Ученые успешно используют распределенное акустическое зондирование для сейсмического мониторинга
Ученые из Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли (Berkeley Lab) Министерства энергетики США впервые продемонстрировали, что «темное волокно» — обширная сеть неиспользуемых волоконно-оптических кабелей, проложенных по всему миру, — может применяться в качестве датчиков для обнаружения землетрясений, наличия подземных вод, изменений в состоянии вечной мерзлоты и другой подповерхностной активности.
В двух недавно опубликованных статьях команда под руководством исследователя Беркли Джонатана Ахо-Франклина сообщила об успешном сочетании технологии распределенного акустического зондирования (DAS), измеряющей сейсмические волны с помощью оптоволокна, с новыми методами обработки данных. Это позволяет осуществлять надежный сейсмический мониторинг, сопоставимый по результатам с традиционными сейсмометрами.
«Это открывает огромные возможности, поскольку можно представить себе протяженные участки волокна, превращенные в массивную сейсмическую сеть», — отметил Шань Доу, научный сотрудник лаборатории. Используя кабели, которые могут долгое время находиться под землей, можно преобразовать шум от транспорта или другие фоновые вибрации в полезные сейсмические сигналы для мониторинга изменений в приповерхностных слоях, таких как деградация мерзлоты или колебания уровня грунтовых вод.
В статье, опубликованной в сентябре в Scientific Reports (Nature), команда подтвердила работоспособность метода для мониторинга приповерхностной зоны. В последующем исследовании, опубликованном в Geophysical Research Letters (GRL), продемонстрирована жизнеспособность использования волоконно-оптических кабелей для обнаружения землетрясений.
Работа технологии и эксперименты
Технология DAS измеряет сейсмические волны, посылая короткие лазерные импульсы по всей длине волокна. «Лазерный свет рассеивается на микроскопических неоднородностях в волокне, — пояснил Ахо-Франклин. — Когда волокно деформируется, мы видим искажения в обратно рассеянном свете и по ним можем измерить, как волокно сжимается или растягивается».
На тестовом массиве в Ричмонде (Калифорния) исследователи убедились, что сейсмические волны от городского транспорта (автомобилей и поездов) можно использовать для картирования и мониторинга механических свойств мелких почвенных слоев. Измерения показывают, насколько грунт «податлив» в каждой точке, что позволяет сделать выводы о его свойствах, например, о содержании воды.
Доказав концепцию в контролируемых условиях, команда ожидает, что метод будет работать на различных существующих телекоммуникационных сетях. Сейчас проводятся последующие эксперименты в Калифорнии, а на Аляске исследуется возможность применения той же технологии для мониторинга стабильности арктической вечной мерзлоты.
Обнаружение землетрясений
В исследовании, опубликованном в GRL, измерения с помощью DAS проводились на волоконно-оптических массивах в трех местах — двух в Калифорнии и одном на Аляске. Во всех случаях DAS показала сопоставимую с обычными сейсмометрами чувствительность к землетрясениям, несмотря на более высокий уровень шума. Используя массивы DAS, ученые собрали каталог местных, региональных и удаленных землетрясений и показали, что методы обработки могут использовать множество каналов DAS для определения очагов землетрясений.
«Темное волокно» имеет преимущество почти повсеместной распространенности, в то время как традиционные сейсмометры из-за своей дороговизны устанавливаются редко, особенно в морских условиях. Кроме того, оптоволокно позволяет проводить плотную пространственную выборку с точками данных на расстоянии всего в несколько метров друг от друга, тогда как сейсмометры обычно разделены многими километрами.
«Эта технология увеличивает вероятность того, что датчик окажется рядом с разломом в момент землетрясения, что позволяет обнаруживать слабые события, улучшать локацию и получать дополнительное время для системы раннего предупреждения», — добавил Нейт Линдси, ведущий автор исследования.
В статье GRL отмечаются и другие потенциальные области применения «темного волокна», включая анализ сейсмической опасности в городах, глобальное сейсмическое изображение, обнаружение подводных вулканов, мониторинг ядерных взрывов и характеристику микроземлетрясений.