Een nieuwe studie van een onderzoeker van de Universiteit van Michigan en collega's van drie instellingen toont het potentieel aan om bestaande netwerken van begraven optische vezels te gebruiken als een goedkoop observatorium voor het volgen en bestuderen van aardbevingen.

De studie levert nieuw bewijs dat dezelfde optische vezels die high-speed internet en HD-video leveren aan onze huizen op een dag zouden kunnen verdubbelen als seismische sensoren.

"Glasvezelkabels vormen de ruggengraat van moderne telecommunicatie, en we hebben aangetoond dat we bestaande netwerken kunnen omzetten in uitgebreide seismische arrays om grondbewegingen tijdens aardbevingen te beoordelen, " zei U-M seismoloog Zack Spica, eerste auteur van een artikel dat op 12 februari online is gepubliceerd in het tijdschrift JGR vaste aarde .

De studie werd uitgevoerd met behulp van een prototype-array aan de Stanford University, waar Spica een aantal jaren postdoctoraal onderzoeker was voordat hij onlangs als assistent-professor bij de faculteit Aard- en Milieuwetenschappen bij de faculteit U-M kwam werken. Co-auteurs zijn onder meer onderzoekers van Stanford en uit Mexico en Virginia.

"Dit is de eerste keer dat glasvezelseismologie is gebruikt om een ​​standaardmaat voor ondergrondse eigenschappen af ​​te leiden die door aardbevingsingenieurs wordt gebruikt om te anticiperen op de ernst van het schudden, " zei geofysicus Greg Beroza, een co-auteur van de krant en de Wayne Loel Professor in Stanford's School of Earth, Energie &Milieuwetenschappen.

Om een ​​glasvezelkabel om te vormen tot een seismische sensor, de onderzoekers verbinden een instrument genaamd een laserondervrager aan het ene uiteinde van de kabel. Het schiet pulsen van laserlicht door de vezel. Het licht kaatst terug wanneer het onzuiverheden langs de vezel tegenkomt, het creëren van een "backscatter-signaal" dat wordt geanalyseerd door een apparaat dat een interferometer wordt genoemd.

Veranderingen in het terugverstrooiingssignaal kunnen onthullen hoe de vezel zich uitrekt of comprimeert als reactie op voorbijgaande storingen, inclusief seismische golven van aardbevingen. De techniek wordt gedistribueerde akoestische detectie genoemd, of DAS, en wordt al jaren gebruikt om de gezondheid van pijpleidingen en putten in de olie- en gasindustrie te bewaken.

De nieuwe studie in JGR vaste aarde breidt eerder werk uit met de Stanford-testlus van 3 mijl door kaarten met hoge resolutie van de ondiepe ondergrond te produceren, die wetenschappers kunnen gebruiken om te zien welke gebieden het sterkst zullen schudden bij toekomstige aardbevingen, zei Beroza.

In aanvulling, de studie toont aan dat optische vezels kunnen worden gebruikt om seismische golven te detecteren en snelheidsmodellen en resonantiefrequenties van de grond te verkrijgen - twee parameters die essentieel zijn voor het voorspellen van grondbewegingen en het beoordelen van seismisch gevaar. Spica en zijn collega's zeggen dat hun resultaten goed in overeenstemming zijn met een onafhankelijk onderzoek waarbij traditionele technieken werden gebruikt, waardoor de methodologie van vezeloptische seismologie wordt gevalideerd.

Deze aanpak lijkt een groot potentieel te hebben voor gebruik in grote, door aardbevingen bedreigde steden zoals San Francisco, Los Angeles, Tokio en Mexico-Stad, waar duizenden kilometers optische kabels onder het oppervlak zijn begraven.

"Het mooie van het gebruik van glasvezel hiervoor is dat steden het al hebben als onderdeel van hun infrastructuur, dus alles wat we hoeven te doen is erop in te spelen, ' zei Beroza.

Veel van deze stedelijke centra zijn gebouwd bovenop zachte sedimenten die het schudden van aardbevingen versterken en verlengen. De oppervlaktegeologie kan aanzienlijk verschillen van buurt tot buurt, wijst op de noodzaak van gedetailleerde, site-specifieke informatie.

Toch kan het verkrijgen van dat soort informatie een uitdaging zijn met traditionele technieken, waarbij grote reeksen seismometers worden ingezet - duizenden van dergelijke instrumenten in de omgeving van Los Angeles, bijvoorbeeld.

"In stedelijke gebieden het is erg moeilijk om een ​​plek te vinden om seismische stations te installeren omdat asfalt overal is, "Zei Spica. "Bovendien, veel van deze gronden zijn privé en niet toegankelijk, en je kunt een seismisch station niet altijd alleen laten staan ​​vanwege het risico op diefstal.

"Glasvezel zou ooit het einde kunnen betekenen van zulke grootschalige en dure experimenten. De kabels zijn begraven onder het asfalt en doorkruisen de hele stad, zonder de nadelen van seismische stations aan het oppervlak."

De techniek zou waarschijnlijk vrij goedkoop zijn, ook, zei Spica. Typisch, commerciële glasvezelkabels bevatten ongebruikte vezels die voor andere doeleinden kunnen worden gehuurd, inclusief seismologie.

Op dit moment, traditionele seismometers leveren betere prestaties dan prototypesystemen die glasvezeldetectie gebruiken. Ook, seismometers detecteren grondbewegingen in drie richtingen, terwijl optische vezels alleen in de richting van de vezel voelen.

De 3 mijl lange Stanford glasvezel-array en data-acquisitie werden mogelijk gemaakt door een gezamenlijke inspanning van Stanford IT-services, Stanford-geofysica, en OptaSense Ltd. Financiële steun werd verleend door het Stanford Exploration Project, het Amerikaanse ministerie van Energie en de Schlumberger Fellowship.

De volgende fase van het project omvat een veel grotere testarray. Onlangs is een lus van 27 mijl gevormd door optische vezels op de historische campus van Stanford te verbinden met vezels op verschillende andere nabijgelegen locaties.

De andere auteurs van de JGR vaste aarde papier zijn Biondo Biondi van Stanford, Mathieu Perton van Universidad Nacional Autónoma de México en Eileen Martin van Virginia Tech.