Волокно

Aug 17, 2023

Волоконно-оптические кабели составляют обширную подземную нервную систему, которая удовлетворяет растущий спрос на высокоскоростной Интернет и услуги связи. Однако сигналы в кабелях могут иногда подвергаться вибрациям из-за проезжающих над головой автомобилей, близлежащих строительных конструкций или даже землетрясений. Ранее исследователи предлагали использовать эти возмущения для преобразования тысяч километров подземных кабелей в чувствительные сейсмические массивы.

В новом исследовании исследователи из Калифорнийского технологического института показывают, что оптоволоконные кабели не только обнаруживают землетрясения, но и могут измерять нюансы и сложность сейсмических событий. В одном случае, используя 100-километровый участок кабеля, исследователи смогли точно определить время и место четырех небольших мини-землетрясений, которые составили землетрясение магнитудой 6.

«Эта работа не просто обнаружена, она находится за пределами обнаружения», — говорит Цзясюань Ли, постдокторант в области геофизики в Калифорнийском технологическом институте и соавтор статьи, опубликованной 2 августа в журнале Nature. «Мы визуализируем детали процесса разрушения в результате землетрясения».

«Мы могли бы преобразовать эти очень плотные [волоконные] сети в сейсмические массивы, которые мы можем использовать для раннего предупреждения».— Цзясюань Ли, Калифорнийский технологический институт

Подключив больше кабелей и получив еще больше данных, сейсмологи смогут лучше понять землетрясения. И хотя массив оптоволоконных кабелей вряд ли сможет предсказать землетрясения до того, как они произойдут, исследователи могли бы использовать эту технику для разработки более эффективных систем раннего предупреждения, которые спасают жизни, говорит Ли.

В Калифорнии обычно ежегодно происходит два или три землетрясения, причем достаточно сильных — то есть магнитудой 5,5. и выше — для нанесения умеренных повреждений сооружениям. По всему штату имеется более 700 сейсмометров. Каждый из них стоит до 50 000 долларов США, а содержание сети детекторов обходится дорого.

Для раннего обнаружения важно разместить датчик как можно ближе к источнику землетрясения. По словам Ли, это невозможно с помощью дорогих сейсмометров. С другой стороны, оптоволоконные кабели уже проложены в земле, пересекаясь повсюду, образуя плотную и недорогую сеть сейсмических датчиков. «У нас очень разветвленная оптоволоконная сеть в городах и между городами», — говорит он. «Мы могли бы преобразовать эти очень плотные сети в сейсмические массивы, которые мы можем использовать для раннего предупреждения».

Ли и его коллеги использовали метод под названием распределенное акустическое зондирование (DAS), который, хотя и является новым для мира сейсмологии, уже используется для мониторинга трубопроводов и силовых кабелей на наличие дефектов. Метод заключается в отправке импульсов лазерного света по оптическим волокнам и измерении интенсивности сигналов, отраженных от дефектов волокна. Небольшое растяжение или сжатие волокна (скажем, в результате землетрясения) может изменить отраженные сигналы.

По времени возвращения импульса можно точно определить, когда и где на участке кабеля произошло нарушение. Поскольку свет отражается от тысяч точек дефектов вдоль волокон, километры кабеля могут действовать как тысячи сейсмометров. Это означает значительно больше сейсмических данных, что приводит к более высокому разрешению, что позволяет точно определить местоположение меньшей сейсмической активности.

Исследователи из Калифорнийского технологического института преобразовали уже существовавшие оптические кабели в массив DAS. Телекоммуникационные компании обычно прокладывают больше оптоволокна, чем им нужно, и исследовательская группа использует часть этого «темного» неиспользованного волокна. С разрешения Калифорнийского широкополосного кооператива команда установила приемопередатчик DAS на одном конце оптоволоконного кабеля вдоль границы между Калифорнией и Невадой.

В своем исследовании ученые проанализировали световые сигналы от двух 50-километровых участков оптоволоконного кабеля, которые зафиксировали землетрясение магнитудой 6 баллов в Долине Антилопы в 2021 году. Участки оптоволоконного кабеля располагались к северу и югу от города Старый Мамонт. В целом 100 км кабеля предоставили данные, эквивалентные данным 10 000 сейсмометров.