Волоконно-оптические кабели, проложенные через швейцарские ледники, успешно обнаружили сейсмические сигналы, возникающие в результате образования ледниковых трещин, что подчеркивает потенциал этой технологии для мониторинга ледотрясений. Результаты исследования были представлены на ежегодном собрании Сейсмологического общества Америки. Трещины ледника имеют решающее значение для стабильности ледника, поскольку они могут направлять талую воду в ложе ледника, ускоряя поток льда и вызывая усиленное таяние. Однако на ледниках с сильными трещинами экстремальные условия затрудняют установку традиционных сейсмических датчиков.

Дроновские кадры трещин на леднике Горнер в Швейцарии. Фото предоставлено: Том Хадсон

Том Хадсон из ETH Zurich объясняет, что сейсмические сигналы, создаваемые ледяными землетрясениями, сильно отличаются от сигналов, создаваемых тектоническими землетрясениями, вызванными сдвиговыми силами, а также от химических или ядерных взрывов, сопровождающихся быстрым высвобождением энергии. Он сказал, что трещины были «источником трещин, которые открывались только в одном направлении».

Новое исследование, проведенное Хадсоном вместе с Андреасом Фихтнером из ETH Zurich (который представил исследование на встрече) и его коллегами, «является реальным примером использования оптоволокна для обнаружения такого типа сейсмической активности типа разрыва, открывающего трещины в недрах», сказал Хадсон. «Это примерно настолько близко, насколько мы можем подобраться к источнику землетрясения. Наше трещинное землетрясение произошло в пределах десяти метров от оптоволоконного кабеля, что случается очень редко».

Этот успех предполагает, что оптоволоконное обнаружение может быть полезно для мониторинга подобных трещин, которые могут возникать в горных породах в резервуарах для хранения углерода или в геотермальных энергетических системах.

«Поскольку лед — более простая сейсмическая среда, чем горная порода, его скоростная структура хорошо известна, и мы действительно можем изучить физику источника», — сказал Хадсон. «Если мы сможем сделать это в этой более простой среде, то мы надеемся, что, возможно, мы сможем начать думать о том, чтобы сделать это в более сложной среде».

Исследователи развернули плотную двумерную сетку волоконной оптики в трещине Горнерглетчера, второго по величине ледника Швейцарии. Хадсон сказал, что погодные условия во время развертывания команды были очень удачными. Они развернули кабель при переходе от зимы к лету, чтобы не было снега и исследователи могли избежать опасности провалиться в закрытые расщелины.

Одной из основных проблем при использовании оптоволоконных кабелей для сбора сейсмических данных является обеспечение хорошего контакта кабелей или «сцепления» с землей, к которой они проложены. «В течение дня температура все еще достаточно высока, поэтому волокно нагревается и слегка тает в леднике, потому что волокно черное по сравнению со льдом. Затем, когда волокно тает, температура становится достаточно низкой, чтобы оно замерзло на месте на ночь», — объяснил Хадсон.

«Таким образом, мы фактически получаем лучшее соединение, на которое можно надеяться, с точки зрения плавления и замораживания волокон», — добавил он.

Команда обнаружила и локализовала 951 ледяное землетрясение, сейсмические волны которых содержали сильные колебания или следы после прихода поверхностных сейсмических волн. Эти колебания могут возникать, когда внутри трещины есть вода, и движение воды во время землетрясения может вызвать резонансный сигнал. Но анализ, проведенный Хадсоном и его коллегами, предполагает, что колебания, скорее всего, вызваны «резонансами, возникающими, когда сейсмические волны отражаются взад и вперед между многочисленными трещинами в зоне трещины», сказал Хадсон.

Исследователи также сравнили данные оптоволоконной сети с данными более традиционных сейсмических узлов. Оптоволоконные кабели могут передавать почти в 20 раз больше данных, чем массив узлов. «Хотя были некоторые проблемы с обработкой данных, объем данных был намного больше, что позволило нам по существу увидеть полное волновое поле в самих данных, что необычно», — сказал Хадсон.

Он отметил, что еще одним преимуществом использования оптоволоконных кабелей является то, что они чувствительны к более широкому диапазону частот сигналов, включая низкочастотные сигналы, которые длятся часами или даже днями, что позволяет сейсмологам измерять изгиб льда с течением времени.

По его словам, Хадсон надеется использовать оптоволокно для измерения скоростной структуры льда и разработки трехмерных изображений его недр.

«Мне бы очень хотелось количественно оценить протяженность и плотность трещин и посмотреть, насколько поврежден лед в этом районе», — объяснил он, — «чтобы мы могли знать, что ледотрясения вызываются трещинами. Мы еще не определили количественно количество и размер трещин, так что это надежда на будущее».

Собрано из /scitechdaily