Unterwasser-Telekommunikationskabel bilden ein hervorragendes seismisches Netzwerk

Sep 30, 2023

Die Ozeane sind von Telekommunikationskabeln durchzogen, wie diese Grafik zeigt, die die Glasfaserkabel vorhersagt, die bis 2021 in Betrieb sein werden, viele davon (gelb) im Besitz privater Unternehmen wie Google und Microsoft. Diese Kabel könnten einem doppelten Zweck dienen: als seismische Stationen zur Überwachung von Erdbeben und Verwerfungssystemen auf den 70 % der Erde, die mit Wasser bedeckt sind. (Grafik mit freundlicher Genehmigung der New York Times)

Glasfaserkabel, die ein globales Unterwasser-Telekommunikationsnetz bilden, könnten Wissenschaftlern eines Tages dabei helfen, Offshore-Erdbeben und die tief unter der Meeresoberfläche verborgenen geologischen Strukturen zu untersuchen.

In einem Artikel, der diese Woche in der Fachzeitschrift Science erscheint, beschreiben Forscher der University of California, Berkeley, des Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), des Monterey Bay Aquarium Research Institute (MBARI) und der Rice University ein Experiment, bei dem 20 Kilometer Unterwasserfaser verwandelt wurden -optisches Kabel in das Äquivalent von 10.000 seismischen Stationen entlang des Meeresbodens. Während ihres viertägigen Experiments in Monterey Bay zeichneten sie ein Beben der Stärke 3,5 und seismische Streuung aus Unterwasser-Störungszonen auf.

Ihre Technik, die sie zuvor mit Glasfaserkabeln an Land getestet hatten, könnte dringend benötigte Daten über Beben unter dem Meer liefern, wo es nur wenige seismische Stationen gibt und 70 % der Erdoberfläche keine Erdbebendetektoren haben.

„Es besteht ein enormer Bedarf an Meeresbodenseismologie. Alle Instrumente, die man ins Meer bringt, selbst wenn sie nur für die ersten 50 Kilometer von der Küste entfernt sind, werden sehr nützlich sein“, sagte Nate Lindsey, Doktorand und Hauptautor an der UC Berkeley des Papiers.

Lindsey und Jonathan Ajo-Franklin, Geophysikprofessor an der Rice University in Houston und Fakultätswissenschaftler am Berkeley Lab, leiteten das Experiment mit Unterstützung von Craig Dawe von MBARI, dem das Glasfaserkabel gehört. Das Kabel erstreckt sich 52 Kilometer vor der Küste bis zur ersten seismischen Station, die jemals auf dem Boden des Pazifischen Ozeans errichtet wurde. Sie wurde vor 17 Jahren von MBARI und Barbara Romanowicz, einer Professorin der Graduiertenschule der Abteilung für Erd- und Planetenwissenschaften an der UC Berkeley, dort errichtet. Im Jahr 2009 wurde ein permanentes Kabel zum Knoten des Monterey Accelerated Research System (MARS) verlegt, von dem 20 Kilometer bei diesem Test im Offline-Modus für die jährliche Wartung im März 2018 verwendet wurden.

Die Forscher nutzten 20 Kilometer (rosa) eines 51 Kilometer langen Untersee-Glasfaserkabels, das normalerweise für die Kommunikation mit einem Offshore-Wissenschaftsknoten (MARS, Monterey Accelerated Research System) verwendet wird, als seismisches Array zur Untersuchung der Verwerfungszonen unter Monterey Bay . Während des viertägigen Tests entdeckten die Wissenschaftler im 45 Kilometer entfernten Gilroy ein Erdbeben der Stärke 3,5 und kartierten bisher unbekannte Verwerfungszonen (gelber Kreis). (Bild von Nate Lindsey)

„Dies ist wirklich eine Studie an den Grenzen der Seismologie, das erste Mal, dass jemand Offshore-Glasfaserkabel verwendet, um diese Art von ozeanografischen Signalen zu untersuchen oder Verwerfungsstrukturen abzubilden“, sagte Ajo-Franklin. „Einer der weißen Flecken im seismografischen Netzwerk weltweit liegt in den Ozeanen.“

Das ultimative Ziel der Forscherbemühungen sei es, die dichten Glasfasernetze auf der ganzen Welt – wahrscheinlich insgesamt mehr als 10 Millionen Kilometer, sowohl an Land als auch unter Wasser – als sensible Messgrößen für die Erdbewegung zu nutzen und so zu ermöglichen Erdbebenüberwachung in Regionen, in denen es keine teuren Bodenstationen gibt, wie sie in weiten Teilen des erdbebengefährdeten Kaliforniens und der Pazifikküste zu finden sind.

„Das bestehende seismische Netzwerk verfügt in der Regel über hochpräzise Instrumente, ist aber relativ spärlich, wohingegen man dadurch Zugang zu einem viel dichteren Array erhält“, sagte Ajo-Franklin.

Die von den Forschern verwendete Technik ist Distributed Acoustic Sensing, bei der ein photonisches Gerät zum Einsatz kommt, das kurze Laserlichtimpulse durch das Kabel sendet und die Rückstreuung erkennt, die durch die durch Dehnung verursachte Spannung im Kabel entsteht. Mit Interferometrie können sie die Rückstreuung alle 2 Meter (6 Fuß) messen und so ein 20 Kilometer langes Kabel effektiv in 10.000 einzelne Bewegungssensoren verwandeln.

Das kabelgebundene Observatorium Monterey Accelerated Research System (MARS), ein Knotenpunkt für wissenschaftliche Instrumente auf dem Meeresboden 891 Meter (2.923 Fuß) unter der Oberfläche der Monterey Bay, ist durch ein 52 Kilometer (32 Meilen) langes Unterseekabel mit der Küste verbunden trägt Daten und Strom. Etwa 20 Kilometer des Kabels wurden genutzt, um die photonische Seismologie am Meeresboden zu testen. (Copyright MBARI, 2009)

„Diese Systeme reagieren empfindlich auf Änderungen von Nanometern bis Hunderten von Pikometern pro Meter Länge“, sagte Ajo-Franklin. „Das ist eine Veränderung im Bruchteil einer Milliarde.“

Anfang dieses Jahres berichteten sie über die Ergebnisse eines sechsmonatigen Tests an Land mit 22 Kilometern Kabel in der Nähe von Sacramento, das das Energieministerium im Rahmen seines 13.000 Meilen langen ESnet Dark Fiber Testbed verlegt hatte. Unter Dark Fibre versteht man im Gegensatz zum aktiv genutzten „beleuchteten“ Internet optische Kabel, die unter der Erde verlegt, aber ungenutzt oder zur kurzfristigen Nutzung vermietet werden. Die Forscher waren in der Lage, seismische Aktivitäten und Umgebungslärm zu überwachen und Untergrundbilder mit einer höheren Auflösung und einem größeren Maßstab zu erhalten, als dies mit einem herkömmlichen Sensornetzwerk möglich gewesen wäre.

„Das Schöne an der faseroptischen Seismologie ist, dass man vorhandene Telekommunikationskabel nutzen kann, ohne 10.000 Seismometer ausschalten zu müssen“, sagte Lindsey. „Sie gehen einfach zur Baustelle und schließen das Instrument an das Ende der Glasfaser an.“

Während des Unterwassertests konnten sie einen breiten Frequenzbereich seismischer Wellen eines Erdbebens der Stärke 3,4 messen, das sich 45 Kilometer landeinwärts in der Nähe von Gilroy, Kalifornien, ereignete, und mehrere bekannte und bisher nicht kartierte U-Boot-Verwerfungszonen, die Teil der San-Gregorio-Verwerfung sind, kartieren System. Sie konnten auch stationäre Meereswellen – sogenannte Ozeanmikroseismen – sowie Sturmwellen erkennen, die alle mit Bojen- und Landseismikmessungen übereinstimmten.

„Wir haben große Wissenslücken über Prozesse auf dem Meeresboden und die Struktur der ozeanischen Kruste, weil es schwierig ist, Instrumente wie Seismometer auf dem Meeresboden zu platzieren“, sagte Michael Manga, Professor für Erd- und Planetenwissenschaften an der UC Berkeley. „Diese Forschung zeigt, dass es vielversprechend ist, vorhandene Glasfaserkabel als Arrays von Sensoren zu nutzen, um auf neue Weise Bilder zu erzeugen. Hier haben sie zuvor angenommene Wellen identifiziert, die zuvor nicht erkannt wurden.“

Laut Lindsey besteht unter Seismologen ein wachsendes Interesse daran, das Umgebungsgeräuschfeld der Erde aufzuzeichnen, das durch Wechselwirkungen zwischen dem Ozean und dem Festland entsteht: im Wesentlichen Wellen, die in Küstennähe herumschwappen.

„Durch die Nutzung dieser Glasfaserkabel an der Küste können wir grundsätzlich beobachten, wie die Wellen, die wir von der Küste aus sehen, auf den Meeresboden übertragen werden und wie sich diese Meereswellen in die Erde einkoppeln und seismische Wellen erzeugen“, sagte er.

Um die beleuchteten Glasfaserkabel der Welt nutzen zu können, müssen Lindsey und Ajo-Franklin zeigen, dass sie Laserimpulse über einen Kanal senden können, ohne andere Kanäle in der Glasfaser zu stören, die unabhängige Datenpakete übertragen. Sie führen derzeit Experimente mit beleuchteten Fasern durch und planen gleichzeitig die faseroptische Überwachung seismischer Ereignisse in einem geothermischen Gebiet südlich des Salton Sea im Süden Kaliforniens, in der seismischen Zone Brawley.

Die Forschung wurde vom US-Energieministerium über das Laboratory Directed Research and Development-Programm des Berkeley Lab, der National Science Foundation (DGE 1106400) und der David and Lucille Packard Foundation finanziert. Die endgültige Analyse wurde vom National Energy Technology Laboratory des Energieministeriums im Rahmen des GoMCarb-Projekts (DE-AC02-05CH11231) unterstützt.