Glasfaserkabel erkennen und charakterisieren Erdbeben

2. August 2023

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vom California Institute of Technology

In Kalifornien verlaufen tausende Kilometer Glasfaserkabel kreuz und quer durch den Staat und versorgen die Menschen mit Internet. Doch diese Erdkabel können auch eine überraschende Nebenfunktion haben: Sie können Erdbeben spüren und messen. In einer neuen Studie am Caltech berichten Wissenschaftler, dass sie einen Abschnitt eines Glasfaserkabels verwendet haben, um komplexe Details eines Erdbebens der Stärke 6 zu messen und dabei die Zeit und den Ort von vier einzelnen Unebenheiten zu bestimmen, den „festsitzenden“ Bereichen der Verwerfung, die zum Bruch geführt haben .

Seit mehreren Jahren wollen der Geophysikprofessor Zhongwen Zhan und sein Team zeigen, dass die Umnutzung von Glasfaserkabeln eine einfache Möglichkeit ist, unsere Fähigkeit zur Messung seismischer Aktivität drastisch zu erweitern, indem sie ein dichtes Netzwerk provisorischer Seismometer in einer Methode namens „verteilte akustische Erfassung“ erstellen.

Die neue, in der Fachzeitschrift „Nature“ erschienene Studie nutzte nur einen 100 Kilometer langen Kabelabschnitt, um die komplexen Mechanismen hinter einem bestimmten Erdbeben im Jahr 2021 genau zu verstehen. Sie legt nahe, dass der Zugang zu mehr Kabeln ein besseres Verständnis der Erdbebenphysik und letztendlich eine bessere Früherkennung von Erdbeben ermöglichen würde. Warnsysteme.

„Wenn wir eine breitere Abdeckung zur Messung der seismischen Aktivität erreichen können, können wir die Art und Weise, wie wir Erdbeben untersuchen, revolutionieren und mehr Vorwarnungen bereitstellen“, sagt Zhan. „Obwohl wir Erdbeben nicht vorhersagen können, wird die verteilte akustische Erfassung zu einem besseren Verständnis der Details führen, die dem Aufbrechen der Erde zugrunde liegen.“

Auf einer Fläche von etwa 56.500 Quadratmeilen in Südkalifornien gibt es etwa 500 Seismometer, und jedes einzelne kostet bis zu 50.000 US-Dollar. Andererseits könnte die Nutzung von Glasfaserkabeln im gesamten Bundesstaat gleichbedeutend damit sein, ihn mit Millionen von Seismometern zu überdecken.

Um ein Glasfaserkabel als Seismometer zu verwenden, werden an einem Ende des Kabels Lasersender angebracht, die Lichtstrahlen durch die langen, dünnen Glasstränge schießen, die den Kern des Kabels bilden. Das Glas weist winzige Unebenheiten auf, die einen winzigen Teil des Lichts zur Quelle zurückreflektieren, wo es aufgezeichnet wird.

Auf diese Weise fungiert jede Unvollkommenheit als verfolgbarer Wegpunkt entlang des Glasfaserkabels, das normalerweise knapp unter der Erdoberfläche verläuft. Seismische Wellen, die sich durch den Boden bewegen, führen dazu, dass das Kabel leicht wackelt, was die Laufzeit des Lichts zu und von diesen Wegpunkten verändert. Somit wirken die Unvollkommenheiten entlang der Kabellänge wie Tausende einzelner Seismometer, die es Seismologen ermöglichen, die Bewegung seismischer Wellen zu beobachten.

In dieser neuen Studie untersuchte das Team die Lichtsignaturen, die während des Erdbebens der Stärke 6 im Antelope Valley im Jahr 2021 durch einen Glasfaserkabelabschnitt in der östlichen Sierra Nevada wanderten. Der Kabelabschnitt entsprach 10.000 Seismometern und es konnte festgestellt werden, dass die M6 aus einer Folge von vier kleineren Brüchen bestand. Diese sogenannten „Sub-Ereignisse“, wie Mini-Erdbeben, konnten von einem herkömmlichen seismischen Netzwerk nicht erkannt werden.

In Zusammenarbeit mit dem Labor von Nadia Lapusta, Lawrence A. Hanson, Jr., Professorin für Maschinenbau und Geophysik, konnte das Team auf der Grundlage der gemessenen seismischen Aktivität ein genaues Modell des M6-Erdbebens erstellen. Das Modell zeigte den Zeitpunkt der vier Unterereignisse und lokalisierte ihre genauen Standorte in der Verwerfungsregion.

„Die Verwendung von Glasfaserkabeln als Seismometerserie offenbart Aspekte der Erdbebenphysik, die seit langem vermutet, aber schwer abzubilden sind“, sagt Zhan. „Stellen Sie sich als Analogie Ihr alltägliches Hinterhofteleskop vor. Sie können Jupiter sehen, aber wahrscheinlich nicht seine Monde oder andere Details. Mit einem wirklich leistungsstarken Teleskop können Sie die feinen Details der Planeten- und Mondoberflächen sehen. Unsere Technologie.“ ist wie ein leistungsstarkes Teleskop für Erdbeben.“

Mehr Informationen: Jiaxuan Li, Der Bruch von Erdbebenunebenheiten, abgebildet durch verteilte akustische Erfassung, Natur (2023). DOI: 10.1038/s41586-023-06227-w. www.nature.com/articles/s41586-023-06227-w

Zeitschrifteninformationen:Natur

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