Προτάσεις ερευνητών για χρήση των οπτικών ινών στην υπηρεσία ανίχνευσης και μέτρησης των σεισμών

Κατά την περασμένη δεκαετία, οι ερευνητές στη βιομηχανία πετρελαίου και φυσικού αερίου ανέπτυξαν μια τεχνική, την κατανεμημένη ακουστική ανίχνευση (DAS), για να επιλύσουν ένα εύρος προβλημάτων απεικόνισης [εσω- και εξω-χώριων για τις ΗΠΑ] κοιτασμάτων. Στην ουσία, η DAS μετατρέπει ένα ευθύ καλώδιο οπτικής ίνας σε μια μιας κατεύθυνσης συστοιχία αισθητήρων ρυθμού παραμόρφωσης. Ο τρόπος: Μια ηλεκτρο-οπτική συσκευή φωτίζει το ένα άκρο της ίνας με βραχείς φωτεινούς παλμούς και διαμορφώνει φαινόμενα συμβολής με κάθε φωτόνιο που σκεδάζεται προς τα πίσω από μικροσκοπικές ετερογένειες στον γυάλινο πυρήνα της ίνας. Το σήμα της συμβολής αλλάζει εάν η ίνα υφίσταται τοπική παραμόρφωση. Με την καταγραφή των χρόνων επιστροφής των φωτονίων, η συσκευή προσδιορίζει τη θέση κάθε γραμμικού εφελκυσμού ή γραμμικής συμπίεσης στο καλώδιο. Από τους επαναλαμβανόμενα πυροδοτούμενους παλμούς στην ίνα, μπορεί να υπολογιστεί η ταχύτητα των ηχητικών κυμάτων.

Μια ομάδα ερευνητών υπό την καθοδήγηση του Nate Lindsey, από το Πανεπιστήμιο του Berkeley της Καλιφόρνιας και Εθνικό Εργαστήριο Lawrence στο Berkeley, και της Eileen Martin από το Πανεπιστήμιο του Stanford, έδειξαν ότι η DAS μπορεί να ανιχνεύσει σεισμούς περίπου με όση ακρίβεια μπορούν τα συμβατικά σεισμόμετρα. Σε έναν έλεγχο πεδίου στην Αλάσκα, έθαψαν ένα 4000 μέτρων καλώδιο οπτικής ίνας σε αβαθείς, ορθογωνίως προσανατολισμένες τάφρους, 20 εκατοστά υπογείως και συνέκριναν τις μετρήσεις τους, με αυτές που καταγράφηκαν από σεισμόμετρα τοποθετημένα στις ίδιες τάφρους. Όταν συνέβη ένας σεισμός μεγέθους 3,8 μετά την εγκατάσταση, μετέτρεψαν τους ρυθμούς παραμόρφωσης στην ίνα σε επιταχύνσεις (του) εδάφους και βρήκαν μια ισχυρή συσχέτιση σε πλάτος και φάση με τις εγγραφές των σεισμομέτρων.

Οι οπτικές ίνες είναι ελκυστικοί αντικαταστάτες σεισμομέτρων επειδή αισθάνονται τις αλλαγές σε ολόκληρο το μήκος τους – ενδεχομένως δεκάδες χιλιόμετρα – και είναι οικονομικές, ευέλικτες και όχι ευαίσθητες στον ηλεκτρικό θόρυβο. Ένα επιπλέον πλεονέκτημα είναι ότι ένα απέραντο δίκτυο επί του παρόντος μη χρησιμοποιούμενων καλωδίων οπτικών ινών που υπάρχει ήδη στους ωκεανούς και σε όλες τις ΗΠΑ και άλλες χώρες – που θα μπορούσε να τεθεί στην υπηρεσία για την ανίχνευση και ποσοτικοποίηση σεισμών, την παρουσία υπόγειων υδάτων, τις αλλαγές στο στρώμα πάγου και άλλες υπόγειες δραστηριότητες. Σε σύγκριση, τα σεισμόμετρα είναι αραιά και συγκεντρωμένα στις ηπείρους.

Οι ερευνητές έχουν ήδη διενεργήσει έναν έλεγχο απόδειξης της αρχής για την αξιοποίηση του πλεονεκτήματος αυτού. Μετά από τις εγκαταστάσεις στην τάφρο, διεξήγαγαν πειράματα χρησιμοποιώντας μια ίνα εγκατεστημένη σε προϋπάρχουσα υποδομή τηλεπικοινωνιών κάτω από τους χώρους του Πανεπιστημίου του Stanford. Η ίνα ανίχνευσε γεγονότα τόσο ποικίλα όσο οι γειτονικές εκρήξεις λατομείου, μικροί σεισμοί στην περιοχή του κόλπου και μεγαλύτερα σεισμικά γεγονότα σε όλες τις ΗΠΑ.