Elke haardunne glasvezel in een begraven glasvezelkabel bevat kleine interne gebreken - en dat is een goede zaak voor wetenschappers die op zoek zijn naar nieuwe manieren om seismische gegevens te verzamelen op plaatsen van een drukke stedelijke binnenstad tot een afgelegen gletsjer.

In Seismologische onderzoeksbrieven , De seismoloog Zhongwen Zhan van het California Institute of Technology beschrijft de groeiende belangstelling voor deze methode - Distributed Acoustic Sensing genaamd - en de mogelijke toepassingen ervan. Zijn paper maakt deel uit van de serie Emerging Topics van het tijdschrift, waarin auteurs worden uitgenodigd door SRL-editors om ontwikkelingen te onderzoeken die verschillende gebieden van seismologie en aardbevingswetenschap vormgeven.

DAS werkt met behulp van de kleine interne gebreken van een lange optische vezel als duizenden seismische sensoren langs tientallen kilometers glasvezelkabel. Een instrument aan het ene uiteinde stuurt laserpulsen door een kabel en verzamelt en meet de "echo" van elke puls zoals deze wordt gereflecteerd door de interne vezelfouten.

Wanneer de vezel wordt verstoord door temperatuurveranderingen, spanning of trillingen—veroorzaakt door seismische golven, bijvoorbeeld - er zijn veranderingen in de grootte, frequentie en fase van laserlicht dat terugverstrooid wordt naar het DAS-instrument. Seismologen kunnen deze veranderingen gebruiken om de soorten seismische golven te bepalen die de vezel kunnen hebben geduwd, al is het maar met enkele tientallen nanometers.

De gevoeligheid van DAS-instrumenten is de afgelopen vijf jaar aanzienlijk verbeterd, het openen van nieuwe mogelijkheden voor hun inzet, zei Zhan. "De gevoeligheid wordt steeds beter, tot het punt dat een paar jaar geleden, als je de golfvormen van een vezelsectie vergelijkt met een geofoon, ze lijken erg op elkaar."

Hun prestaties maken ze geschikt voor gebruik in verschillende omgevingen, vooral op plaatsen waar het te duur zou zijn om een ​​gevoeliger of dichter seismisch netwerk op te zetten. Onderzoekers kunnen ook profiteren van de grote hoeveelheden ongebruikte of "donkere" vezels die eerder zijn aangelegd door telecommunicatiebedrijven en anderen. Een paar strengen van een grotere kabel, zei Zhan, het doel van een seismoloog zou dienen.

Zhan zei dat de olie- en gasindustrie een van de grootste aanjagers van de nieuwe methode is geweest, omdat ze kabelboorgaten gebruikten om vloeistofveranderingen in diepwaterolievelden en tijdens hydrofracturering en afvalwaterinjectie te volgen.

DAS-onderzoekers denken dat de methode vooral veelbelovend is voor seismische monitoring in ruwe omgevingen, zoals Antarctica - of de maan. Met een regelmatig netwerk van seismometers, wetenschappers "moeten elk knooppunt" van instrumenten in het netwerk beschermen en van stroom voorzien, legde Zhan uit. "Waar voor DAS, je legt een lange streng vezel neer, die redelijk stevig is, en al je gevoelige instrumenten bevinden zich maar aan het ene uiteinde van de vezel."

"Je kunt je voorstellen dat op de maan of een andere planeet, met een scenario met hoge straling of hoge temperatuur, de elektronica zou in die omgeving misschien niet zo lang overleven, " voegde hij eraan toe. "Maar vezels kunnen dat wel."

Wetenschappers gebruiken DAS al om ontdooi- en vriescycli in permafrost en op gletsjers te onderzoeken, om hun dynamische beweging van ijsstromen en glijden op gesteente beter te karakteriseren, wat onderzoekers zou kunnen helpen meer te weten te komen over hoe gletsjersmelt, aangedreven door klimaatverandering, bijdraagt ​​​​aan de stijging van de zeespiegel.

Momenteel, het bereik van de meeste DAS-systemen is 10 tot 20 kilometer. Onderzoekers hopen dit in de nabije toekomst uit te breiden tot 100 kilometer, Zhan zei, die nuttig kunnen zijn voor seismische dekking in oceaanbodemomgevingen, inclusief offshore subductiezones.

DAS is ook zeer geschikt voor snelle respons na aardbevingen, vooral in gebieden waar veel donkere vezels zijn en seismologen hebben regelingen getroffen om de vezel van tevoren te gebruiken. Na de Ridgecrest-aardbevingen in 2019 in Zuid-Californië, bijvoorbeeld, Zhan en zijn collega's kwamen snel in actie om de naschoksequentie in het gebied te volgen met behulp van DAS. "We hebben ongeveer 50 kilometer kabel omgevormd tot meer dan 6, 000 sensoren in drie dagen, " hij zei.

Als seismologen hun best hebben gedaan om van tevoren vezels te identificeren en om toegang te vragen, Zhan zei, een DAS-systeem kan binnen enkele uren na een aardbeving worden ingezet.

Een uitdaging bij het gebruik van vezels is om precies te weten hoe het in de grond ligt. Met de DAS-methode onderzoekers weten hoe ver een vezel een bepaalde sensor legt, maar als de glasvezelkabel is opgerold of gebogen of doorhangt, de berekeningen kunnen uit zijn. Om dit te verhelpen, seismologen doen soms een "taptest" - die voorhamerslagen langs de grond boven de kabel in kaart brengt met GPS, terwijl de slagen van de vezel weerkaatsen om een ​​soort sonarbeeld te creëren van zijn kronkels en bochten.

DAS-sensoren bevatten ook meer "zelfruis" - seismische achtergrondsignalen die de identificatie van aardbevingen kunnen verstoren - dan traditionele seismische sensoren, "maar eerlijk gezegd weten we niet precies waarom, "zei Zhan. Een deel van het geluid kan afkomstig zijn van de ondervragende laserpulsen, die misschien niet stabiel is, of van de kabel zelf. Sommige kabels liggen los in hun tunnels, en andere hebben meerdere glasvezelconnectoren, die reflectie en verlies van het lichtsignaal kunnen veroorzaken.

"Al in de kinderschoenen, DAS heeft zichzelf al getoond als het werkende hart - of misschien trommels - van een waardevol nieuw seismisch luisterinstrument, ’ concludeerde Zhan.