar geleden geplaatst door MBARI en Barbara Romanowicz, een UC Berkeley Professor van de Graduate School in de afdeling Aard- en Planetaire Wetenschappen. Een permanente kabel naar het Monterey Accelerated Research System (MARS) knooppunt werd in 2009 gelegd 20 kilometer daarvan werden gebruikt in deze test terwijl ze offline waren voor jaarlijks onderhoud in maart 2018.

"Dit is echt een studie op de grens van de seismologie, de eerste keer dat iemand offshore glasvezelkabels heeft gebruikt om naar dit soort oceanografische signalen te kijken of om breukstructuren af ​​te beelden, "zei Ajo-Franklin. "Een van de lege plekken in het seismografische netwerk wereldwijd bevindt zich in de oceanen."

Het uiteindelijke doel van de inspanningen van de onderzoekers, hij zei, is om de dichte glasvezelnetwerken over de hele wereld te gebruiken - waarschijnlijk meer dan 10 miljoen kilometer in totaal, zowel op het land als onder de zee - als gevoelige maatstaven voor de beweging van de aarde, waardoor aardbevingsmonitoring mogelijk is in regio's die geen dure grondstations hebben, zoals die in een groot deel van het aardbevingsgevoelige Californië en de Pacifische kust.

"Het bestaande seismische netwerk heeft meestal zeer nauwkeurige instrumenten, maar is relatief schaars, terwijl dit je toegang geeft tot een veel dichtere array, ’ zei Ajo-Franklin.

Fotonische seismologie

De techniek die de onderzoekers gebruiken is Distributed Acoustic Sensing, dat gebruik maakt van een fotonisch apparaat dat korte pulsen laserlicht door de kabel stuurt en de terugverstrooiing detecteert die wordt veroorzaakt door spanning in de kabel die wordt veroorzaakt door uitrekken. Met interferometrie, ze kunnen de terugverstrooiing elke 2 meter (6 voet) meten, effectief een kabel van 20 kilometer in 10 veranderen, 000 individuele bewegingssensoren.

"Deze systemen zijn gevoelig voor veranderingen van nanometers tot honderden picometers voor elke meter lengte, "Zei Ajo-Franklin. "Dat is een verandering van één op een miljard."

Eerder dit jaar, ze rapporteerden de resultaten van een proef van zes maanden op het land met 22 kilometer kabel in de buurt van Sacramento, geplaatst door het ministerie van Energie als onderdeel van zijn 13, 000 mijl ESnet Dark Fiber testbed. Dark fiber verwijst naar optische kabels die ondergronds worden gelegd, maar ongebruikt of verhuurd voor kortdurend gebruik, in tegenstelling tot het actief gebruikte "verlichte" internet. De onderzoekers waren in staat om seismische activiteit en omgevingsgeluid te monitoren en ondergrondse beelden te verkrijgen met een hogere resolutie en grotere schaal dan mogelijk zou zijn geweest met een traditioneel sensornetwerk.

"Het mooie van glasvezelseismologie is dat je bestaande telecommunicatiekabels kunt gebruiken zonder 10, 000 seismometers, "Zei Lindsey. "Je loopt gewoon naar de locatie en sluit het instrument aan op het uiteinde van de vezel."

Tijdens de onderwatertest ze waren in staat om een ​​breed scala aan frequenties van seismische golven te meten van een aardbeving met een kracht van 3,4 die 45 kilometer landinwaarts bij Gilroy plaatsvond, Californië, en breng meerdere bekende en voorheen niet in kaart gebrachte onderzeese breukzones in kaart, onderdeel van het San Gregorio Fault-systeem. Ze waren ook in staat om stabiele oceaangolven te detecteren - zogenaamde oceaanmicroseismen - evenals stormgolven, die allemaal overeenkwamen met seismische metingen van boei en land.

"We hebben enorme kennislacunes over processen op de oceaanbodem en de structuur van de oceanische korst omdat het een uitdaging is om instrumenten zoals seismometers op de bodem van de zee te plaatsen, " zei Michael Manga, een UC Berkeley hoogleraar aard- en planetaire wetenschap. "Dit onderzoek toont de belofte aan om bestaande glasvezelkabels te gebruiken als arrays van sensoren om op nieuwe manieren afbeeldingen te maken. Hier, ze hebben eerder veronderstelde golven geïdentificeerd die nog niet eerder waren gedetecteerd."

Volgens Lindsey, er is een toenemende interesse onder seismologen om het omgevingsgeluidsveld van de aarde te registreren dat wordt veroorzaakt door interacties tussen de oceaan en het continentale land:in wezen, golven die rond de kusten klotsen.

"Door deze glasvezelkabels aan de kust te gebruiken, we kunnen in principe kijken naar de golven die we gewend zijn te zien vanaf de kust, in kaart gebracht op de zeebodem, en de manier waarop deze oceaangolven in de aarde koppelen om seismische golven te creëren, " hij zei.

Om gebruik te maken van 's werelds verlichte glasvezelkabels, Lindsey en Ajo-Franklin moeten aantonen dat ze laserpulsen door één kanaal kunnen pingen zonder de andere kanalen in de vezel die onafhankelijke datapakketten vervoeren te storen. Ze doen nu experimenten met verlichte vezels, terwijl ook het plannen van glasvezelmonitoring van seismische gebeurtenissen in een geothermisch gebied ten zuiden van de Salton Sea in Zuid-Californië, in de seismische zone van Brawley.