Sismología a la velocidad de la luz: cómo funciona la fibra

16 de junio de 2023

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por Meghan S. Miller, John Townend y Voon Hui Lai, La conversación

Aotearoa Nueva Zelanda experimenta frecuentes terremotos, incluidos terremotos destructivos como los que azotaron Christchurch en 2010 y 2011, y cerca de Kaikōura en 2018.

En la Isla Sur, el mayor riesgo sísmico es la falla alpina de 600 km, que recorre los Alpes del Sur y define el límite entre las placas tectónicas de Australia y el Pacífico.

Una minuciosa investigación geológica ha revelado que produce terremotos muy grandes (magnitud 7-8) aproximadamente cada 300 años, siendo el más reciente en 1717. Los científicos estiman que hay un 75% de posibilidades de que se produzca un gran terremoto de falla alpina en los próximos 50 años. Las probabilidades de que ese terremoto sea mayor que la magnitud 8 son del 82%.

A pesar de la calidad incomparable del registro paleosísmico de los pasados ​​terremotos de la Falla Alpina, el próximo gran terremoto llegará sin previo aviso.

Anticipándose a ese evento, los geocientíficos están trabajando arduamente para comprender cómo se está cargando la falla alpina antes de la ruptura y cómo las características de la falla pueden afectar la propagación de la ruptura y el temblor del suelo resultante.

Un componente de este trabajo es determinar la geometría y la estructura interna de la falla alpina a escalas mucho más finas que las que pueden estudiarse utilizando sismómetros convencionales espaciados a decenas de kilómetros de distancia.

Un nuevo experimento en Haast, una pequeña y remota comunidad cerca de la costa en South Westland, está utilizando una tecnología llamada Distributed Acoustic Sensing (DAS). DAS es una técnica de detección de rápida aparición que convierte cables de fibra óptica de telecomunicaciones en miles de sensores de movimiento del suelo densamente espaciados.

El experimento Haast DAS es una colaboración transtasmana entre geofísicos de la Universidad Nacional de Australia y la Universidad Victoria de Wellington Te Herenga Waka. Es el primero de su tipo en una importante falla límite de placas activa, lo que brinda una oportunidad sin precedentes para estudiar la estructura interna de la falla alpina antes de un gran terremoto previsto.

Entre finales de febrero y principios de mayo de este año, realizamos mediciones sismológicas a lo largo de la falla alpina utilizando un sistema láser controlado por computadora conocido como interrogador conectado a una fibra ("oscura") no utilizada dentro de un cable de telecomunicaciones instalado por Chorus para proporcionar conectividad de banda ancha a través de la Isla Sur. El cable de telecomunicaciones cruza Alpine Fault, justo al este de Haast.

Sismología de fibra óptica

Los pulsos de luz emitidos por el interrogador se dispersan a medida que viajan a lo largo de la fibra e interactúan con imperfecciones de escala atómica en el vidrio. Parte de esta luz dispersa viaja hacia atrás a lo largo de la fibra hasta el interrogador.

Las vibraciones de la fibra provocadas por el paso de ondas sísmicas modulan esta dispersión y pueden detectarse registrando los pulsos de luz dispersados.

El interrogador que hemos estado utilizando realiza mil mediciones por segundo en cada una de 7250 ubicaciones, separadas por cuatro metros a lo largo de la autopista Haast Pass. Esto produce un volumen asombroso de datos: alrededor de 1 Gb de datos nuevos cada minuto, o 1 Tb de datos cada día.

Las vibraciones registradas en Haast incluyen señales producidas por terremotos cercanos (la mayoría de los cuales son demasiado pequeños para ser perceptibles por los humanos) y otros terremotos más grandes que ocurren en toda Nueva Zelanda y más lejos. A mediados de mayo, por ejemplo, registramos varios terremotos de gran magnitud cerca de Nueva Caledonia, el mayor de los cuales provocó una alerta de tsunami en el Pacífico.

La densidad de las mediciones DAS en la falla alpina proporciona una forma completamente nueva de estudiar la estructura interna de la falla. Las ondas sísmicas que llegan a Haast desde diferentes direcciones y hacen vibrar la fibra han interactuado con la falla alpina de maneras que afectan a las propias ondas.

La grabación del DAS a continuación muestra dos pequeños terremotos (magnitud 2 y 3), que ocurrieron al sur de Haast con aproximadamente 30 segundos de diferencia.

Al aumentar enormemente el número efectivo de sensores, el DAS proporciona una nueva lente con la que estudiar procesos tan diversos como la estructura de los glaciares, la expansión y contracción de los volcanes en respuesta a los movimientos del magma, la interacción de las olas del océano con el fondo marino profundo y la Efectos de la extracción de agua subterránea sobre el hundimiento del terreno.

Un nuevo desafío para la comunidad geofísica es aprender cuál es la mejor manera de almacenar, compartir, procesar y analizar grandes volúmenes de datos DAS. Se están desarrollando y adaptando a estos datos técnicas de computación de alto rendimiento e inteligencia artificial (IA) para permitir a los investigadores reconocer y distinguir señales de diferentes orígenes.

En Haast, por ejemplo, los registros de terremotos de mayor interés para los sismólogos están intercalados con el ruido producido por el tráfico en las carreteras. Ser capaz de separar estos dos tipos de información es una tarea muy adecuada para la IA. En el futuro, es probable que la IA ayude a descomponer los datos DAS para detectar señales producidas por procesos atmosféricos y subterráneos que de otro modo no serían reconocidas.

DAS es muy prometedor para adquirir mediciones de procesos de alta resolución y en tiempo real utilizando la infraestructura de telecomunicaciones existente y los rápidos desarrollos en inteligencia artificial y procesamiento de señales.

En Haast, está proporcionando nuevos conocimientos fundamentales sobre la falla alpina antes del próximo gran terremoto, informando el análisis científico que sustenta la preparación y la resiliencia de la comunidad.

Proporcionado por La Conversación

Este artículo se vuelve a publicar desde The Conversation bajo una licencia Creative Commons. Lea el artículo original.