Fiberoptiska kablar som utgör ett globalt undervattens telekommunikationsnätverk kan en dag hjälpa forskare att studera jordbävningar till havs och de geologiska strukturerna gömda djupt under havsytan.

I en tidning som kommer ut denna vecka i tidningen Vetenskap , forskare från University of California, Berkeley, Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), Monterey Bay Aquarium Research Institute (MBARI) och Rice University beskriver ett experiment som förvandlade 20 kilometer undervattensfiberoptisk kabel till motsvarande 10, 000 seismiska stationer längs havsbotten. Under deras fyra dagar långa experiment i Monterey Bay, de registrerade ett skalv på magnituden 3,5 och seismisk spridning från undervattensförkastningszoner.

Deras teknik, som de tidigare hade testat med fiberoptiska kablar på land, skulle kunna tillhandahålla välbehövlig information om skalv som inträffar under havet, där det finns få seismiska stationer, lämnar 70 % av jordens yta utan jordbävningsdetektorer.

"Det finns ett stort behov av havsbottenseismologi. Alla instrument som du får ut i havet, även om det bara är de första 50 kilometerna från stranden, kommer att vara mycket användbart, sa Nate Lindsey, en doktorand vid UC Berkeley och huvudförfattare till tidningen.

Lindsey och Jonathan Ajo-Franklin, en geofysikprofessor vid Rice University i Houston och en gästforskare vid Berkeley Lab, ledde experimentet med hjälp av Craig Dawe från MBARI, som äger fiberkabeln. Kabeln sträcker sig 52 kilometer offshore till den första seismiska stationen som någonsin placerats på botten av Stilla havet, satt där för 17 år sedan av MBARI och Barbara Romanowicz, en UC Berkeley professor vid forskarskolan vid institutionen för jord- och planetvetenskap. En permanent kabel till Monterey Accelerated Research System (MARS) noden lades 2009, Varav 20 kilometer användes i detta test medan den var offline för årligt underhåll i mars 2018.

"Detta är verkligen en studie på gränsen för seismologi, första gången någon har använt offshore fiberoptiska kablar för att titta på dessa typer av oceanografiska signaler eller för att avbilda felstrukturer, " sa Ajo-Franklin. "En av de tomma fläckarna i det seismografiska nätverket världen över är i haven."

Det yttersta målet för forskarnas insatser, han sa, är att använda de täta fiberoptiska nätverken runt om i världen – förmodligen mer än 10 miljoner kilometer totalt, på både land och under havet – som känsliga mått på jordens rörelse, tillåta jordbävningsövervakning i regioner som inte har dyra markstationer som de som finns runt en stor del av det jordbävningsutsatta Kalifornien och Stillahavskusten.

"Det befintliga seismiska nätverket tenderar att ha högprecisionsinstrument, men är relativt gles, medan detta ger dig tillgång till en mycket tätare array, sa Ajo-Franklin.

Fotonisk seismologi

Tekniken som forskarna använder är Distributed Acoustic Sensing, som använder en fotonisk anordning som sänder korta pulser av laserljus nedför kabeln och detekterar den bakåtspridning som skapas av påkänning i kabeln som orsakas av sträckning. Med interferometri, de kan mäta backscatter varannan meter (6 fot), effektivt förvandla en 20 kilometer lång kabel till 10, 000 individuella rörelsesensorer.

"Dessa system är känsliga för förändringar av nanometer till hundratals pikometer för varje längdmeter, "Ajo-Franklin sa. "Det är en förändring på en del av en miljard."

Tidigare i år, de rapporterade resultaten av ett sex månader långt försök på land med 22 kilometer kabel nära Sacramento, placerad av Department of Energy som en del av dess 13, 000 mil ESnet Dark Fiber Testbädd. Mörk fiber hänvisar till optiska kablar som läggs under jord, men oanvänd eller uthyrd för kortvarig användning, i motsats till det aktivt använda "upplysta" internet. Forskarna kunde övervaka seismisk aktivitet och omgivningsbrus och få underjordiska bilder i högre upplösning och större skala än vad som skulle ha varit möjligt med ett traditionellt sensornätverk.

"Det fina med fiberoptisk seismologi är att du kan använda befintliga telekommunikationskablar utan att behöva lägga ut 10, 000 seismometrar, " sa Lindsey. "Du går bara ut till platsen och ansluter instrumentet till änden av fibern."

Under undervattenstesten, de kunde mäta ett brett spektrum av frekvenser av seismiska vågor från en jordbävning med magnituden 3,4 som inträffade 45 kilometer inåt landet nära Gilroy, Kalifornien, och kartlägga flera kända och tidigare omappade ubåtsförkastningszoner, en del av San Gregorio Fault-systemet. De kunde också upptäcka havsvågor i stabilt tillstånd - så kallade havsmikroseismer - såväl som stormvågor, som alla matchade boj- och landseismiska mätningar.

"Vi har enorma kunskapsluckor om processer på havsbotten och strukturen av havsskorpan eftersom det är utmanande att placera instrument som seismometrar på havets botten, sa Michael Manga, en UC Berkeley professor i jord- och planetvetenskap. "Denna forskning visar löftet om att använda befintliga fiberoptiska kablar som uppsättningar av sensorer för att avbilda på nya sätt. Här, de har identifierat tidigare hypoteser om vågor som inte hade upptäckts tidigare."

Enligt Lindsey, Det finns ett ökande intresse bland seismologer att registrera jordens omgivande bullerfält orsakat av interaktioner mellan havet och det kontinentala landet:i huvudsak, vågor som skvalpar runt nära kusten.

"Genom att använda dessa kustnära fiberoptiska kablar, vi kan i princip titta på vågorna vi är vana vid att se från stranden kartlagda på havsbotten, och hur dessa havsvågor kopplas in i jorden för att skapa seismiska vågor, " han sa.

För att använda världens upplysta fiberoptiska kablar, Lindsey och Ajo-Franklin måste visa att de kan pinga laserpulser genom en kanal utan att störa andra kanaler i fibern som bär oberoende datapaket. De genomför experiment nu med tända fibrer, samtidigt som man planerar fiberoptisk övervakning av seismiska händelser i ett geotermiskt område söder om södra Kaliforniens Salton Sea, i den seismiska zonen i Brawley.