Un nuovo studio condotto da un ricercatore dell'Università del Michigan e dai colleghi di tre istituzioni dimostra il potenziale per l'utilizzo di reti esistenti di fibre ottiche sepolte come osservatorio economico per il monitoraggio e lo studio dei terremoti.

Lo studio fornisce nuove prove che le stesse fibre ottiche che forniscono Internet ad alta velocità e video HD nelle nostre case potrebbero un giorno fungere da sensori sismici.

"I cavi in ​​fibra ottica sono la spina dorsale delle moderne telecomunicazioni, e abbiamo dimostrato che possiamo trasformare le reti esistenti in estesi array sismici per valutare i movimenti del suolo durante i terremoti, " ha detto il sismologo dell'UM Zack Spica, primo autore di un articolo pubblicato online il 12 febbraio sulla rivista JGR Solid Earth .

Lo studio è stato condotto utilizzando un prototipo di array presso la Stanford University, dove Spica è stato borsista post-dottorato per diversi anni prima di unirsi di recente alla facoltà di UM come assistente professore presso il Dipartimento di Scienze della Terra e dell'Ambiente. I coautori includono ricercatori di Stanford e del Messico e della Virginia.

"Questa è la prima volta che la sismologia a fibra ottica è stata utilizzata per derivare una misura standard delle proprietà del sottosuolo che viene utilizzata dagli ingegneri sismici per anticipare la gravità delle scosse, " ha detto il geofisico Greg Beroza, un coautore dell'articolo e il professore Wayne Loel alla Stanford's School of Earth, Scienze energetiche e ambientali.

Per trasformare un cavo in fibra ottica in un sensore sismico, i ricercatori collegano uno strumento chiamato interrogatore laser a un'estremità del cavo. Spara impulsi di luce laser lungo la fibra. La luce ritorna quando incontra impurità lungo la fibra, creando un "segnale di retrodiffusione" che viene analizzato da un dispositivo chiamato interferometro.

I cambiamenti nel segnale di retrodiffusione possono rivelare come la fibra si allunga o si comprime in risposta a disturbi di passaggio, comprese le onde sismiche dei terremoti. La tecnica è chiamata rilevamento acustico distribuito, o DAS, ed è stato utilizzato per anni per monitorare lo stato di salute di condutture e pozzi nell'industria petrolifera e del gas.

Il nuovo studio in JGR Solid Earth estende il lavoro precedente con il ciclo di prova di Stanford di 3 miglia producendo mappe ad alta risoluzione del sottosuolo poco profondo, che gli scienziati possono utilizzare per vedere quali aree subiranno le scosse più forti in futuri terremoti, disse Beroza.

Inoltre, lo studio dimostra che le fibre ottiche possono essere utilizzate per rilevare le onde sismiche e ottenere modelli di velocità e frequenze di risonanza del suolo, due parametri essenziali per la previsione del movimento del suolo e la valutazione della pericolosità sismica. Spica e i suoi colleghi affermano che i loro risultati sono in buon accordo con un sondaggio indipendente che utilizzava tecniche tradizionali, convalidando così la metodologia della sismologia a fibre ottiche.

Questo approccio sembra avere un grande potenziale per l'uso in grandi, città a rischio sismico come San Francisco, Los Angeles, Tokyo e Città del Messico, dove migliaia di chilometri di cavi ottici sono sepolti sotto la superficie.

"La cosa fantastica dell'utilizzo della fibra per questo scopo è che le città lo hanno già come parte della loro infrastruttura, quindi tutto ciò che dobbiamo fare è attingere ad esso, " ha detto Berosa.

Molti di questi centri urbani sono costruiti in cima a sedimenti morbidi che amplificano ed estendono le scosse sismiche. La geologia vicina alla superficie può variare considerevolmente da quartiere a quartiere, evidenziando la necessità di approfondimenti, informazioni specifiche del sito.

Tuttavia, ottenere quel tipo di informazioni può essere una sfida con le tecniche tradizionali, che comportano lo spiegamento di grandi array di sismometri:migliaia di tali strumenti nell'area di Los Angeles, Per esempio.

"Nelle aree urbane, è molto difficile trovare un posto dove installare stazioni sismiche perché l'asfalto è ovunque, " Spica ha detto. "Inoltre, molti di questi terreni sono privati ​​e non accessibili, e non si può sempre lasciare una stazione sismica in piedi da sola a causa del rischio di furto.

"Un giorno la fibra ottica potrebbe segnare la fine di esperimenti così costosi e su larga scala. I cavi sono sepolti sotto l'asfalto e attraversano l'intera città, senza nessuno degli svantaggi delle stazioni sismiche di superficie".

La tecnica sarebbe probabilmente abbastanza economica, anche, Spicca ha detto. Tipicamente, i cavi in ​​fibra ottica commerciali contengono fibre inutilizzate che possono essere noleggiate per altri scopi, compresa la sismologia.

Per il momento, i sismometri tradizionali forniscono prestazioni migliori rispetto ai sistemi prototipo che utilizzano il rilevamento in fibra ottica. Anche, i sismometri rilevano i movimenti del suolo in tre direzioni, mentre le fibre ottiche rilevano solo lungo la direzione della fibra.

L'array in fibra ottica di 3 miglia di Stanford e l'acquisizione dei dati sono stati resi possibili da uno sforzo collettivo dei servizi IT di Stanford, Stanford Geofisica, e OptaSense Ltd. Il supporto finanziario è stato fornito dallo Stanford Exploration Project, il Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti e la Schlumberger Fellowship.

La fase successiva del progetto prevede un array di test molto più grande. Di recente è stato formato un circuito di 27 miglia collegando le fibre ottiche nello storico campus di Stanford con le fibre in diverse altre località vicine.

Gli altri autori del JGR Solid Earth carta sono Biondo Biondi di Stanford, Mathieu Perton dell'Universidad Nacional Autónoma de México e Eileen Martin della Virginia Tech.