Сейсмология на скорости света: как оптоволокно

16 июня 2023 г.

Эта статья была проверена в соответствии с редакционным процессом и политикой Science X. Редакторы выделили следующие атрибуты, гарантируя при этом достоверность контента:

проверенный фактами

надежный источник

написано исследователем(ями)

корректура

Меган С. Миллер, Джон Тауненд и Вун Хуэй Лай, «Разговор»

В Аотеароа, Новая Зеландия, часто случаются землетрясения, в том числе разрушительные, например, те, которые произошли в Крайстчерче в 2010 и 2011 годах, а также возле Кайкуры в 2018 году.

На Южном острове наибольшую сейсмическую опасность представляет собой Альпийский разлом длиной 600 км, который проходит по всей длине Южных Альп и определяет границу между Австралийской и Тихоокеанской тектоническими плитами.

Кропотливые геологические исследования показали, что здесь происходят очень сильные землетрясения (магнитудой 7–8) примерно каждые 300 лет, причем последнее из них произошло в 1717 году. По оценкам ученых, вероятность сильного землетрясения в Альпийском разломе в ближайшие 50 лет составляет 75%. Вероятность того, что магнитуда этого землетрясения превысит 8 баллов, составляет 82%.

Несмотря на беспрецедентное качество палеосейсмических данных прошлых землетрясений в Альпийском разломе, следующее большое землетрясение произойдет без предупреждения.

В ожидании этого события ученые-геологи усердно работают над тем, чтобы понять, как нагружается Альпийский разлом перед разрывом и как характеристики разлома могут повлиять на распространение разрыва и возникающее в результате сотрясение грунта.

Одним из компонентов этой работы является определение геометрии и внутренней структуры Альпийского разлома в гораздо более мелком масштабе, чем можно изучить с помощью обычных сейсмометров, расположенных на расстоянии десятков километров друг от друга.

Новый эксперимент в Хаасте, небольшом отдаленном поселке недалеко от побережья в Юго-Вестленде, использует технологию под названием Распределенное акустическое зондирование (DAS). DAS — это быстро развивающаяся технология обнаружения, которая преобразует телекоммуникационные оптоволоконные кабели в тысячи плотно расположенных датчиков движения земли.

Эксперимент Haast DAS — это транс-Тасмановский эксперимент геофизиков из Австралийского национального университета и Университета Виктории в Веллингтоне Те Херенга Вака. Это первый в своем роде крупный активный разлом на границе плит, предоставляющий беспрецедентную возможность изучить внутреннюю структуру Альпийского разлома перед ожидаемым сильным землетрясением.

В период с конца февраля по начало мая этого года мы проводили сейсмологические измерения на территории Альпийского разлома, используя управляемую компьютером лазерную систему, известную как запросчик, подключенную к неиспользуемому («темному») волокну в телекоммуникационном кабеле, установленном Chorus для обеспечения широкополосной связи по всей территории. Южный остров. Телекоммуникационный кабель пересекает Альпийский разлом к ​​востоку от Хааста.

Волоконно-оптическая сейсмология

Импульсы света, излучаемые опросником, рассеиваются по мере прохождения вдоль волокна и взаимодействуют с дефектами стекла атомного масштаба. Часть этого рассеянного света движется назад по волокну к опроснику.

Вибрации волокна, вызванные прохождением сейсмических волн, модулируют это рассеяние и могут быть обнаружены путем регистрации рассеянных световых импульсов.

Опросник, который мы использовали, производит тысячу измерений в секунду в каждой из 7250 точек, расположенных на расстоянии четырех метров друг от друга вдоль шоссе Хааст-Пасс. Это создает ошеломляющий объем данных: около 1 ГБ новых данных каждую минуту или 1 ТБ данных каждый день.

Вибрации, зарегистрированные в Хаасте, включают сигналы, производимые близлежащими землетрясениями (большинство из которых слишком малы, чтобы быть заметными для человека), а также другими, более сильными землетрясениями, происходящими по всей Новой Зеландии и за ее пределами. Например, в середине мая мы зафиксировали несколько сильных землетрясений вблизи Новой Каледонии, самое крупное из которых вызвало предупреждение о цунами в Тихом океане.