Tusentals miles av nedgrävda optiska fibrer korsar Kaliforniens San Francisco Bay Area och levererar höghastighetsinternet och HD-video till hem och företag.

Biondo Biondi, en professor i geofysik vid Stanford's School of Earth, Energi- och miljövetenskap, drömmer om att förvandla det täta nätverket till ett billigt observatorium för "miljarder sensorer" för att kontinuerligt övervaka och studera jordbävningar.

Under det senaste året, Biondis grupp har visat att det är möjligt att omvandla jiggling av störda optiska fibersträngar till information om riktningen och storleken på seismiska händelser.

Forskarna har spelat in dessa seismiska jigglingar i en 3-mils slinga av optisk fiber installerad under Stanford University campus med instrument som kallas laserinterrogators från företaget OptaSense, som är medförfattare på publikationer om forskningen.

"Vi kan kontinuerligt lyssna på - och höra bra - jorden med hjälp av redan existerande optiska fibrer som har distribuerats för telekomändamål, " sa Biondi.

För närvarande övervakar forskare jordbävningar med seismometrar, som är känsligare än den föreslagna telekomuppsättningen, men deras täckning är sparsam och de kan vara utmanande och dyra att installera och underhålla, särskilt i tätorter.

Däremot ett seismiskt observatorium som det Biondi föreslår skulle vara relativt billigt att driva. "Varje meter optisk fiber i vårt nätverk fungerar som en sensor och kostar mindre än en dollar att installera, " Biondi sa. "Du kommer aldrig att kunna skapa ett nätverk med hjälp av konventionella seismometrar med den typen av täckning, densitet och pris."

Ett sådant nätverk skulle göra det möjligt för forskare att studera jordbävningar, speciellt de mindre, mer detaljerat och lokalisera sina källor snabbare än vad som är möjligt för närvarande. Större sensortäckning skulle också möjliggöra högre upplösningsmätningar av markens svar på skakning.

"Civilingenjörer kan ta vad de lär sig om hur byggnader och broar reagerar på små jordbävningar från arrayen med miljarder sensorer och använda den informationen för att designa byggnader som tål större skakningar, sa Eileen Martin, en doktorand i Biondis labb.

Från backscatter till signal

Optiska fibrer är tunna strängar av rent glas ungefär lika tjockt som ett människohår. De buntas vanligtvis ihop för att skapa kablar som överför datasignaler över långa avstånd genom att omvandla elektroniska signaler till ljus.

Biondi är inte först med att föreställa sig att använda optiska fibrer för att övervaka miljön. En teknik som kallas distribuerad akustisk avkänning (DAS) övervakar redan tillståndet hos rörledningar och brunnar inom olje- och gasindustrin.

"Hur DAS fungerar är att när ljuset färdas längs fibern, den stöter på olika föroreningar i glaset och studsar tillbaka, " sa Martin. "Om fibern var helt stationär, den "backscatter"-signalen skulle alltid se likadan ut. Men om fibern börjar sträcka sig i vissa områden - på grund av vibrationer eller spänningar - ändras signalen."

Tidigare implementering av denna typ av akustisk avkänning, dock, krävde att optiska fibrer skulle fästas dyrt på en yta eller inneslutas i cement för att maximera kontakten med marken och säkerställa högsta datakvalitet. I kontrast, Biondis projekt under Stanford – kallat det fiberoptiska seismiska observatoriet – använder samma optiska fibrer som telekomföretag, som ligger osäkrade och fritt flytande inuti ihåliga plaströr.

"Folk trodde inte att det här skulle fungera, " sa Martin. "De har alltid antagit att en frikopplad optisk fiber skulle generera för mycket signalbrus för att vara användbar."

Men sedan det fiberoptiska seismiska observatoriet vid Stanford började fungera i september 2016, den har spelat in och katalogiserat mer än 800 händelser, allt från konstgjorda evenemang och små, kände knappt lokala stormar till kraftfulla, dödliga katastrofer som de senaste jordbävningarna som drabbade mer än 2, 000 mil bort i Mexiko. I ett särskilt avslöjande experiment, den underjordiska arrayen tog upp signaler från två små lokala jordbävningar med magnituderna 1,6 och 1,8.

"Som förväntat, båda jordbävningarna hade samma vågform, eller mönster, eftersom de kommer från samma plats, men amplituden för det större skalvet var större, "Detta visar att fiberoptiskt seismiskt observatorium korrekt kan skilja mellan skalv med olika magnitud."

Avgörande, arrayen upptäckte och särskiljde också mellan två olika typer av vågor som färdas genom jorden, kallas P- och S-vågor. "Ett av våra mål är att bidra till ett tidigt jordbävningsvarningssystem. Det kommer att kräva förmågan att upptäcka P-vågor, som i allmänhet är mindre skadliga än S-vågor men kommer mycket tidigare, sa Martin.

Det fiberoptiska seismiska observatoriet i Stanford är bara det första steget mot att utveckla ett Bay Area-omfattande seismiskt nätverk, Biondi sa, och det finns fortfarande många hinder att övervinna, som att demonstrera att arrayen kan fungera i stadsomfattande skala.