Detectan cualquier movimiento, por pequeño que sea, que tire del cable y alargue las fibras ópticas en su interior
Pronosticar terremotos representa un serio desafío en tierra firme, pero en los océanos, que cubren alrededor del 70% de la superficie terrestre, es prácticamente imposible. Sin embargo, la vasta red de cables submarinos que atraviesan los mares del mundo podría cambiar esto pronto.
Además de transmitir datos por todo el planeta, también pueden monitorizar los movimientos tectónicos que provocan terremotos y tsunamis.
El proyecto "Fibre Optic Cable Use for Seafloor (Uso de cables de fibra óptica para el fondo marino)" (FOCUS) ha demostrado cómo se pueden utilizar cables de fibra óptica ya existentes para detectar pequeños movimientos en el fondo marino causados por fallas tectónicas. El objetivo es mejorar la comprensión de la actividad de las fallas y, por lo tanto, de posibles terremotos.
La principal zona de estudio del proyecto fue una falla tectónica recientemente cartografiada en el lecho marino del Mediterráneo, a unos 30 km de Catania, Sicilia. Situada a los pies del Etna, el volcán más alto y activo de Europa, la falla es de tipo de deslizamiento horizontal, un tipo de falla vertical en la corteza terrestre especialmente propensa a provocar terremotos.
La ubicación es importante. El este de Sicilia y Catania, una región urbana de un millón de habitantes, han sido azotadas en los últimos siglos por varios devastadores terremotos. El terremoto de Messina de 1908 (magnitud 7,2) y el tsunami causaron la muerte de 72.000 personas, mientras que el terremoto de Catania de 1693 (magnitud estimada de 7,5, el más fuerte de la historia de Italia) causó la muerte de unas 60.000 personas y destruyó la mayoría de los grandes edificios de Catania.
Catania también alberga un instituto de física nuclear, el INFN-LNS, que gestiona una estación de investigación en alta mar que consta de un observatorio submarino cableado. Diseñado originalmente como un sitio de pruebas para el telescopio de neutrinos del instituto, ubicado a 100 km de distancia, el ramal sur de este cable electroóptico de 29 km de longitud termina a tan solo 2,5 km de la falla de deslizamiento horizontal recientemente cartografiada en el lecho marino.
El proyecto FOCUS funcionó desplegando un cable de tensión especialmente diseñado a través de la falla recién cartografiada con la esperanza de detectar movimientos tectónicos. Cualquier movimiento, por pequeño que sea, tiraría del cable y alargaría las fibras ópticas en su interior. Esto se puede detectar analizando la luz láser que incide sobre las fibras ópticas.
Cables submarinos
"En octubre de 2020, mi equipo y yo realizamos nuestra primera expedición marina en el emplazamiento del INFN-LNS, cerca de Sicilia, a bordo del buque de investigación francés PourquoiPas?", dice Marc-Andre Gutscher, Director de Investigación del CNRS, Geofísica Marina, de la Universidad de Bretaña Occidental.
Primero, el equipo conectó al observatorio submarino un cable de tensión de 6 km de longitud, diseñado especialmente (similar a los cables de telecomunicaciones submarinos pero con fibras sensoras especiales). Mediante un arado submarino, este cable se enterró a unos 20 cm por debajo del lecho marino, cruzando la falla en cuatro puntos distintos separados por aproximadamente 1 km.
Imagen: El arado de aguas profundas enterró 6 km de cable de sensor de tensión bajo el lecho marino a una profundidad de unos 2000 m. (Imagen proporcionada por Marc-Andre Gutscher)
También se instalaron ocho balizas acústicas, cuatro a cada lado de la falla. El objetivo era medir de forma independiente cualquier posible movimiento de la falla; cualquier cambio en las líneas de base entre las balizas confirmaría que se había producido movimiento.
Posteriormente, se disparó luz láser a intervalos regulares de 2 horas a través del cable electroóptico de 29 km de longitud del centro de investigación y hacia el cable de tensión FOCUS, que incluía un triple bucle en las fibras, lo que permitía que la luz fuera y viniera tres veces para una longitud total del recorrido óptico de 47 km.
El láser empleó una técnica conocida como BOTDR (Reflectometría Óptica en el Dominio del Tiempo de Brillouin). Esta técnica se ha utilizado durante décadas para monitorizar la deformación de grandes infraestructuras de ingeniería, como puentes, presas y oleoductos.
Las falsas alarmas demuestran que el sistema funciona
Aproximadamente un mes después, en noviembre de 2020, se detectó una perturbación natural en el cable de fibra óptica FOCUS, que consistía en un alargamiento de unos 1,5 cm en el primer cruce de la falla. Al principio parecía que la falla se había desplazado, pero las balizas acústicas no mostraron ningún cambio.
La causa más probable de la alteración del cable fue un deslizamiento submarino, similar a una avalancha de sedimentos en el fondo del mar.
En septiembre de 2021 se produjo una segunda alteración del cable, pero en este caso se conoce con certeza la causa. Gutscher dirigió una operación que utilizó un submarino no tripulado para colocar bolsas de peso en tramos del cable que no estaban bien enterrados y que yacían en el lecho marino o atravesaban terrenos irregulares.
Se colocaron cerca de 100 bolsas de peso (de 25 kg cada una) sobre el cable en cuatro puntos, empujándolo hacia abajo en el lodo blando y estirando las fibras internas. Las fibras especiales y compactas del cable FOCUS eran más sensibles que las fibras sueltas estándar utilizadas por la industria de las telecomunicaciones y mostraron señales muy fuertes.
Si bien estas dos lecturas no mostraron movimiento tectónico, demostraron claramente que los cables submarinos pueden ayudarnos a monitorear de cerca el lecho marino.
Imagen derecha: 21 meses de observaciones BOTDR en la fibra tensa del cable FOCUS, con una curva por mes. El presunto deslizamiento de tierra de noviembre de 2020, así como las señales de caída de bolsas de septiembre de 2021, son claramente visibles. El primer y tercer cruce de fallas están marcados con líneas verdes, donde se espera elongación si la falla se mueve. (Imagen proporcionada por Marc-Andre Gutscher)
Cables comerciales
Un área de estudio secundaria para el proyecto FOCUS fue una red de cables de telecomunicaciones comerciales que conectan las islas del archipiélago de Guadalupe. Durante el período de tres años comprendido entre 2022 y 2024, junto con socios de IDIL Fiber Optics, Gutscher realizó una serie de mediciones BOTDR a intervalos de 3 a 6 meses desde cajas de empalme en las carreteras.
Los científicos observaron variaciones estacionales en las señales BOTDR en los tramos de poca profundidad del cable (normalmente entre 10 y 100 m), probablemente debido a variaciones de temperatura en el lecho marino. Para confirmarlo, compararon las variaciones de temperatura registradas por el cable con datos satelitales independientes. La precisión fue de aproximadamente 0,1 °C.
Imagen: Las islas de Guadalupe están conectadas por cables de telecomunicaciones submarinos, que se muestran en este mapa.
"También observamos una fuerte tensión mecánica en los cables de telecomunicaciones en ubicaciones geográficas específicas, como taludes oceánicos, cañones submarinos y estrechos entre islas expuestas a tormentas y fuertes corrientes", dice Gutscher.
Los resultados del estudio en Guadalupe confirmaron la precisión y sensibilidad de las lecturas de los cables comerciales, en comparación con los cables más especializados utilizados en la planta de Catania. Estos resultados resaltaron su potencial para detectar alteraciones mecánicas en el cable (naturales o artificiales) y para realizar un monitoreo ambiental a largo plazo.
En conjunto, estos resultados ofrecen grandes posibilidades para transformar gran parte de la vasta red mundial de cables de telecomunicaciones submarinos en sensores sismológicos y ambientales, lo que ayudará a monitorear mejor el riesgo de terremotos y el cambio climático.
La investigación fue publicada en la revista Earth and Planetary Science Letters: Detecting strain with a fiber optic cable on the seafloor offshore Mount Etna, Southern Italy
