ファイバ

Aug 17, 2023

光ファイバー ケーブルは、高速インターネットおよび通信サービスに対する増大する需要を満たす広大な地下神経システムを構成しています。 ただし、ケーブル内の信号は、頭上を走行する自動車、近くの建設物、さらには地震による振動を受けることがあります。 研究者らは以前、こうした摂動を利用して数千キロメートルの地下ケーブルを高感度の地震アレイに変換することを提案していた。

カリフォルニア工科大学の研究者らは、新しい研究で、光ファイバーケーブルは地震を検出するだけでなく、地震現象の微妙な違いや複雑さも測定できることを示した。 ある例では、研究者らは100キロメートルのケーブルを使用して、マグニチュード6の地震を構成する4つの小さな地震の発生時刻と位置を正確に特定することができた。

「この研究は単なる検出ではなく、検出を超えています」とカリフォルニア工科大学の地球物理学の博士研究員で、8月2日に『Nature』誌に掲載された論文の共著者であるJiaxuan Li氏は言う。 「地震の破壊過程の詳細を画像化しています。」

「これらの非常に高密度の[ファイバー]ネットワークを、早期警告に使用できる地震アレイに変換することができます。」—Jiaxuan Li、カリフォルニア工科大学

より多くのケーブルを利用し、さらに多くのデータを取得することで、地震学者は地震についてより深く理解できるようになるでしょう。 また、一連の光ファイバーケーブルが地震を事前に予測する可能性は低いが、研究者はこの技術を利用して、命を救うより優れた早期警報システムの開発に役立つ可能性があるとリー氏は言う。

カリフォルニアでは通常、十分に深刻な地震 (つまりマグニチュード 5.5) が毎年 2 ～ 3 回発生します。 以上 - 構造物に中程度の損傷を与える。 州内には 700 以上の地震計があります。 それぞれの費用は最大 50,000 米ドルに達し、検出器のネットワークの維持には費用がかかります。

早期発見のためには、センサーをできるだけ震源の近くに設置することが重要です。 高価な地震計ではこれは不可能だとリー氏は言う。 一方、光ファイバーケーブルはすでに地中に敷設されており、あらゆる場所で交差しており、高密度で低コストの地震センサーネットワークを提供しています。 「私たちは都市内および都市間に非常に広範な光ファイバー ネットワークを持っています」と彼は言います。 「これらの非常に高密度のネットワークを、早期警告に使用できる地震アレイに変換することができます。」

Li氏らは分散音響センシング（DAS）と呼ばれる技術を使用した。この技術は地震学の世界では新しい技術だが、すでにパイプラインや電力ケーブルの欠陥を監視するために使用されている。 この方法には、光ファイバーを介してレーザー光パルスを送信し、ファイバー内の欠陥から反射された信号の強度を測定することが含まれます。 ファイバーのわずかな伸縮（地震などによる）により、反射信号が変化する可能性があります。

パルスの戻り時間に基づいて、ケーブル上のいつ、どこで障害が発生したかを特定できます。 光はファイバーに沿った何千もの不完全な点から反射されるため、数キロメートルにわたるケーブルが何千もの地震計として機能する可能性があります。 これは、より多くの地震データを意味し、より高い解像度につながり、より小さな地震活動の位置を正確に特定できるようになります。

カリフォルニア工科大学の研究者たちは、既存の光ケーブルを DAS アレイに変換しました。 通信会社は通常、必要以上に多くの光ファイバーを敷設しており、研究チームはこの「闇の」未使用光ファイバーの一部を利用しています。 カリフォルニアブロードバンド協同組合の許可を得て、チームはカリフォルニアとネバダの境界に沿った光ファイバーケーブルの一端に DAS トランシーバーを設置しました。

研究者らは研究の中で、2021年のアンテロープバレーのマグニチュード6地震を記録した光ファイバーケーブルの50キロメートルの2つのセクションからの光信号を分析した。 ファイバー ケーブルのセクションはオールド マンモスの町の北と南にありました。 全体として、100 km のケーブルは 10,000 台の地震計からのデータと同等のデータを提供しました。