Seismologie mit Lichtgeschwindigkeit: Wie Faser

16. Juni 2023

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von Meghan S. Miller, John Townend und Voon Hui Lai, The Conversation

In Aotearoa, Neuseeland, kommt es häufig zu Erdbeben, darunter auch verheerende Erdbeben wie jene, die 2010 und 2011 Christchurch und 2018 in der Nähe von Kaikōura erschütterten.

Auf der Südinsel stellt die 600 km lange Alpenverwerfung die größte seismische Gefahr dar, die sich über die gesamte Länge der Südalpen erstreckt und die Grenze zwischen der australischen und der pazifischen tektonischen Platte definiert.

Sorgfältige geologische Untersuchungen haben ergeben, dass es etwa alle 300 Jahre zu sehr großen Erdbeben (Stärke 7-8) kommt – das jüngste im Jahr 1717. Wissenschaftler schätzen, dass in den nächsten 50 Jahren eine Wahrscheinlichkeit von 75 % für ein großes Erdbeben an der Alpenverwerfung besteht. Die Wahrscheinlichkeit, dass dieses Erdbeben größer als die Stärke 8 ist, liegt bei 82 %.

Trotz der beispiellosen Qualität der paläoseismischen Aufzeichnungen vergangener Alpenverwerfungsbeben wird das nächste große Erdbeben ohne Vorwarnung kommen.

In Erwartung dieses Ereignisses arbeiten Geowissenschaftler intensiv daran, zu verstehen, wie die Alpenverwerfung vor dem Bruch belastet wird und wie sich die Merkmale der Verwerfung auf die Ausbreitung des Bruchs und die daraus resultierenden Bodenerschütterungen auswirken können.

Ein Bestandteil dieser Arbeit besteht darin, die Geometrie und die innere Struktur der Alpenverwerfung in viel feineren Maßstäben zu bestimmen, als dies mit herkömmlichen Seismometern im Abstand von mehreren zehn Kilometern untersucht werden kann.

Ein neues Experiment in Haast, einer kleinen, abgelegenen Gemeinde nahe der Küste im Südwesten, nutzt eine Technologie namens Distributed Acoustic Sensing (DAS). DAS ist eine sich schnell entwickelnde Sensortechnik, die Telekommunikations-Glasfaserkabel in Tausende von dicht beieinander liegenden Bodenbewegungssensoren umwandelt.

Das Haast DAS-Experiment ist eine transtasmanische Zusammenarbeit zwischen Geophysikern der Australian National University und der Victoria University of Wellington Te Herenga Waka. Es ist das erste seiner Art über eine große, aktive Plattengrenzstörung und bietet eine beispiellose Gelegenheit, die innere Struktur der Alpenverwerfung im Vorfeld eines erwarteten großen Erdbebens zu untersuchen.

Zwischen Ende Februar und Anfang Mai dieses Jahres führten wir seismologische Messungen über die Alpenverwerfung durch, wobei wir ein computergesteuertes Lasersystem namens Interrogator verwendeten, das an einer ungenutzten („dunklen“) Faser in einem von Chorus installierten Telekommunikationskabel angebracht war, um Breitbandkonnektivität bereitzustellen die Südinsel. Das Telekommunikationskabel überquert die Alpenverwerfung östlich von Haast.

Faseroptische Seismologie

Vom Abfragegerät ausgesendete Lichtimpulse werden auf ihrem Weg entlang der Faser gestreut und interagieren mit Unvollkommenheiten im Glas auf atomarer Ebene. Ein Teil dieses Streulichts wandert entlang der Faser rückwärts zum Abfragegerät.

Vibrationen der Faser, die durch vorbeiziehende seismische Wellen verursacht werden, modulieren diese Streuung und können durch die Aufzeichnung der gestreuten Lichtimpulse erfasst werden.

Das von uns verwendete Abfragegerät führt tausend Messungen pro Sekunde an jedem der 7250 Standorte im Abstand von vier Metern entlang des Haast Pass Highway durch. Dadurch entsteht ein atemberaubendes Datenvolumen: etwa 1 GB neue Daten pro Minute oder 1 TB Daten jeden Tag.

Die in Haast aufgezeichneten Vibrationen umfassen Signale, die von Erdbeben in der Nähe (von denen die meisten zu klein sind, um für Menschen wahrnehmbar zu sein) und anderen, größeren Erdbeben in ganz Neuseeland und darüber hinaus erzeugt werden. Mitte Mai registrierten wir beispielsweise mehrere große Erdbeben in der Nähe von Neukaledonien, von denen das stärkste eine Tsunami-Warnung im Pazifik auslöste.

Die Dichte der DAS-Messungen entlang der Alpenverwerfung bietet eine völlig neue Möglichkeit, die innere Struktur der Verwerfung zu untersuchen. Seismische Wellen, die aus verschiedenen Richtungen in Haast eintreffen und die Faser in Schwingung versetzen, haben mit der Alpenverwerfung auf eine Weise interagiert, die sich auf die Wellen selbst auswirkt.

Die DAS-Aufzeichnung unten zeigt zwei kleine Erdbeben (Magnitude 2 und 3), die sich südlich von Haast im Abstand von etwa 30 Sekunden ereigneten.

Durch die enorme Erhöhung der effektiven Anzahl von Sensoren bietet DAS eine neue Linse, mit der sich so unterschiedliche Prozesse wie die Struktur von Gletschern, die Ausdehnung und Kontraktion von Vulkanen als Reaktion auf Magmabewegungen, die Wechselwirkung von Meereswellen mit dem Tiefseeboden usw. untersuchen lassen Auswirkungen der Grundwasserentnahme auf die Bodensenkung.

Eine neue Herausforderung für die geophysikalische Gemeinschaft besteht darin, zu lernen, wie große Mengen an DAS-Daten am besten gespeichert, geteilt, verarbeitet und analysiert werden können. Hochleistungsrechnen und Techniken der künstlichen Intelligenz (KI) werden entwickelt und an diese Daten angepasst, um es Forschern zu ermöglichen, Signale unterschiedlichen Ursprungs zu erkennen und zu unterscheiden.

In Haast beispielsweise werden die Aufzeichnungen von Erdbeben, die für Seismologen am interessantesten sind, mit Lärm durch den Straßenverkehr vermischt. Diese beiden Arten von Informationen trennen zu können, ist eine Aufgabe, die sich gut für die KI eignet. In Zukunft wird KI wahrscheinlich dabei helfen, DAS-Daten zu zerlegen, um ansonsten unerkannte Signale zu erkennen, die durch atmosphärische und unterirdische Prozesse erzeugt werden.

DAS verspricht enorme Chancen für die Erfassung hochauflösender Echtzeitmessungen von Prozessen unter Nutzung bestehender Telekommunikationsinfrastruktur und rasanter Entwicklungen in der KI und Signalverarbeitung.

In Haast liefert es grundlegende neue Erkenntnisse über die Alpenverwerfung im Vorfeld des nächsten großen Erdbebens und liefert Informationen für die wissenschaftliche Analyse, die die Vorbereitung und Widerstandsfähigkeit der Gemeinschaft untermauert.

Bereitgestellt von The Conversation

Dieser Artikel wurde von The Conversation unter einer Creative Commons-Lizenz erneut veröffentlicht. Lesen Sie den Originalartikel.