Varje hårtunn glasfiber i en begravd fiberoptisk kabel innehåller små inre brister-och det är bra för forskare som letar efter nya sätt att samla in seismisk data på platser från ett livligt stadskärnan till en avlägsen glaciär.

I Seismologiska forskningsbrev , California Institute of Technology seismolog Zhongwen Zhan beskriver ett växande intresse för denna metod - kallad Distributed Acoustic Sensing - och dess potentiella tillämpningar. Hans uppsats är en del av tidskriftens serie Emerging Topics, där författare uppmanas av SRL -redaktörer att utforska utvecklingen som formar olika områden inom seismologi och jordbävningsvetenskap.

DAS fungerar genom att använda de små inre bristerna i en lång optisk fiber som tusentals seismiska sensorer längs tiotals kilometer fiberoptisk kabel. Ett instrument i ena änden skickar laserpulser ner i en kabel och samlar och mäter varje ekos "eko" när det reflekteras från de inre fiberfelen.

När fibern störs av temperaturförändringar, belastning eller vibrationer - orsakade av seismiska vågor, till exempel - det finns förändringar i storleken, frekvens och fas för laserljus spridda tillbaka till DAS -instrumentet. Seismologer kan använda dessa förändringar för att bestämma vilka typer av seismiska vågor som kan ha knuffat fibern, även om det bara är några tiotals nanometer.

Känsligheten för DAS -instrument har förbättrats markant under de senaste fem åren, öppna nya möjligheter för deras distribution, Sa Zhan. "Känsligheten blir bättre och bättre, till den grad att för några år sedan att om man jämför vågformerna från ett fiberparti med en geofon, de liknar varandra väldigt mycket. "

Deras prestanda gör dem lämpliga för användning i en mängd olika miljöer, särskilt på platser där det skulle bli för dyrt att etablera ett mer känsligt eller tätare seismiskt nätverk. Forskare kan också utnyttja de stora mängder oanvänd eller "mörk" fiber som tidigare har fastställts av telekommunikationsföretag och andra. Några trådar av en större kabel, sa Zhan, skulle tjäna en seismologs syften.

Zhan sa att olje- och gasindustrin har varit en av de största drivkrafterna för den nya metoden, eftersom de använde borrhål för att övervaka vätskeförändringar i djuphavsoljefält och under hydraulisk sprickbildning och avloppsvatteninsprutning.

DAS -forskare tycker att metoden är särskilt lovande för seismisk övervakning i tuffa miljöer, som Antarktis - eller månen. Med ett vanligt nätverk av seismometrar, forskare "behöver skydda och driva varje nod" av instrument i nätverket, Zhan förklarade. "Var för DAS, du lägger ner en lång fibersträng, som är ganska robust, och alla dina känsliga instrument finns bara i ena änden av fibern. "

"Du kan tänka dig att på månen eller någon annan planet, med ett scenario med hög strålning eller hög temperatur, elektroniken kanske inte överlever så länge i den miljön, "tillade han." Men fiberburk. "

Forskare använder redan DAS för att undersöka upptinings- och frysningscykler i permafrost och på glaciärer, för att bättre karakterisera deras dynamiska rörelse av isflöden och glidning på berggrunden, vilket kan hjälpa forskare att lära sig mer om hur glacialsmältning som drivs av klimatförändringar bidrar till havsnivåhöjning.

Just nu, räckvidden för de flesta DAS -system är 10 till 20 kilometer. Forskare hoppas kunna förlänga detta inom en snar framtid till 100 kilometer, Zhan sa, vilket kan vara användbart för seismisk täckning i havsbottenmiljöer, inklusive offshoresubduktionszoner.

DAS är också väl lämpad för snabb respons efter jordbävningar, speciellt i områden där mörk fiber är många och seismologer har gjort arrangemang för att använda fibern i förväg. Efter jordbävningarna i Ridgecrest 2019 i södra Kalifornien, till exempel, Zhan och hans kollegor gick snabbt för att övervaka efterskalksekvensen i området med hjälp av DAS. "Vi gjorde cirka 50 kilometer kabel till mer än 6, 000 sensorer på tre dagar, " han sa.

Om seismologer har gjort sitt arbete med att identifiera och begära tillgång till fibrer i förväg, Zhan sa, ett DAS -system kan sättas in inom några timmar efter en jordbävning.

En utmaning i att använda fiber är att veta exakt hur det ligger i marken. Med DAS -metoden, forskare vet hur långt längs en fiber en viss sensor ligger, men om den fiberoptiska kabeln är lindad eller böjd eller hängande, beräkningarna kan vara avstängda. För att åtgärda detta, seismologer gör ibland ett "tapptest" - vilka kartor slägga blåser längs marken ovanför kabeln med GPS, när slagen genljuder av fibern för att skapa en slags ekolod av dess vändningar.

DAS-sensorer innehåller också mer "självbrus"-seismiska bakgrundssignaler som kan störa en jordbävningsidentifiering-än traditionella seismiska sensorer, "men uppriktigt sagt vet vi inte exakt varför, "sade Zhan. En del av bullret kan komma från de förhörande laserpulserna, som kanske inte är stabil, eller från själva kabeln. Vissa kablar ligger lösa i sina tunnlar, och andra har flera fiberkontakter, som kan ge reflektion och förlust av ljussignalen.

"Medan hon fortfarande var i sin linda, DAS har redan visat sig vara ett fungerande hjärta - eller kanske hörlurar - för ett värdefullt nytt seismiskt lyssningsverktyg, "Avslutade Zhan.