Forskare vid Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har för första gången visat att mörk fiber - det stora nätverket av oanvända fiberoptiska kablar installerade över hela landet och världen - kan användas som sensorer för att upptäcka jordbävningar, närvaron av grundvatten, förändringar i permafrostförhållanden, och en mängd andra underjordiska aktiviteter.

I ett par nyligen publicerade tidningar, ett team ledd av Berkeley Lab-forskaren Jonathan Ajo-Franklin meddelade att de framgångsrikt hade kombinerat en teknik som kallas "distributerad akustisk avkänning, " som mäter seismiska vågor med hjälp av fiberoptiska kablar, med nya bearbetningstekniker för att möjliggöra tillförlitlig seismisk övervakning, uppnå resultat jämförbara med vad konventionella seismometrar kan mäta.

"Detta har enorm potential eftersom du bara kan föreställa dig långa sträckor av fibrer förvandlas till ett massivt seismiskt nätverk, sa Shan Dou, en postdoktor i Berkeley Lab. "Tanken är att genom att använda fiber som kan begravas under jorden under lång tid, vi kan omvandla trafikbuller eller andra omgivande vibrationer till användbara seismiska signaler som kan hjälpa oss att övervaka ytnära förändringar som permafrosttining och fluktuationer i grundvattennivån."

Dou är huvudförfattare till "Distributed Acoustic Sensing for Seismic Monitoring of the Near Surface:A Traffic-Noise Interferometry Case Study, " som publicerades i september i Nature's Vetenskapliga rapporter och verifierade tekniken för att övervaka jordens nära yta. På senare tid, Ajo-Franklins grupp publicerade en uppföljningsstudie ledd av UC Berkeley doktorand Nate Lindsey, "Fiberoptiska nätverksobservationer av jordbävningsvågfält, " i Geofysiska forskningsbrev (GRL) , som visar lönsamheten av att använda fiberoptiska kablar för jordbävningsdetektering.

Vad är mörk fiber?

Mörk fiber avser oanvänd fiberoptisk kabel, av vilka det finns ett överflöd tack vare en enorm brådska att installera kabeln i början av 1990-talet av telekommunikationsföretag. Precis som kablarna grävdes ner under jorden, tekniken för att överföra data förbättrades avsevärt så att färre kablar behövdes. Det finns nu täta korridorer av mörk fiber som korsar hela landet.

Distribuerad akustisk avkänning (DAS) är en ny teknik som mäter seismiska vågfält genom att skjuta korta laserpulser över fiberns längd. "Grundtanken är, laserljuset sprids av små föroreningar i fibern, " sa Ajo-Franklin. "När fiber deformeras, vi kommer att se förvrängningar i det bakåtspridda ljuset, och från dessa förvrängningar, vi kan mäta hur själva fibern kläms eller dras."

Med hjälp av en testarray som de installerade i Richmond, Kalifornien - med fiberoptisk kabel placerad i en grund L-formad dike, ett ben på cirka 100 meter parallellt med vägen och ett annat vinkelrätt - forskarna verifierade att de kunde använda seismiska vågor som genereras av stadstrafik, som bilar och tåg, att avbilda och övervaka de mekaniska egenskaperna hos grunda jordlager.

Mätningarna ger information om hur "squishy" jorden är vid en given punkt, gör det möjligt att sluta sig till en hel del information om markens egenskaper, såsom dess vattenhalt eller konsistens. "Föreställ dig en slinky - den kan komprimera eller vicka, "Ajo-Franklin sa. "De motsvarar olika sätt du kan pressa jorden på, och hur mycket energi det tar att minska dess volym eller klippa den."

Han tillade:"Det snygga med det är att du gör mätningar över varje liten fiberenhet. Alla reflektioner kommer tillbaka till dig. Genom att känna till dem alla och veta hur lång tid det tar för ett laserljus att resa tillbaka och fram på fibern kan du backa ut vad som händer på varje plats. Så det är en verkligt distribuerad mätning."

Efter att ha bevisat konceptet under kontrollerade förhållanden, teamet sa att de förväntar sig att tekniken ska fungera på en mängd olika befintliga telekommunikationsnätverk, och de genomför för närvarande uppföljande experiment över Kalifornien för att visa detta. Pågående forskning i Alaska undersöker också samma teknik för att övervaka stabiliteten hos arktisk permafrost.

Lade till Dou:"Vi kan övervaka den närliggande ytan riktigt bra genom att bara använda trafikbuller. Det kan vara fluktuationer i grundvattennivåer, eller förändringar som kan ge tidiga varningar för en mängd olika georisker som tining av permafrost, sjunkhålsbildning, och jordskred."

Använder fiber för att detektera skalv

Bygger på fem år av Berkeley Lab-ledd forskning som utforskar användningen av DAS för övervakning under ytan med hjälp av icke-jordbävningsseismiska källor, Ajo-Franklins grupp har nu drivit på kuvertet och har visat att DAS är ett kraftfullt verktyg även för jordbävningsövervakning.

I GRL-studien ledd av Lindsey i samarbete med Stanford doktorand Eileen Martin, forskargruppen gjorde mätningar med hjälp av DAS-tekniken på fiberoptiska arrayer på tre platser - två i Kalifornien och en i Alaska. I samtliga fall, DAS visade sig vara jämförbart känsligt för jordbävningar som konventionella seismometrar, trots dess högre ljudnivåer. Med hjälp av DAS-matriserna, de sammanställde en katalog över lokala, regional, och avlägsna jordbävningar och visade att bearbetningstekniker kunde dra fördel av DAS många kanaler för att hjälpa till att förstå var jordbävningar kommer ifrån.

Ajo-Franklin sa att mörk fiber har fördelen av att vara nästan allestädes närvarande, medan traditionella seismometrar, eftersom de är dyra, är sparsamt installerade, och undervattensinstallationer är särskilt få. Dessutom, fiber möjliggör tät rumslig provtagning, vilket betyder att datapunkter bara är meter från varandra, medan seismometrar vanligtvis är åtskilda av många kilometer.

Lindsey tillade:"Fiber har många konsekvenser för jordbävningsdetektering, plats, och tidig varning. Fiber går ut i havet, och det är över hela landet, så den här tekniken ökar sannolikheten för att en sensor är nära bristningen när en jordbävning inträffar, vilket leder till att hitta små evenemang, förbättrade jordbävningsplatser, och extra tid för tidig varning."

GRL-papperet noterar andra potentiella tillämpningar av att använda den mörka fibern, inklusive urban seismisk riskanalys, global seismisk avbildning, detektering av ubåtsvulkaner till havs, övervakning av kärnvapenexplosion, och mikrojordbävningskarakterisering.