En sismología tradicional, investigadores que estudian cómo se mueve la tierra en los momentos anteriores, durante, y después de un terremoto confíe en sensores que cuestan decenas de miles de dólares fabricarlos e instalarlos bajo tierra. Y debido al gasto y la mano de obra involucrados, solo se han instalado unos pocos sensores sísmicos en áreas remotas de California, lo que dificulta la comprensión de los impactos de futuros terremotos, así como de los pequeños terremotos que ocurren en fallas no cartografiadas.

Ahora, los investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía de EE. UU. (Berkeley Lab) han descubierto una manera de superar estos obstáculos girando partes de un 13, Banco de pruebas de 000 millas de "fibra oscura, "cable de fibra óptica sin usar propiedad de la Red de Ciencias Energéticas del DOE (ESnet), en un sensor de actividad sísmica de alta sensibilidad que potencialmente podría aumentar el rendimiento de los sistemas de alerta temprana de terremotos que se están desarrollando actualmente en el oeste de los Estados Unidos. El estudio que detalla el trabajo, el primero en emplear una gran red regional como sensor de terremotos, se publicó esta semana en Nature's Informes científicos .

Sacudiendo la sismología con fibra oscura

Según Jonathan Ajo-Franklin, un científico del personal del Área de Ciencias Ambientales y de la Tierra de Berkeley Lab que dirigió el estudio, hay aproximadamente 10 millones de kilómetros de cable de fibra óptica en todo el mundo, y aproximadamente el 10 por ciento de eso consiste en fibra oscura.

El grupo Ajo-Franklin ha estado trabajando en este tipo de experimento durante varios años. En un estudio de 2017, instalaron un cable de fibra óptica en una zanja poco profunda en Richmond, California, y demostró que una nueva tecnología de detección llamada detección acústica distribuida (DAS) podría usarse para obtener imágenes del subsuelo poco profundo. DAS es una tecnología que mide campos de ondas sísmicas disparando pulsos de láser cortos a lo largo de la fibra. En un estudio de seguimiento, ellos y un grupo de colaboradores demostraron por primera vez que los cables de fibra óptica podrían utilizarse como sensores para detectar terremotos.

El estudio actual utiliza la misma técnica DAS, pero en lugar de desplegar su propio cable de fibra óptica, los investigadores realizaron sus experimentos en un segmento de 20 millas del 13, Banco de pruebas de fibra oscura ESnet de 000 millas de largo que se extiende desde West Sacramento hasta Woodland, California. "Para verificar aún más nuestros resultados del estudio de 2017, sabíamos que tendríamos que ejecutar las pruebas DAS en una red de fibra oscura real, "dijo Ajo-Franklin, quien también dirige el Departamento de Geofísica de Berkeley Lab.

"Cuando Jonathan me habló sobre el uso de nuestro banco de pruebas de fibra oscura, Ni siquiera sabía que era posible "utilizar una red como sensor, dijo Inder Monga, Director Ejecutivo de ESnet y director de la División de Redes Científicas en Berkeley Lab. "Nadie había hecho este trabajo antes. Pero las posibilidades eran tremendas, Y yo dije, 'Seguro, ¡hagámoslo!"

Chris Tracy de ESnet trabajó en estrecha colaboración con los investigadores para descubrir la logística de implementación. La empresa de telecomunicaciones CenturyLink proporcionó información sobre la instalación de fibra.

Debido a que ESnet Testbed tiene cobertura regional, los investigadores pudieron monitorear la actividad sísmica y el ruido ambiental con mayor detalle que los estudios anteriores.

"La cobertura del banco de pruebas de fibra oscura de ESnet nos proporcionó imágenes del subsuelo con una resolución y una escala más altas de lo que hubiera sido posible con una red de sensores tradicional, "dijo la coautora Verónica Rodríguez Tribaldos, investigador postdoctoral en el laboratorio de Ajo-Franklin. "Las redes sísmicas convencionales a menudo emplean solo unas pocas docenas de sensores separados por varios kilómetros para cubrir un área tan grande, pero con ESnet Testbed y DAS, tenemos 10, 000 sensores en una línea con una separación de dos metros. Esto significa que con un solo cable de fibra óptica puede recopilar información muy detallada sobre la estructura del suelo durante varios meses ".

Profundizando en busca de datos subterráneos

Después de siete meses de usar DAS para registrar datos a través del banco de pruebas de fibra oscura de ESnet, los investigadores demostraron que los beneficios de utilizar una fibra comercial son múltiples. "Con solo escuchar durante 40 minutos, esta tecnología tiene el potencial de hacer alrededor de 10 cosas diferentes a la vez. Pudimos captar ondas de muy baja frecuencia de terremotos distantes, así como las frecuencias más altas generadas por vehículos cercanos. ", dijo Ajo-Franklin. La tecnología permitió a los investigadores distinguir entre un automóvil o un tren en movimiento y un terremoto, y para detectar terremotos tanto locales como distantes, de Berkeley a Gilroy a Chiapas, México. La tecnología también se puede utilizar para caracterizar la calidad del suelo, proporcionar información sobre acuíferos, e integrarse en estudios geotécnicos, añadió.

Con una imagen tan detallada del subsuelo, la tecnología tiene potencial para su uso en estudios de lapso de tiempo de las propiedades del suelo, dijo Rodríguez Tribaldos. Por ejemplo, en vigilancia ambiental, esta herramienta podría usarse para detectar cambios de agua subterránea a largo plazo, el derretimiento del permafrost, o los cambios hidrológicos involucrados en los peligros de deslizamientos de tierra.

Los hallazgos del estudio actual también sugieren que es posible que los investigadores ya no tengan que elegir entre la calidad de los datos y el costo. "Los sensores de los teléfonos móviles son económicos y nos avisan cuando ocurre un gran terremoto cerca, pero no podrán registrar las finas vibraciones del planeta, "dijo el coautor Nate Lindsey, un estudiante graduado de UC Berkeley que dirigió el trabajo de campo y el análisis de terremotos para el estudio de 2017. "En este estudio, demostramos que las fibras ópticas económicas captan esos pequeños movimientos del suelo con una calidad sorprendente ".

Con 300 terabytes de datos brutos recopilados para el estudio, los investigadores se han enfrentado al desafío de encontrar formas de gestionar y procesar eficazmente la "manguera contra incendios" de la información sísmica. Ajo-Franklin expresó su esperanza de construir algún día un portal de datos sismológicos que combine ESnet como sensor y mecanismo de transferencia de datos. con análisis y almacenamiento de datos a largo plazo administrado por la instalación de supercomputación de Berkeley Lab, NERSC (Centro Nacional de Computación Científica de Investigación en Energía).

Monga added that even though the Dark Fiber Testbed will soon be lit for the next generation of ESnet, dubbed "ESnet 6, " there may be sections that could be used for seismology. "Although it was completely unexpected that ESnet—a transatlantic network dedicated for research—could be used as a seismic sensor, it fits perfectly within our mission, " he said. "At ESnet, we want to enable scientific discovery unconstrained by geography."