Волоконно-оптические кабели обнаруживают и характеризуют землетрясения

2 августа 2023 г.

Эта статья была проверена в соответствии с редакционным процессом и политикой Science X. Редакторы выделили следующие атрибуты, гарантируя при этом достоверность контента:

проверенный фактами

рецензируемое издание

надежный источник

корректура

Калифорнийский технологический институт

В Калифорнии тысячи миль оптоволоконных кабелей пересекают штат, обеспечивая людей Интернетом. Но эти подземные кабели могут выполнять и неожиданную второстепенную функцию: они могут обнаруживать и измерять землетрясения. В новом исследовании Калифорнийского технологического института ученые сообщают об использовании участка оптоволоконного кабеля для измерения сложных деталей землетрясения магнитудой 6, определяя время и местоположение четырех отдельных неровностей, «застрявших» участков разлома, которые привели к разрыву. .

В течение нескольких лет профессор геофизики Чжунвэнь Чжан и его команда стремились показать, что перепрофилирование оптоволоконных кабелей — это простой способ радикально расширить наши возможности измерения сейсмической активности путем создания плотной сети самодельных сейсмометров с помощью метода, называемого распределенным акустическим зондированием.

В новом исследовании, опубликованном в журнале Nature, для точного понимания сложной механики конкретного землетрясения 2021 года использовался только 100-километровый участок кабеля. Предполагается, что доступ к большему количеству кабелей позволит улучшить понимание физики землетрясений и, в конечном итоге, улучшить раннее землетрясение. системы оповещения.

«Если мы сможем получить более широкий охват для измерения сейсмической активности, мы сможем произвести революцию в изучении землетрясений и обеспечить более заблаговременное предупреждение», — говорит Чжан. «Хотя мы не можем предсказывать землетрясения, распределенное акустическое зондирование приведет к лучшему пониманию деталей, лежащих в основе разрыва Земли».

В Южной Калифорнии имеется около 500 сейсмометров на площади примерно 56 500 квадратных миль, и каждый из них стоит до 50 000 долларов. С другой стороны, использование оптоволоконных кабелей по всему штату может быть эквивалентно покрытию его миллионами сейсмометров.

Чтобы использовать оптоволоконный кабель в качестве сейсмометра, на одном конце кабеля размещают лазерные излучатели, излучающие лучи света через длинные тонкие стеклянные жилы, составляющие сердцевину кабеля. Стекло имеет крошечные дефекты, которые отражают незначительную часть света обратно к источнику, где он и фиксируется.

Таким образом, каждое несовершенство действует как отслеживаемая точка вдоль оптоволоконного кабеля, который обычно проложен чуть ниже уровня земли. Сейсмические волны, проходящие через землю, заставляют кабель слегка покачиваться, что изменяет время прохождения света к этим путевым точкам и обратно. Таким образом, дефекты по длине кабеля действуют как тысячи отдельных сейсмометров, которые позволяют сейсмологам наблюдать за движением сейсмических волн.

В этом новом исследовании команда изучила световые сигналы, проходящие через участок оптоволоконного кабеля, расположенный в восточной части Сьерра-Невады, во время землетрясения магнитудой 6 баллов в Долине Антилопы в 2021 году. Участок кабеля был эквивалентен 10 000 сейсмометров, и удалось обнаружить, что M6 состоит из последовательности четырех меньших разрывов. Эти так называемые «подсобытия», такие как мини-землетрясения, не могли быть обнаружены обычной сейсмической сетью.

В сотрудничестве с лабораторией Нади Лапусты и профессора машиностроения и геофизики Лоуренса А. Хэнсона-младшего команде удалось создать точную модель землетрясения М6 на основе измеренной сейсмической активности. Модель показала время четырех дополнительных событий и определила их точное местоположение в регионе разлома.

«Использование оптоволоконного кабеля в качестве серии сейсмометров раскрывает аспекты физики землетрясений, которые уже давно выдвигались в качестве гипотез, но которые трудно представить», — говорит Чжан. «В качестве аналогии представьте себе свой обычный телескоп на заднем дворе. Вы можете видеть Юпитер, но, вероятно, не можете увидеть его спутники или какие-либо детали. С помощью действительно мощного телескопа вы можете увидеть мелкие детали поверхности планеты и Луны. Наша технология подобен мощному телескопу для землетрясений».