Исследователи Лос-Аламосской национальной лаборатории (LANL) разработали новый метод обнаружения землетрясений после того, как подводные волоконно-оптические кабели на Аляске зафиксировали детонацию, вызванную строительными работами на суше. В портовом городе Кордова на Аляске были запланированы контролируемые разрушения, чтобы освободить место для строительства объекта по ликвидации разливов нефти и новой дороги, причем в непосредственной близости от подводных кабелей.
Группа ученых под руководством Лоика Вьенса запустила проект LANL по распределенному акустическому зондированию (DAS), пытаясь обнаружить взрывы с помощью 50-километрового участка оптоволоконного кабеля, принадлежащего Cordova Telecom Cooperative, который проходит между Кордовой и Валдезом.
Команда применила метод DAS, превратив существующую оптоволоконную инфраструктуру в плотную сеть сейсмических датчиков. Этот метод использует микроскопические несовершенства оптического волокна в качестве точек обнаружения. Устройство, известное как «интеррогатор», излучает лазерные импульсы вниз по кабелю; когда эти импульсы наталкиваются на дефекты в волокне, они рассеиваются и возвращаются к источнику. Даже слабые сейсмические волны могут тонко изменить способ прокладки оптоволоконного кабеля, влияя на то, в какие дефекты попадают импульсы, прежде чем отразиться. Эти изменения, регистрируемые с течением времени, позволяют выявить сейсмическую активность благодаря обратному рассеянию Рэлея. Исследователи анализируют амплитуду, частоту и время прихода отраженных сигналов, чтобы определить природу обнаруженных событий.
«Мы применили алгоритмы глубокого обучения для обнаружения землетрясений, а также примерно 50 взрывов, связанных с проектом строительства дороги», — говорит Вьенс. «Эти взрывы генерировали сейсмические волновые поля, отличные от типичных сигналов землетрясений, зарегистрированных вдоль волокна».
Акустическая и сейсмическая энергия от взрывов распространяется через волновые поля, давая подсказки о происхождении и азмере взрывов на основе того, как они взаимодействуют с несовершенствами кабеля. По мере совершенствования методики ученые все лучше различают разные типы сейсмических событий, анализируя уникальные сигнатуры обратного рассеяния.
«Мы сотрудничаем с компанией, занимающейся взрывными работами, чтобы получить результаты наземных измерений, которые помогут нам лучше понять, как такие факторы, как механизмы выстрела и глубина захоронения, влияют на регистрируемые сигналы», — добавил Вьенс.
Исследование также позволило понять пределы точности существующих методов DAS. Небольшие взрывы было сложнее обнаружить, они регистрировались только в ближайших точках вдоль волокна, примерно на расстоянии 5-10 километров. Напротив, более крупные взрывы было легче обнаружить, они регистрировались на всем 50-километровом участке кабеля, использовавшегося в проекте.
Несмотря на трудности, связанные с обнаружением сигналов меньшей интенсивности, Вьенс подчеркнул, что DAS обладает широким потенциалом как «мощное решение для мониторинга морских регионов, где развертывание сейсмометров на морском дне в режиме реального времени является логистически сложным и непомерно дорогим».
Традиционные сейсмические датчики охватывают только отдельные точки и требуют специальной инфраструктуры. DAS, напротив, позволяет использовать существующие оптоволоконные кабели для создания систем мониторинга на больших расстояниях в режиме реального времени. Эта технология позволяет заблаговременно предупреждать о природных и техногенных событиях — от землетрясений и извержений вулканов до разрывов трубопроводов и утечек газа. Благодаря уже имеющимся кабелям, протянутым на огромные расстояния, DAS позволяет осуществлять непрерывный мониторинг на широкой территории за меньшую стоимость.