Los científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía (Berkeley Lab) han demostrado por primera vez que la fibra oscura, la vasta red de cables de fibra óptica sin usar instalados en todo el país y el mundo, se puede utilizar como sensores para detectar terremotos. la presencia de agua subterránea, cambios en las condiciones del permafrost, y una variedad de otras actividades subterráneas.

En un par de artículos publicados recientemente, un equipo dirigido por el investigador de Berkeley Lab, Jonathan Ajo-Franklin, anunció que había combinado con éxito una tecnología llamada "detección acústica distribuida, "que mide las ondas sísmicas mediante cables de fibra óptica, con técnicas de procesamiento novedosas para permitir un monitoreo sísmico confiable, logrando resultados comparables a los que pueden medir los sismómetros convencionales.

"Esto tiene un enorme potencial porque uno puede imaginarse grandes extensiones de fibras convirtiéndose en una red sísmica masiva, "dijo Shan Dou, becario postdoctoral de Berkeley Lab. "La idea es que, al utilizar fibra que se pueda enterrar bajo tierra durante mucho tiempo, podemos transformar el ruido del tráfico u otras vibraciones ambientales en señales sísmicas utilizables que pueden ayudarnos a monitorear cambios cerca de la superficie, como el deshielo del permafrost y las fluctuaciones del nivel del agua subterránea ".

Dou es el autor principal de "Detección acústica distribuida para el monitoreo sísmico de la superficie cercana:un estudio de caso de interferometría de ruido de tráfico, "que se publicó en septiembre en Nature's Informes científicos y verificó la técnica para monitorear la superficie cercana a la Tierra. Más recientemente, El grupo de Ajo-Franklin publicó un estudio de seguimiento dirigido por el estudiante graduado de UC Berkeley, Nate Lindsey, "Observaciones de redes de fibra óptica de campos de ondas de terremotos, " en Cartas de investigación geofísica (GRL) , lo que demuestra la viabilidad de utilizar cables de fibra óptica para la detección de terremotos.

¿Qué es la fibra oscura?

La fibra oscura se refiere al cable de fibra óptica no utilizado, de los cuales hay un exceso gracias a la gran prisa por instalar el cable a principios de la década de 1990 por parte de las empresas de telecomunicaciones. Así como los cables fueron enterrados bajo tierra, la tecnología para transmitir datos mejoró significativamente, por lo que se necesitaron menos cables. Ahora hay densos pasillos de fibra oscura que atraviesan todo el país.

La detección acústica distribuida (DAS) es una tecnología novedosa que mide campos de ondas sísmicas disparando pulsos de láser cortos a lo largo de la fibra. "La idea básica es, la luz láser se dispersa por pequeñas impurezas en la fibra, ", dijo Ajo-Franklin." Cuando la fibra se deforma, veremos distorsiones en la luz retrodispersada, y de estas distorsiones, podemos medir cómo se aprieta o tira de la fibra en sí ".

Usando una matriz de prueba que instalaron en Richmond, California:con cable de fibra óptica colocado en una zanja poco profunda en forma de L, un tramo de unos 100 metros paralelo a la carretera y otro perpendicular - los investigadores comprobaron que podían utilizar ondas sísmicas generadas por el tráfico urbano, como coches y trenes, para obtener imágenes y monitorear las propiedades mecánicas de las capas de suelo poco profundas.

Las medidas dan información sobre qué tan "blando" es el suelo en un punto dado, permitiendo inferir una gran cantidad de información sobre las propiedades del suelo, como su contenido de agua o textura. "Imagínese un slinky:puede comprimirse o moverse, "Ajo-Franklin dijo." Esas corresponden a diferentes formas de exprimir el suelo, y cuánta energía se necesita para reducir su volumen o cortarlo ".

Añadió:"Lo bueno de todo esto es que estás tomando medidas en cada pequeña unidad de fibra. Todos los reflejos vuelven a ti. Al conocerlos todos y saber cuánto tiempo tarda una luz láser en viajar de regreso y adelante en la fibra puede retroceder lo que está sucediendo en cada ubicación. Por lo tanto, es una medida verdaderamente distribuida ".

Habiendo probado el concepto en condiciones controladas, el equipo dijo que esperan que la técnica funcione en una variedad de redes de telecomunicaciones existentes, y actualmente están llevando a cabo experimentos de seguimiento en California para demostrarlo. La investigación en curso en Alaska también está explorando la misma técnica para monitorear la estabilidad del permafrost ártico.

Dou agregó:"Podemos monitorear muy bien la superficie cercana usando nada más que el ruido del tráfico. Podrían ser fluctuaciones en los niveles de agua subterránea, o cambios que podrían proporcionar alertas tempranas para una variedad de peligros geográficos, como el deshielo del permafrost, formación de sumideros, y deslizamientos de tierra ".

Uso de fibra para la detección de terremotos

Sobre la base de cinco años de investigación dirigida por Berkeley Lab que explora el uso de DAS para el monitoreo del subsuelo utilizando fuentes sísmicas no sísmicas, El grupo de Ajo-Franklin ahora ha superado los límites y ha demostrado que el DAS también es una herramienta poderosa para el monitoreo de terremotos.

En el estudio de GRL dirigido por Lindsey en colaboración con la estudiante graduada de Stanford Eileen Martin, El equipo de investigación tomó medidas utilizando la técnica DAS en arreglos de fibra óptica en tres lugares:dos en California y uno en Alaska. En todos los casos, DAS demostró ser comparablemente sensible a los terremotos como los sismómetros convencionales, a pesar de sus niveles de ruido más altos. Usando las matrices DAS, armaron un catálogo de locales, regional, y terremotos distantes y demostró que las técnicas de procesamiento podrían aprovechar los muchos canales del DAS para ayudar a comprender de dónde se originan los terremotos.

Ajo-Franklin dijo que la fibra oscura tiene la ventaja de ser casi ubicua, mientras que los sismómetros tradicionales, porque son caras, están escasamente instalados, y las instalaciones submarinas son particularmente escasas. Adicionalmente, La fibra permite un muestreo espacial denso, lo que significa que los puntos de datos están a solo metros de distancia, mientras que los sismómetros suelen estar separados por muchos kilómetros.

Lindsey agregó:"La fibra tiene muchas implicaciones para la detección de terremotos, localización, y alerta temprana. La fibra se va al océano, y está por toda la tierra por lo que esta tecnología aumenta la probabilidad de que un sensor esté cerca de la ruptura cuando ocurre un terremoto, que se traduce en encontrar pequeños eventos, ubicaciones mejoradas de terremotos, y tiempo adicional para la alerta temprana ".

El documento GRL señala otras aplicaciones potenciales del uso de la fibra oscura, incluido el análisis de peligros sísmicos urbanos, imagen sísmica global, detección de volcanes submarinos en alta mar, vigilancia de explosiones nucleares, y caracterización de micro-terremotos.