I traditionell seismologi, forskare som studerar hur jorden rör sig i ögonblicken innan, under, och efter en jordbävning lita på sensorer som kostar tiotusentals dollar att göra och installera under jorden. Och på grund av kostnaderna och arbetskraften, endast några få seismiska sensorer har installerats i avlägsna områden i Kalifornien, gör det svårt att förstå effekterna av framtida jordbävningar såväl som små jordbävningar som inträffar på omappade fel.

Nu har forskare vid U.S. Department of Energy Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) kommit fram till ett sätt att övervinna dessa hinder genom att vrida delar av en 13, 000 mil lång testbädd av "mörk fiber, "oanvänd fiberoptisk kabel som ägs av DOE Energy Sciences Network (ESnet), in i en mycket känslig seismisk aktivitetssensor som potentiellt kan öka prestandan för tidiga varningssystem för jordbävningar som för närvarande utvecklas i västra USA. Studien som beskriver arbetet - den första som använde ett stort regionalt nätverk som jordbävningssensor - publicerades i veckan i Nature's Vetenskapliga rapporter .

Skakar upp seismologi med mörk fiber

Enligt Jonathan Ajo-Franklin, en personalvetare i Berkeley Labs Earth and Environmental Sciences Area som ledde studien, det finns cirka 10 miljoner kilometer fiberoptisk kabel runt om i världen, och cirka 10 procent av det består av mörk fiber.

Ajo-Franklin-gruppen har arbetat för denna typ av experiment i flera år. I en studie från 2017, de installerade en fiberoptisk kabel i en grund gräv i Richmond, Kalifornien, och visat att en ny avkänningsteknik som kallas distribuerad akustisk avkänning (DAS) kan användas för avbildning av den grunda underjorden. DAS är en teknik som mäter seismiska vågfält genom att skjuta korta laserpulser över fiberns längd. I en uppföljningsstudie, de och en grupp medarbetare visade för första gången att fiberoptiska kablar kan användas som sensorer för att upptäcka jordbävningar.

Den aktuella studien använder samma DAS -teknik, men istället för att distribuera sin egen fiberoptiska kabel, forskarna körde sina experiment på ett 20-mils segment av de 13, 000 mil lång ESnet Dark Fiber Testbed som sträcker sig från West Sacramento till Woodland, Kalifornien. "För att ytterligare verifiera våra resultat från 2017 års studie, vi visste att vi skulle behöva köra DAS -testerna på ett riktigt mörkt fibernät, "sa Ajo-Franklin, som också leder Berkeley Labs geofysiska avdelning.

"När Jonathan kontaktade mig om att använda vår Dark Fiber Testbed, Jag visste inte ens att det var möjligt "att använda ett nätverk som en sensor, sa Inder Monga, Verkställande direktör för ESnet och chef för avdelningen för vetenskapliga nätverk vid Berkeley Lab. "Ingen hade gjort detta arbete tidigare. Men möjligheterna var enorma, så jag sa, 'Säker, nu kör vi!"

Chris Tracy från ESnet arbetade nära forskarna för att ta reda på implementeringens logistik. Telekommunikationsföretaget CenturyLink lämnade fiberinstallationsinformation.

Eftersom ESnet Testbed har regional täckning, forskarna kunde övervaka seismisk aktivitet och miljöbuller med finare detaljer än tidigare studier.

"Täckningen av ESnet Dark Fiber Testbed gav oss bilder under ytan i en högre upplösning och större skala än vad som hade varit möjligt med ett traditionellt sensornätverk, "sa medförfattaren Verónica Rodríguez Tribaldos, en postdoktor i Ajo-Franklins laboratorium. "Konventionella seismiska nätverk använder ofta bara några dussin sensorer åtskilda med flera kilometer för att täcka ett så stort område, men med ESnet Testbed och DAS, vi har 10, 000 sensorer i en linje med två meters avstånd. Det betyder att du med bara en fiberoptisk kabel kan samla in mycket detaljerad information om markstruktur under flera månader. "

Gräver djupt efter data under jorden

Efter sju månaders användning av DAS för att spela in data via ESnet Dark Fiber Testbed, forskarna visade att fördelarna med att använda en kommersiell fiber är många. "Bara genom att lyssna i 40 minuter, denna teknik har potential att göra ungefär 10 olika saker samtidigt. Vi kunde hämta mycket lågfrekventa vågor från avlägsna jordbävningar såväl som de högre frekvenser som genereras av närliggande fordon, "sa Ajo-Franklin. Tekniken gjorde det möjligt för forskarna att berätta skillnaden mellan en bil eller ett tåg i rörelse mot en jordbävning, och för att upptäcka både lokala och avlägsna jordbävningar, från Berkeley till Gilroy till Chiapas, Mexiko. Tekniken kan också användas för att karakterisera jordkvaliteten, ge information om akviferer, och integreras i geotekniska studier, han lade till.

Med en så detaljerad bild av underjorden, tekniken har potential för användning i time-lapse-studier av markegenskaper, sa Rodríguez Tribaldos. Till exempel, inom miljöövervakning, detta verktyg kan användas för att upptäcka långsiktiga grundvattenförändringar, smältning av permafrost, eller de hydrologiska förändringar som är inblandade i faror med jordskred.

Den aktuella studiens resultat tyder också på att forskare kanske inte längre behöver välja mellan datakvalitet och kostnad. "Mobiltelefonsensorer är billiga och berättar när en stor jordbävning inträffar i närheten, men de kommer inte att kunna registrera planetens fina vibrationer, "sa medförfattaren Nate Lindsey, en doktorand vid UC Berkeley som ledde fältarbetet och jordbävningsanalysen för 2017 års studie. "I den här studien, vi visade att billig fiberoptik tar upp de små markrörelserna med överraskande kvalitet. "

Med 300 terabyte rå data som samlats in för studien, forskarna har utmanats att hitta sätt att effektivt hantera och bearbeta "brandslangen" för seismisk information. Ajo-Franklin uttryckte hopp om att en dag kunna bygga en seismologisk dataportal som kopplar ihop ESnet som en sensor- och dataöverföringsmekanism, with analysis and long-term data storage managed by Berkeley Lab's supercomputing facility, NERSC (National Energy Research Scientific Computing Center).

Monga added that even though the Dark Fiber Testbed will soon be lit for the next generation of ESnet, dubbed "ESnet 6, " there may be sections that could be used for seismology. "Although it was completely unexpected that ESnet—a transatlantic network dedicated for research—could be used as a seismic sensor, it fits perfectly within our mission, " he said. "At ESnet, we want to enable scientific discovery unconstrained by geography."