Los cables de fibra óptica que constituyen una red mundial de telecomunicaciones submarinas podrían algún día ayudar a los científicos a estudiar los terremotos en alta mar y las estructuras geológicas ocultas en las profundidades de la superficie del océano.

En un artículo que aparece esta semana en la revista Ciencias , investigadores de la Universidad de California, Berkeley, Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Laboratorio de Berkeley), El Instituto de Investigación del Acuario de la Bahía de Monterey (MBARI) y la Universidad de Rice describen un experimento que convirtió 20 kilómetros de cable de fibra óptica submarino en el equivalente a 10, 000 estaciones sísmicas a lo largo del fondo del océano. Durante su experimento de cuatro días en la bahía de Monterey, registraron un terremoto de magnitud 3,5 y dispersión sísmica desde zonas de fallas submarinas.

Su técnica, que habían probado previamente con cables de fibra óptica en tierra, podría proporcionar datos muy necesarios sobre los terremotos que ocurren bajo el mar, donde existen pocas estaciones sísmicas, dejando el 70% de la superficie de la Tierra sin detectores de terremotos.

"Existe una gran necesidad de sismología del fondo marino. Cualquier instrumentación que se lleve al océano, incluso si es solo durante los primeros 50 kilómetros de la costa, será muy útil, "dijo Nate Lindsey, estudiante de posgrado de UC Berkeley y autor principal del artículo.

Lindsey y Jonathan Ajo-Franklin, un profesor de geofísica en la Universidad Rice en Houston y un científico de la facultad visitante en Berkeley Lab, dirigió el experimento con la ayuda de Craig Dawe de MBARI, que posee el cable de fibra óptica. El cable se extiende 52 kilómetros mar adentro hasta la primera estación sísmica que se haya colocado en el suelo del Océano Pacífico. puesto allí hace 17 años por MBARI y Barbara Romanowicz, un profesor de UC Berkeley de la Escuela de Graduados en el Departamento de Ciencias de la Tierra y Planetarias. En 2009 se colocó un cable permanente al nodo del Sistema de Investigación Acelerada de Monterey (MARS), 20 kilómetros de los cuales se utilizaron en esta prueba mientras estaban fuera de línea para el mantenimiento anual en marzo de 2018.

"Este es realmente un estudio sobre la frontera de la sismología, la primera vez que alguien ha utilizado cables de fibra óptica en alta mar para observar este tipo de señales oceanográficas o para obtener imágenes de estructuras de fallas, ", dijo Ajo-Franklin." Uno de los puntos en blanco en la red sismográfica mundial está en los océanos ".

El objetivo final de los esfuerzos de los investigadores, él dijo, es utilizar las densas redes de fibra óptica de todo el mundo, probablemente más de 10 millones de kilómetros en total, tanto en tierra como bajo el mar, como medidas sensibles del movimiento de la Tierra, permitiendo el monitoreo de terremotos en regiones que no tienen estaciones terrestres costosas como las que salpican gran parte de California y la costa del Pacífico, propensas a terremotos.

"La red sísmica existente tiende a tener instrumentos de alta precisión, pero es relativamente escaso, mientras que esto le da acceso a una matriz mucho más densa, "dijo Ajo-Franklin.

Sismología fotónica

La técnica que utilizan los investigadores es la detección acústica distribuida, que emplea un dispositivo fotónico que envía pulsos cortos de luz láser por el cable y detecta la retrodispersión creada por la tensión en el cable causada por el estiramiento. Con interferometría, pueden medir la retrodispersión cada 2 metros (6 pies), convirtiendo efectivamente un cable de 20 kilómetros en 10, 000 sensores de movimiento individuales.

"Estos sistemas son sensibles a cambios de nanómetros a cientos de picómetros por cada metro de longitud, ", Dijo Ajo-Franklin." Eso es un cambio de una parte en mil millones ".

A principios de este año, informaron los resultados de una prueba de seis meses en tierra utilizando 22 kilómetros de cable cerca de Sacramento emplazado por el Departamento de Energía como parte de su 13, Banco de pruebas de fibra oscura ESnet de 000 millas. La fibra oscura se refiere a cables ópticos tendidos bajo tierra, pero no utilizado o alquilado para un uso a corto plazo, en contraste con la Internet "iluminada" de uso activo. Los investigadores pudieron monitorear la actividad sísmica y el ruido ambiental y obtener imágenes del subsuelo a mayor resolución y mayor escala de lo que hubiera sido posible con una red de sensores tradicional.

"La belleza de la sismología de fibra óptica es que puede utilizar cables de telecomunicaciones existentes sin tener que apagar 10, 000 sismómetros, "Dijo Lindsey." Simplemente camine hasta el sitio y conecte el instrumento al extremo de la fibra ".

Durante la prueba bajo el agua, Pudieron medir un amplio rango de frecuencias de ondas sísmicas de un terremoto de magnitud 3.4 que ocurrió 45 kilómetros tierra adentro cerca de Gilroy. California, y mapear múltiples zonas de fallas submarinas conocidas y no previamente cartografiadas, parte del sistema Falla San Gregorio. También pudieron detectar olas oceánicas en estado estacionario, los llamados microsismos oceánicos, así como olas de tormenta, todos los cuales coincidieron con las mediciones sísmicas terrestres y de boyas.

"Tenemos enormes lagunas de conocimiento sobre los procesos en el fondo del océano y la estructura de la corteza oceánica porque es un desafío colocar instrumentos como sismómetros en el fondo del mar". "dijo Michael Manga, profesor de ciencia terrestre y planetaria de UC Berkeley. "Esta investigación muestra la promesa de utilizar cables de fibra óptica existentes como conjuntos de sensores para obtener imágenes de nuevas formas. Aquí, han identificado ondas previamente hipotetizadas que no se habían detectado antes ".

Según Lindsey, Existe un creciente interés entre los sismólogos por registrar el campo de ruido ambiental de la Tierra causado por las interacciones entre el océano y la tierra continental:esencialmente, olas chapoteando cerca de las costas.

"Al utilizar estos cables de fibra óptica costeros, básicamente podemos ver las olas que estamos acostumbrados a ver desde la costa mapeadas en el fondo marino, y la forma en que estas olas del océano se acoplan a la Tierra para crear ondas sísmicas, " él dijo.

Para hacer uso de los cables de fibra óptica iluminados del mundo, Lindsey y Ajo-Franklin deben demostrar que pueden hacer ping a pulsos láser a través de un canal sin interferir con otros canales de la fibra que transportan paquetes de datos independientes. Están llevando a cabo experimentos ahora con fibras encendidas, al mismo tiempo que planifica el monitoreo de fibra óptica de eventos sísmicos en un área geotérmica al sur del Mar de Salton en el sur de California, en la zona sísmica de Brawley.