Волоконно-оптические кабели, которые составляют глобальную подводную телекоммуникационную сеть, могут помочь ученым изучить морские землетрясения и геологические структуры, спрятанные глубоко под поверхностью океана, - пишет eurekalert.org со ссылкой на Science.
Исследователи из Калифорнийского университета в Беркли, Национальной лаборатории Лоуренса Беркли, Научно-исследовательского института океанариума Монтерей-Бей и Университета Райса описывают эксперимент, в ходе которого было использовано 20 километров подводного волокна, что эквивалентно 10000 сейсмических станций вдоль дна океана. Во время четырехдневного эксперимента в заливе Монтерей ученые зафиксировали землетрясение силой 3,5 балла и сейсмическое рассеяние в зонах подводных разломов.
Техника, которую исследователи ранее тестировали с помощью волоконно-оптических кабелей на суше, могла бы предоставить столь необходимые данные о землетрясениях, которые происходят под морем, где существует всего несколько сейсмических станций, оставляя 70% поверхности Земли без детекторов землетрясений.
«Существует огромная потребность в сейсмологии морского дна. Любая аппаратура, которую вы выбрасываете в океан, даже если она находится всего в 50 километрах от берега, будет очень полезна», - сказала Нейт Линдси - аспирант Калифорнийского университета в Беркли и ведущий автор исследования.
Линдси и Джонатан Айо-Франклин - профессор геофизики в Университете Райса в Хьюстоне и приглашенный ученый из лаборатории Беркли - руководили экспериментом с помощью Крейга Доу из Научно-исследовательского института океанариума Монтерей-Бей, который владеет оптоволоконным кабелем. Кабель был протянут на 52 километра от берега до первой сейсмической станции, размещенной на дне Тихого океана 17 лет назад. В 2009 году был проложен постоянный кабель к узлу ускоренной исследовательской системы Монтерея, 20 километров которого были использованы в этом испытании в автономном режиме для ежегодного технического обслуживания в марте 2018 года.
«Это действительно исследование границ сейсмологии, когда кто-то впервые использовал морские оптоволоконные кабели для наблюдения за этими типами океанографических сигналов или для визуализации структур разломов, - сказал Айо-Франклин. - Одно из белых пятен в сейсмографической сети во всем мире - океаны».
По его словам, конечной целью усилий исследователей является использование плотных волоконно-оптических сетей по всему миру - вероятно, более 10 миллионов километров на суше и на море - в качестве устройств для мониторинга землетрясений в регионах, где нет дорогостоящих наземных станций, таких как те, что фиксируют землетрясения в Калифорнии и на Тихоокеанском побережье.
«В существующей сейсмической сети, как правило, используются высокоточные приборы…, но метод с оптоволокном дает вам доступ к гораздо более плотному массиву», - сказал Айо-Франклин.
Исследователи используют метод распределенного акустического зондирования, в котором используется фотонное устройство, которое посылает короткие импульсы лазерного света по кабелю и обнаруживает обратное рассеяние, создаваемое деформацией кабеля, вызванной растяжением. С помощью интерферометрии они могут измерять обратное рассеяние каждые 2 метра (6 футов), эффективно превращая 20-километровый кабель в 10000 отдельных датчиков движения.
«Эти системы чувствительны к изменениям нанометров до сотен пикометров на каждый метр длины, - сказал Айо-Франклин. - Это изменение одной миллиардной части».
Ранее в этом году ученые сообщили о результатах шестимесячного испытания на суше с использованием 22-километрового кабеля возле Сакраменто, проложенного Министерством энергетики в рамках его 13000-мильного испытательного стенда ESnet Dark Fiber. Под темным волокном подразумеваются оптические кабели, проложенные под землей, но неиспользованные 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 подземные изображения с более высоким разрешением и большим масштабом, чем это было бы возможно с традиционной сенсорной сетью.
«Прелесть волоконно-оптической сейсмологии в том, что вы можете использовать существующие телекоммуникационные кабели без необходимости производить 10 000 сейсмометров, - сказала Линдси. - Вы просто выходите на место и подключаете прибор к концу волокна».
Во время подводных испытаний они смогли измерить широкий диапазон частот сейсмических волн от землетрясения магнитудой 3,4, произошедшего в 45 километрах внутри страны около Гилроя (штат Калифорния), и нанести на карту несколько известных и ранее не нанесенных на карту зон подводных разломов, являющихся частью разлома Сан-Грегорио. Также были обнаружены стационарные океанские волны - так называемые океанские микросейсмы - и штормовые волны, которые соответствовали измерениям на буях и наземных сейсмических системах.
«У нас есть огромные пробелы в знаниях о процессах на дне океана и структуре океанической коры, потому что сложно поставить такие инструменты, как сейсмометры, на дне моря, - сказал Майкл Манга, профессор наук Земли и планет в Калифорнийском университете в Беркли. - Это исследование показывает перспективу использования существующих волоконно-оптических кабелей в качестве массивов датчиков…».
По словам Линдси, среди сейсмологов растет интерес к записи поля окружающего шума Земли, вызванного взаимодействиями между океаном и континентальной землей: по существу, к волнам, плещущимся вокруг береговых линий.
«Используя эти береговые оптоволоконные кабели, мы в основном можем наблюдать волны, которые мы привыкли видеть с берега, и изучать, как эти океанские волны соединяются с Землей, создавая сейсмические волны», - сказал он.
Чтобы использовать освещенные в мире оптоволоконные кабели, Линдси и Айо-Франклин должны показать, что они могут пинговать лазерные импульсы через один канал, не мешая другим каналам в волокне, которые несут независимые пакеты данных. Сейчас они проводят эксперименты с освещенными волокнами, а также планируют волоконно-оптический мониторинг сейсмических событий в геотермальной зоне к югу от Солтон-Си в Южной Калифорнии, в сейсмической зоне Броули.
[Фото: eurekalert.org]
