Uno de los espacios en blanco en la red sismográfica mundial está en los océanos
Los cables de fibra óptica que constituyen una red mundial de telecomunicaciones submarina podrían algún día ayudar a los científicos a estudiar los terremotos en alta mar y las estructuras geológicas ocultas en las profundidades de la superficie del océano.
En un artículo que apareció esta semana en la revista Science, investigadores de la Universidad de California, Berkeley, el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab), el Instituto de Investigación del Acuario de la Bahía de Monterey (MBARI) y la Universidad de Rice describen un experimento que convirtió 20 kilómetros de cable submarino de fibra óptica en el equivalente de 10.000 estaciones sísmicas a lo largo del fondo del océano.
Durante su experimento de cuatro días en la Bahía de Monterey, registraron un terremoto de magnitud 3.5 y dispersión sísmica desde zonas de fallas submarinas.
Su técnica, que habían probado previamente con cables de fibra óptica en tierra, podría proporcionar datos muy necesarios sobre terremotos que ocurren bajo el mar, donde existen pocas estaciones sísmicas, dejando al 70% de la superficie de la Tierra sin detectores de terremotos.
"Existe una gran necesidad de sismología del fondo marino. Cualquier instrumentación que salga al océano, incluso si es solo durante los primeros 50 kilómetros de la costa, será muy útil", dijo Nate Lindsey, un estudiante graduado de la UC Berkeley y autor principal del artículo.
Lindsey y Jonathan Ajo-Franklin, profesor de geofísica en la Universidad de Rice en Houston y científico visitante de Berkeley Lab, lideraron el experimento con la ayuda de Craig Dawe del MBARI, propietario del cable de fibra óptica. El cable se extiende 52 kilómetros de la costa hasta la primera estación sísmica colocada en el fondo del Océano Pacífico, puesta allí hace 17 años por el MBARI y Barbara Romanowicz, profesora de la Escuela de Graduados UC Berkeley en el Departamento de Ciencias de la Tierra y Planetarias. Se colocó un cable permanente al nodo del Sistema Acelerado de Investigación de Monterey (MARS) en 2009, 20 kilómetros de los cuales se usaron en esta prueba mientras en marzo de 2018 estaban fuera de línea para mantenimiento anual.
"Este es realmente un estudio sobre la frontera de la sismología, la primera vez que alguien usa cables de fibra óptica en alta mar para observar este tipo de señales oceanográficas o para obtener imágenes de estructuras de fallas", dijo Ajo-Franklin. "Uno de los espacios en blanco en la red sismográfica mundial está en los océanos".
El objetivo final de los esfuerzos de los investigadores, dijo, es utilizar las densas redes de fibra óptica en todo el mundo, probablemente más de 10 millones de kilómetros en total, tanto en tierra como debajo del mar, como medidas sensibles del movimiento de la Tierra, permitiendo el monitoreo de terremotos en regiones que no tienen costosas estaciones terrestres propensas a terremotos como las que salpican gran parte de California y la costa del Pacífico.
"La red sísmica existente tiende a tener instrumentos de alta precisión, pero es relativamente escasa, mientras que esto da acceso a una matriz mucho más densa", dijo Ajo-Franklin.
Sismología fotónica
La técnica que utilizan los investigadores es la detección acústica distribuida, que emplea un dispositivo fotónico que envía pulsos cortos de luz láser por el cable y detecta la retrodispersión creada por la tensión en el cable causada por el estiramiento. Con la interferometría, pueden medir la retrodispersión cada 2 metros (6 pies), convirtiendo efectivamente un cable de 20 kilómetros en 10.000 sensores de movimiento individuales.
"Estos sistemas son sensibles a los cambios de nanómetros a cientos de picómetros por cada metro de longitud", dijo Ajo-Franklin. "Ese es un cambio de una parte en un billón".
A principios de este año informaron los resultados de una prueba de seis meses en tierra utilizando 22 kilómetros de cable cerca de Sacramento emplazado por el Departamento de Energía como parte de su banco de pruebas de fibra oscura ESnet de 13.000 millas. La fibra oscura se refiere a cables ópticos colocados bajo tierra, pero no utilizados o alquilados para uso a corto plazo, en contraste con el uso activo de Internet "iluminado".
Los investigadores pudieron monitorear la actividad sísmica y el ruido ambiental y obtener imágenes del subsuelo a una resolución más alta y a mayor escala de lo que hubiera sido posible con una red de sensores tradicional.
"La belleza de la sismología de fibra óptica es que puede usar cables de telecomunicaciones existentes sin tener que colocar 10.000 sismómetros", dijo Lindsey. "Simplemente sales al sitio y conectas el instrumento al extremo de la fibra".
Durante la prueba submarina, pudieron medir una amplia gama de frecuencias de ondas sísmicas a partir de un terremoto de magnitud 3.4 que ocurrió a 45 kilómetros tierra adentro cerca de Gilroy, California, y mapear múltiples zonas de fallas submarinas conocidas y previamente no mapeadas, parte del sistema de de fallas de San Gregorio. También pudieron detectar las olas oceánicas en estado estacionario, los llamados microsismos oceánicos, así como las olas de tormenta, todas las cuales coincidieron con las mediciones sísmicas de la boya y la tierra.
"Tenemos grandes lagunas de conocimiento sobre los procesos en el fondo del océano y la estructura de la corteza oceánica porque es difícil colocar instrumentos como sismómetros en el fondo del mar", dijo Michael Manga, profesor de ciencias de la tierra y planetarias de la UC Berkeley. "Esta investigación muestra la promesa de utilizar cables de fibra óptica existentes como conjuntos de sensores para obtener imágenes de nuevas formas. Aquí, han identificado ondas hipotéticas que previamente que no se habían detectado antes".
Según Lindsey, hay un creciente interés entre los sismólogos por registrar el campo de ruido ambiental de la Tierra causado por las interacciones entre el océano y la tierra continental: esencialmente, las olas chapoteando cerca de las costas.
"Al utilizar estos cables de fibra óptica costeros, básicamente podemos observar las olas que estamos acostumbrados a ver desde la costa en el fondo marino, y la forma en que estas olas oceánicas se unen a la Tierra para crear ondas sísmicas", dijo.
Para utilizar los cables de fibra óptica iluminados del mundo, Lindsey y Ajo-Franklin deben demostrar que pueden hacer ping a los pulsos láser a través de un canal sin interferir con otros canales en la fibra que transportan paquetes de datos independientes. Ahora están llevando a cabo experimentos con fibras encendidas, al tiempo que planean el monitoreo por fibra óptica de eventos sísmicos en un área geotérmica al sur del Mar Salton del sur de California, en la zona sísmica de Brawley.
Referencias:
• Illuminating seafloor faults and ocean dynamics with dark fiber distributed acoustic sensing
• Illuminating Earth's faults
