Ученые тестируют оптоволокно как систему раннего предупреждения землетрясений

Одной из самых серьезных проблем для систем раннего предупреждения землетрясений, EEW, является отсутствие сейсмических станций, расположенных вдали от густонаселенных береговых линий, где находятся одни из наиболее сейсмически активных регионов мира.

В новом исследовании, опубликованном в журнале The Seismic Record, ученые показывают, как неиспользуемый телекоммуникационный оптоволоконный кабель может быть преобразован для использования в прибрежных системах EEW.

Цзюсюнь Инь (Jiuxun Yin), научный сотрудник Калифорнийского технологического института, работающий в SLB, и его коллеги использовали 50 км подводного телекоммуникационного кабеля, проходящего между США и Чили, и в течение четырех дней отбирали сейсмические данные по 8 960 каналам вдоль кабеля. Метод, получивший название Distributed Acoustic Sensing или DAS, использует крошечные внутренние дефекты в длинном оптическом волокне в качестве тысяч сейсмических датчиков.

Инь и его коллеги использовали данные, полученные по кабелю, для определения мест землетрясений и оценки их магнитуды для одного наземного (магнитуда 3,7) и двух морских (магнитуда 2,7 и 3,3) землетрясений за исследуемый период.

Полученные результаты показывают, что использование одного массива DAS позволяет примерно на три секунды повысить эффективность раннего предупреждения о землетрясениях по сравнению с береговыми массивами DAS. В ходе имитационного моделирования исследователи пришли к выводу, что при развертывании нескольких массивов DAS, расположенных на расстоянии 50 км друг от друга и работающих совместно в данном районе, можно улучшить время оповещения о землетрясениях в зоне субдукции на пять секунд.

Хотя мы и ожидали некоторого улучшения за счет размещения массива DAS в море, фактическое увеличение скорости превысило наши первоначальные прогнозы, — сказал Инь.

Ключевым преимуществом является расположение массива в море, что устраняет необходимость ждать, пока сейсмические волны достигнут наземных станций.

Регион на шельфе Чили схож с регионом Каскадия на шельфе Канады и Тихоокеанского Северо-Запада США. В обоих районах находится активная зона субдукции, где происходит столкновение тектонических плит и погружение одной плиты под другую, что приводит к самым крупным и разрушительным землетрясениям в истории. Даже на шельфе Южной Калифорнии в многочисленных разломах происходили землетрясения магнитудой 6 и более. Во всех этих густонаселенных прибрежных районах морское раннее предупреждение о землетрясениях может помочь защитить жизни и имущество.

Основной причиной выбора этого кабеля является повышенный сейсмический риск в Чили. В этом регионе часто происходят морские землетрясения, и за всю историю он пережил несколько значительных землетрясений магнитудой 8+, включая самое крупное из когда-либо зарегистрированных в 1960 году, — пояснил Инь.

Учитывая высокий сейсмический риск и потенциально разрушительные последствия сильного землетрясения, в Чили существует острая необходимость в надежной системе раннего предупреждения о землетрясениях на шельфе.

Для выделения волн землетрясения из данных DAS этого морского кабеля исследователи использовали модель искусственного интеллекта с глубоким обучением, которая была обучена и проверена на предыдущих сейсмических данных и данных DAS.

В конкретном случае DAS объем собираемых данных значителен. Для приложений, работающих в режиме реального времени, таких как EEW, предварительно обученные модели глубокого обучения представляют собой высокоэффективный и надежный вариант, — сказал Инь.

При этом он отметил, что другие традиционные сейсмологические методы отбора землетрясений все еще могут быть эффективны при автоматизированной обработке данных DAS.

По словам Инь, для разработки и эффективного тестирования алгоритмов EEW исследователям необходимо больше данных, особенно от землетрясений большей силы, а также больше информации о том, как реагируют приборы DAS, прежде чем создавать систему EEW в реальном времени, интегрируемую с существующими системами EEW.

В мире есть много мест, где можно продолжить эти исследования, отметил он.

В мире насчитывается более 1500 кабельных станций, и прогресс в технологии позволяет использовать действующие кабели и добавлять системы DAS без ущерба для транспортировки [телекоммуникационных] данных, — заключает Инь.

Мы считаем, что это открывает множество интересных исследовательских возможностей, и стремимся изучить их в будущих исследованиях. Мы рассчитываем на тесное взаимодействие с владельцами кабелей, природоохранными ведомствами и политиками, чтобы расширить масштабы применения DAS-EEW в интересах прибрежных сообществ.

17.10.2023