Seismologer från Caltech använder fiberoptiska kablar för att övervaka och registrera efterskalv från jordbävningssekvensen i Ridgecrest 2019 i större detalj än vad som tidigare varit möjligt. Tusentals små efterskalv sker i hela regionen varje dag, ett aldrig tidigare skådat antal som nu kommer att kunna spåras och studeras.

Den begynnande tekniken innebär att man skjuter en ljusstråle ner i ett "mörkt, "eller oanvänd, fiberoptisk kabel. När strålen träffar små defekter i kabeln, en mycket liten del av ljuset reflekteras tillbaka och registreras.

På detta sätt, varje ofullkomlighet fungerar som en spårbar waypoint längs den fiberoptiska kabeln, som vanligtvis är begravd flera meter under jordens yta. Seismiska vågor som rör sig genom marken får kabeln att expandera och dra ihop sig minutiöst, som ändrar ljusets restid till och från dessa vägpunkter. Genom att övervaka dessa förändringar, seismologer kan observera rörelsen av seismiska vågor.

"Dessa brister uppstår tillräckligt ofta för att varannan meter fiber fungerar som en individuell seismometer. För de 50 kilometer fiberoptisk kabel på tre olika platser som vi har använt för projektet, det är ungefär som att distribuera över 6, 000 seismometrar i området, säger Zhongwen Zhan, biträdande professor i geofysik, vem som leder insatsen.

Projektet lanserades bara några dagar efter att de två stora jordbävningarna drabbade Ridgecrest-området. Zhan ringde runt, letar efter oanvänd fiberoptisk kabel som skulle vara tillräckligt lång och tillräckligt nära den seismiskt aktiva regionen för att vara användbar. Så småningom, chefen för Inyokern Airport, Scott Seymour (som också hade erbjudit användningen av fibernätet runt flygplatsen), kopplade Zhan till Michael Ort, chefen för California Broadband Cooperative's Digital 395 -projekt. Projektet syftar till att bygga ett nytt 583 mil lång fibernätverk som huvudsakligen följer U.S. Route 395, som löper nord-sydlig längs den östra sidan av Sierra Nevada, passerar nära Ridgecrest.

Digital 395 har erbjudit sig att låta Zhan använda tre segment av sin fiberoptiska kabel:10 kilometer från Ridgecrest i väster, och två sektioner både norr och söder om Olancha, nära vilken det var intensiv seismisk aktivitet som utlöstes av M7.1-skalvet. "Jordbävningarna den 4-5 juli skapade ett 50 kilometer långt brott som har utlöst efterskalv i separata regioner som vi kommer att kunna studera, " säger Zhan. Under tiden, avkänningsinstrumenten som Zhan kopplade till den fiberoptiska kabeln för projektet levererades av tillverkarna OptaSense och Silixa.

Zhans team utplacerade också längre söderut vid Goldstone Deep Space Communications Complex, en NASA -anläggning som drivs av JPL. (JPL hanteras av Caltech för NASA.) Webbplatsen, som ligger nära Fort Irwin, är värd för ett mörkt fibernätverk som Zhan tidigare använde för att testa den fiberoptiska seismiska övervakningstekniken. "Det är bara cirka 70 kilometer från Ridgecrest, så det skulle vara en bra tid att gå tillbaka, " han säger.

Omedelbart efter jordbävningen, USGS använde också tillfälliga seismometrar runt Ridgecrest för att övervaka efterskalv. Zhan säger att hans fiberoptiska system kommer att komplettera snarare än att duplicera den ansträngningen. De tillfälliga seismometrarna kan täcka ett större område men ger glesare avläsningar, han säger. De tenderar också att vara batteridrivna och utan nätverk, vilket innebär att data de registrerar inte kommer att vara tillgängliga förrän efter att deras batterier tagit slut och hämtats, medan en del av data från Zhans fiberoptiska system kommer att vara tillgänglig omedelbart.

Även om den seismiska övervakningen av Ridgecrest kommer att vara tillfällig, Zhan och hans kollegor hoppas kunna etablera liknande system permanent i nyckelstäder i hela södra Kalifornien. Detta arbete började med ett pilotprojekt 2018 som involverade Caltech Seismological Laboratory och staden Pasadena för att använda en del av stadens mörka fiber för att övervaka vädret i området.

"Kombinationen av Pasadena -fiberarrayen och Ridgecrest -distributionerna har gett två viktiga vetenskapliga först:Pasadena -arrayen är det första exemplet på ett permanent jordbävningsövervakningssystem med fiberoptik, medan Ridgecrest utplaceras, också en första inom jordbävningsövervakning, ge oss en glimt av vad vi kunde se om vi kontinuerligt kunde lysa upp mörk fiber i hela södra Kalifornien, " säger Michael Gurnis, John E. och Hazel S. Smits Professor i geofysik och chef för Caltech Seismological Laboratory. "De tillåter oss att observera och förstå hur seismiska vågor ekar genom våra komplexa berg och bassänger efter en stor storm."

Informationen som samlats in från fibernätet Ridgecrest hjälper seismologer att lära sig mer om hur jordbävningssekvenser förfaller och migrerar genom jorden, och kommer att erbjuda mer information om hur seismiska vågor rör sig i hela regionen runt Ridgecrest.

Att bearbeta den stora mängd data som det fiberoptiska systemet samlar in kommer att ta månader, även med hjälp av automatiserade system, säger Zhan, som uppskattar att hans team kommer att få i storleksordningen 10 till 20 terabyte data under de närmaste månaderna.

"Det här kommer att hålla oss sysselsatta ett tag, men i slutändan, vi får en tydligare bild av hur den här sekvensen utvecklades än vad som annars skulle vara möjligt, " säger Zhan.