海底通信ケーブルが優れた地震ネットワークを作る

Sep 30, 2023

2021 年までに運用が開始される光ファイバー ケーブルを予測するこの図で示されているように、海には通信ケーブルが縦横に張り巡らされており、その多く (黄色) は Google や Microsoft などの民間企業が所有しています。 これらのケーブルは、水に覆われた地球の 70% にわたる地震と断層システムを監視する地震観測所としての 2 つの目的を果たすことができます。 (画像提供：ニューヨーク・タイムズ)

世界的な海底通信ネットワークを構成する光ファイバーケーブルは、いつか科学者が沖合の地震や海面下深くに隠された地質構造を研究するのに役立つ可能性があります。

今週サイエンス誌に掲載された論文の中で、カリフォルニア大学バークレー校、ローレンス・バークレー国立研究所（バークレー研究所）、モントレーベイ水族館研究所（MBARI）、ライス大学の研究者らは、20キロメートルの海底繊維を転換した実験について説明している。 - 海底に沿った 10,000 個の地震観測点に相当する光ケーブルを接続します。 モントレー湾での4日間の実験中に、マグニチュード3.5の地震と海底断層帯からの地震散乱を記録した。

彼らの技術は、以前に陸上の光ファイバーケーブルを使ってテストしていたもので、地震観測所がほとんど存在せず、地表の70％に地震探知機が存在しない海中で発生する地震に関する待望のデータを提供する可能性がある。

カリフォルニア大学バークレー校の大学院生で筆頭著者のネイト・リンゼー氏は、「海底地震学のニーズは非常に高い。たとえ海岸から最初の50キロメートルだけであっても、海に出たあらゆる機器は非常に役立つだろう」と語った。紙の。

リンジーと、ヒューストンのライス大学の地球物理学教授でバークレー研究所の科学者であるジョナサン・アホ・フランクリンは、光ファイバーケーブルを所有するMBARIのクレイグ・ドーの支援を受けて実験を主導した。 このケーブルは、17年前にMBARIとカリフォルニア大学バークレー校地球惑星科学科教授のバーバラ・ロマノヴィッチによって、太平洋の海底に史上初めて設置された地震観測所まで、沖合52キロメートルに伸びている。 モントレー加速研究システム (MARS) ノードへの常設ケーブルは 2009 年に敷設され、そのうち 20 キロメートルが 2018 年 3 月の年次メンテナンスのためにオフラインになっている間、このテストに使用されました。

研究者らは、モントレー湾下の断層帯を研究するための地震アレイとして、通常はオフショアの科学ノード（MARS、モントレー加速研究システム）との通信に使用される51キロメートルの海底光ファイバーケーブルのうち20キロメートル（ピンク色）を使用した。 。 4日間のテスト中に、科学者らは45キロメートル離れたギルロイでマグニチュード3.5の地震を検出し、これまで地図に記載されていなかった断層帯（黄色の円）を地図に作成した。 (画像提供：ネイト・リンゼイ)

「これはまさに地震学の最前線に関する研究であり、この種の海洋信号を観察したり、断層構造を画像化するために海洋光ファイバーケーブルを使用したのは初めてである」とアジョ＝フランクリン氏は述べた。 「世界中の地震観測網の空白点の 1 つは海洋にあります。」

研究者らの努力の最終目標は、おそらく陸地と海の両方で合計1,000万キロメートル以上にわたる世界中の高密度の光ファイバーネットワークを、地球の動きの敏感な測定値として使用し、地震が発生しやすいカリフォルニア州や太平洋岸の多くに点在する地域など、高価な地上局がない地域での地震監視。

「既存の地震探査ネットワークは高精度の機器を備えている傾向がありますが、比較的まばらですが、これにより、より高密度のアレイにアクセスできるようになります」とアジョフランクリン氏は述べました。

研究者らが使用する技術は分散音響センシングで、ケーブルにレーザー光の短パルスを送信し、伸びによって生じるケーブルの歪みによって生じる後方散乱を検出するフォトニックデバイスを使用します。 干渉計を使用すると、2 メートル (6 フィート) ごとに後方散乱を測定でき、20 キロメートルのケーブルを 10,000 個の個別のモーション センサーに効果的に変えることができます。

モントレー加速研究システム (MARS) ケーブル天文台は、モントレー湾の表面から 891 メートル (2,923 フィート) の海底にある科学機器の結節点であり、52 キロメートル (32 マイル) の海底ケーブルで海岸に接続されています。データと電力を伝送します。 約 20 キロメートルのケーブルは、海底での光地震学のテストに使用されました。 (著作権 MBARI、2009)

「これらのシステムは、長さ1メートルごとにナノメートルから数百ピコメートルの変化に敏感です」とアジョフランクリン氏は述べた。 「それは10億分の1の変化です。」

今年の初めに、エネルギー省が13,000マイルのESnetダークファイバーテストベッドの一部として敷設した、サクラメント近郊の22キロメートルのケーブルを使用した陸上での6か月にわたる試験の結果を報告した。 ダークファイバーは、活発に使用されている「光る」インターネットとは対照的に、地下に敷設されているが未使用または短期間の使用のためにリースされている光ケーブルを指します。 研究者らは、地震活動と環境ノイズを監視し、従来のセンサーネットワークで可能だったものよりも高解像度かつ大規模な地下画像を取得することができました。

「光ファイバー地震学の利点は、10,000 台の地震計を設置する必要がなく、既存の通信ケーブルを使用できることです」とリンジー氏は語った。 「現場に行って、機器をファイバーの端に接続するだけです。」

水中テストでは、カリフォルニア州ギルロイ近くの内陸45キロメートルで発生したマグニチュード3.4の地震による広範囲の地震波の周波数を測定し、サン・グレゴリオ断層の一部である既知およびこれまで地図に載っていなかった複数の海底断層帯の地図を作成することができた。システム。 また、定常状態の海洋波、いわゆる海洋微小地震や嵐の波を検出することもでき、そのすべてがブイや陸上の地震測定と一致しました。

カリフォルニア大学バークレー校の地球惑星科学教授マイケル・マンガ氏は、「地震計のような機器を海底に設置するのは困難なため、海底のプロセスや海洋地殻の構造については大きな知識のギャップがある」と述べた。 「この研究は、既存の光ファイバーケーブルを新しい方法で画像化するためのセンサーアレイとして使用できる可能性を示しています。ここで、以前は検出されていなかった、以前に仮説が立てられていた波が特定されました。」

リンジー氏によると、地震学者の間では、海洋と大陸との相互作用によって引き起こされる地球の周囲ノイズフィールド、つまり海岸線近くで打ち寄せる波を記録することへの関心が高まっているという。

「これらの沿岸光ファイバーケーブルを使用することで、私たちは基本的に、海岸から見慣れている波を海底にマッピングし、これらの海の波が地球に結合して地震波を生み出す様子を観察することができます」と彼は述べた。

世界の光ファイバーケーブルを利用するには、リンジーとアジョフランクリンは、独立したデータパケットを伝送するファイバー内の他のチャネルに干渉することなく、1 つのチャネルを介してレーザーパルスを ping できることを示す必要があります。 彼らは現在、点灯ファイバーを使った実験を行っているほか、南カリフォルニアのソルトン海の南、ブローリー地震帯にある地熱地帯での地震現象を光ファイバーで監視する計画も立てている。

この研究は、バークレー研究所の研究所主導型研究開発プログラム、国立科学財団 (DGE 1106400)、デイビッド & ルシル・パッカード財団を通じて米国エネルギー省から資金提供を受けました。 最終分析は、GoMCarb プロジェクト (DE-AC02-05CH11231) の一環として、エネルギー省の国立エネルギー技術研究所によって支援されました。