En ny studie från en forskare från University of Michigan och kollegor vid tre institutioner visar potentialen för att använda befintliga nätverk av nedgrävda optiska fibrer som ett billigt observatorium för att övervaka och studera jordbävningar.

Studien ger nya bevis för att samma optiska fibrer som levererar höghastighetsinternet och HD-video till våra hem en dag skulle kunna fungera som seismiska sensorer.

"Fiberoptiska kablar är ryggraden i modern telekommunikation, och vi har visat att vi kan förvandla befintliga nätverk till omfattande seismiska arrayer för att bedöma markrörelser under jordbävningar, " sa UM seismolog Zack Spica, första författare till en artikel publicerad online den 12 februari i tidskriften JGR Solid Earth .

Studien utfördes med hjälp av en prototyparray vid Stanford University, där Spica var postdoktor i flera år innan han nyligen började på U-M-fakulteten som biträdande professor vid institutionen för geo- och miljövetenskap. Medförfattare inkluderar forskare vid Stanford och från Mexiko och Virginia.

"Detta är första gången som fiberoptisk seismologi har använts för att härleda ett standardmått på underjordiska egenskaper som används av jordbävningsingenjörer för att förutse svårighetsgraden av skakningar, " sa geofysikern Greg Beroza, en medförfattare på tidningen och Wayne Loel-professorn i Stanford's School of Earth, Energi- och miljövetenskap.

För att omvandla en fiberoptisk kabel till en seismisk sensor, forskarna ansluter ett instrument som kallas laserinterrogator till ena änden av kabeln. Den skjuter pulser av laserljus ner i fibern. Ljuset studsar tillbaka när det stöter på föroreningar längs fibern, skapa en "backscatter-signal" som analyseras av en enhet som kallas en interferometer.

Förändringar i backscatter-signalen kan avslöja hur fibern sträcker sig eller komprimeras som svar på passerande störningar, inklusive seismiska vågor från jordbävningar. Tekniken kallas distribuerad akustisk avkänning, eller DAS, och har använts i flera år för att övervaka tillståndet hos rörledningar och brunnar inom olje- och gasindustrin.

Den nya studien i JGR Solid Earth utökar tidigare arbete med Stanford-testslingan på 3 mil genom att producera högupplösta kartor över den grunda underytan, som forskare kan använda för att se vilka områden som kommer att genomgå den starkaste skakningen i framtida jordbävningar, sa Beroza.

Dessutom, studien visar att optiska fibrer kan användas för att känna av seismiska vågor och erhålla hastighetsmodeller och resonansfrekvenser för marken – två parametrar som är avgörande för markrörelseförutsägelse och seismisk riskbedömning. Spica och hans kollegor säger att deras resultat stämmer väl överens med en oberoende undersökning som använde traditionella tekniker, därigenom validerar metodiken för fiberoptisk seismologi.

Detta tillvägagångssätt verkar ha stor potential för användning i stora, jordbävningshotade städer som San Francisco, Los Angeles, Tokyo och Mexico City, där tusentals miles av optiska kablar är begravda under ytan.

"Det som är bra med att använda fiber för detta är att städer redan har det som en del av sin infrastruktur, så allt vi behöver göra är att utnyttja det, " sa Beroza.

Många av dessa stadscentra är byggda ovanpå mjuka sediment som förstärker och förlänger jordbävningsskakningar. Den ytnära geologin kan variera avsevärt från kvarter till kvarter, betonar behovet av detaljerade, platsspecifik information.

Men att få den typen av information kan vara en utmaning med traditionella tekniker, som involverar utplacering av stora seismometrar - tusentals sådana instrument i Los Angeles -området, till exempel.

"I stadsområden, det är mycket svårt att hitta en plats att installera seismiska stationer eftersom asfalt finns överallt, " sa Spica. "Dessutom, många av dessa marker är privata och inte tillgängliga, och du kan inte alltid lämna en seismisk station ensam på grund av risken för stöld.

"Fiberoptik kan en dag markera slutet på sådana storskaliga och dyra experiment. Kablarna är begravda under asfalten och korsar hela staden, utan någon av nackdelarna med ytseismiska stationer."

Tekniken skulle troligen vara ganska billig, också, sa Spica. Vanligtvis, kommersiella fiberoptiska kablar innehåller oanvända fibrer som kan hyras för andra ändamål, inklusive seismologi.

För tillfället, traditionella seismometrar ger bättre prestanda än prototypsystem som använder fiberoptisk avkänning. Också, Seismometrar känner av markrörelser i tre riktningar, medan optiska fibrer endast avkänner längs fiberns riktning.

Den tre mil långa Stanford fiberoptiska matrisen och datainsamling möjliggjordes genom en kollektiv insats från Stanford IT-tjänster, Stanford Geophysics, och OptaSense Ltd. Finansiellt stöd gavs av Stanford Exploration Project, US Department of Energy och Schlumberger Fellowship.

Nästa fas av projektet innebär en mycket större testuppsättning. En 27-milsslinga bildades nyligen genom att länka optiska fibrer på Stanfords historiska campus med fibrer på flera andra närliggande platser.

De andra författarna till JGR Solid Earth papper är Biondo Biondi från Stanford, Mathieu Perton från Universidad Nacional Autónoma de México och Eileen Martin från Virginia Tech.