Измерение незначительных землетрясений в Антарктике с помощью оптического кабеля

Работающие в Антарктиде исследователи используют волоконно-оптический кабель для того, чтобы лучше понять влияние климатических изменений на лёд, в частности, на его перемещение и деформацию. Работа предусматривает обнаружение микросейсмичности, землетрясений, которые слишком незначительны, чтобы их можно было ощутить.

Размер этих небольших землетрясений, или лёдотрясений, описан одним из учёных, Томом Надсоном (Tom Hudson) из Оксфордского университета (University of Oxford), как эквивалент книги, падающей со стола, магнитудой приблизительно -1. Исследователи работают над методами распределённых акустических измерений (DAS). В этом процессе используются тысячи крошечных внутренних деформаций, которые возникают в оптических волокнах, используемых в качестве сейсмических датчиков. Лазерный прибор посылает импульсы вдоль кабеля и измеряет «эхо» каждого импульса при его столкновении с внутренними дефектами волокна. Когда землетрясение производит возмущение в волокне, происходят изменения в размере, частоте и фазе лазерного излучения, отражаемого обратно в приёмный распределённый акустический датчик. Эти изменения могут использоваться для характеристики сейсмического явления. Анна Сторк (Anna Stork), геофизик из компании Silixa Ltd. (Великобритания), объяснила, что эти результаты также могут быть использованы для улучшения будущего мониторинга улавливания углерода и проектов хранения углерода. Михаил Кендалл (Michael Kendall) из Оксфордского университета добавил, что конфигурацию сети, аналогичной той, которая имеется в Антарктиде, можно было бы настроить для обнаружения микросейсмичности, обусловленной хранением углерода. Как отметил г-н Хадсон, работа учёных также продемонстрировала метод использования массива волоконно-оптических распределённых акустических датчиков для намного более подробного исследования механизмов возникновения микросейсмических землетрясений, чем это возможно с помощью традиционных геофонов. Если можно проанализировать этот механизм — как землетрясение ослабевает или разрушается, — тогда вероятно можно объяснить явление землетрясения движением жидкостей, таких как двуокись углерода в резервуаре. Команда учёных развернула волоконно-оптический кабель на поверхности льда в Ледяном потоке Рутфорд (Rutford Ice Stream) в линейной и треугольной конфигурации. Проблемы, связанные с использованием оптического кабеля, включали его доставку туда, для чего потребовалось отправлять его частями кораблём и самолётом. Кроме того, кабель необходимо было проложить в толще льда, чтобы уменьшить шум ветра и сигнал генератора, питающего измерительный прибор DAS. Прибор разместили в альпинистской палатке, которая фактически служила крошечным офисом. Было достаточно сложно поддерживать температуру в пределах рекомендованного рабочего диапазона. Радиационный поток от солнца нагревал палатку до 30 градусов Цельсия, хотя снаружи было -10° C.

Исследователи делятся своими данными с климатологами и другими специалистами, изучающими движение ледников и льда в Антарктиде, и надеются работать с учеными, которые сверлят ледяные керны, а также с теми, которые используют оптическое волокно в качестве распределенных датчиков температуры. Оптические кабели, которые они прокладывают в скважинах, могут быть использованы для этих сейсмических исследований.

Это первое исследование сотрясений ледовых полей в Антарктиде с использованием распределённых акустических датчиков. Результаты исследования были представлены на Ежегодной конференции Сейсмологического общества Америки (Seismological Society of America) в 2021 году.