В статье, опубликованной на этой неделе в журнале Science, исследователи из Калифорнийского университета в Беркли, Национальной лаборатории Лоуренса Беркли (Лаборатория Беркли), Исследовательского института аквариума Монтерей-Бей (MBARI) и Университета Райса описывают эксперимент, в результате которого было получено 20 километров подводного волокна. -оптический кабель в эквиваленте 10000 сейсмических станций на дне океана. Во время своего четырехдневного эксперимента в заливе Монтерей они записали 3.Землетрясения и сейсмическое рассеяние 5 баллов от зон подводных разломов.
Их метод, который они ранее тестировали с оптоволоконными кабелями на суше, может предоставить столь необходимые данные о землетрясениях, которые происходят под водой, где существует несколько сейсмических станций, оставляя 70% поверхности Земли без датчиков землетрясений.
"Существует огромная потребность в сейсмологии морского дна. Любые приборы, которые вы выберете в океан, даже если они находятся только в первых 50 километрах от берега, будут очень полезны », – сказал Нейт Линдси, аспирант Калифорнийского университета в Беркли и ведущий автор статьи.
Линдси и Джонатан Аджо-Франклин, профессор геофизики в Университете Райса в Хьюстоне и приглашенный научный сотрудник лаборатории Беркли, провели эксперимент с помощью Крейга Доу из MBARI, которому принадлежит оптоволоконный кабель.
Кабель протянулся на 52 километра от берега и ведет к первой сейсмической станции, когда-либо размещенной на дне Тихого океана, заложенной 17 лет назад MBARI и Барбарой Романович, профессором Высшей школы Калифорнийского университета в Беркли на факультете наук о Земле и планетах. Постоянный кабель к узлу Монтерейской системы ускоренных исследований (MARS) был проложен в 2009 году, 20 километров из которых были использованы в этом тесте в автономном режиме для ежегодного обслуживания в марте 2018 года.
«Это действительно исследование на переднем крае сейсмологии, впервые кто-то использовал морские оптоволоконные кабели для изучения этих типов океанографических сигналов или для построения изображений структур разломов», – сказал Аджо-Франклин. "Одно из белых пятен в сейсмографической сети мира находится в Мировом океане."
По его словам, конечной целью усилий исследователей является использование плотных волоконно-оптических сетей по всему миру – вероятно, более 10 миллионов километров в целом, как на суше, так и под водой – в качестве чувствительных показателей движения Земли. , позволяя осуществлять мониторинг землетрясений в регионах, где нет дорогих наземных станций, таких как те, что разбросаны по большей части подверженной землетрясениям Калифорнии и Тихоокеанского побережья.
«Существующая сейсмическая сеть, как правило, имеет высокоточные инструменты, но она относительно редка, тогда как это дает вам доступ к гораздо более плотному массиву», – сказал Аджо-Франклин.
Фотонная сейсмология
Метод, который используют исследователи, – это распределенное акустическое зондирование, в котором используется фотонное устройство, которое посылает короткие импульсы лазерного света по кабелю и обнаруживает обратное рассеяние, вызванное деформацией кабеля, вызванной растяжением. С помощью интерферометрии они могут измерять обратное рассеяние через каждые 2 метра (6 футов), эффективно превращая 20-километровый кабель в 10 000 отдельных датчиков движения.
«Эти системы чувствительны к изменениям от нанометров до сотен пикометров на каждый метр длины», – сказал Аджо-Франклин. "Это изменение составляет одну часть на миллиард."
Ранее в этом году они сообщили о результатах шестимесячных испытаний на суше с использованием 22-километрового кабеля недалеко от Сакраменто, установленного Министерством энергетики в рамках своего 13000-мильного испытательного стенда ESnet Dark Fiber. Под темным волокном понимаются оптические кабели, проложенные под землей, но неиспользуемые или сданные в аренду для краткосрочного использования, в отличие от активно используемого «освещенного» Интернета.
Исследователи смогли отслеживать сейсмическую активность и шум окружающей среды и получать изображения геологической среды с более высоким разрешением и в большем масштабе, чем это было бы возможно с традиционной сенсорной сетью.
«Прелесть волоконно-оптической сейсмологии в том, что вы можете использовать существующие телекоммуникационные кабели без необходимости устанавливать 10 000 сейсмометров», – сказал Линдси. "Вы просто выходите на объект и подключаете прибор к концу оптоволокна."
Во время подводных испытаний они смогли измерить широкий диапазон частот сейсмических волн от 3 баллов.4 землетрясения, произошедшего в 45 км от побережья недалеко от Гилроя, Калифорния, и нанесение на карту нескольких известных и ранее не нанесенных на карту зон подводных разломов, являющихся частью системы разломов Сан-Грегорио. Они также смогли обнаружить стационарные океанские волны – так называемые океанические микросейсмы – а также штормовые волны, все из которых соответствовали сейсмическим измерениям с буев и суши.
«У нас есть огромные пробелы в знаниях о процессах на дне океана и структуре океанической коры, потому что сложно разместить инструменты, такие как сейсмометры, на дне моря», – сказал Майкл Манга, профессор Земли и планетологии Калифорнийского университета в Беркли. "Это исследование показывает перспективность использования существующих оптоволоконных кабелей в качестве массивов датчиков для получения изображений по-новому.
Здесь они определили ранее гипотетические волны, которые не были обнаружены раньше."
По словам Линдси, среди сейсмологов растет интерес к регистрации поля окружающего шума Земли, вызванного взаимодействием между океаном и континентальной сушей: по сути, волны, плещущиеся вокруг береговых линий.
«Используя эти прибрежные волоконно-оптические кабели, мы можем в основном наблюдать волны, которые мы привыкли видеть с берега, нанесенного на морское дно, и то, как эти океанские волны соединяются с Землей, создавая сейсмические волны», – сказал он.
Чтобы использовать освещенные в мире оптоволоконные кабели, Линдси и Аджо-Франклин должны показать, что они могут передавать лазерные импульсы через один канал, не создавая помех другим каналам в оптоволокне, по которым передаются независимые пакеты данных.
Сейчас они проводят эксперименты с освещенными волокнами, а также планируют оптоволоконный мониторинг сейсмических явлений в геотермальной зоне к югу от Солтонского моря в Южной Калифорнии, в сейсмической зоне Броули.