Forscher testen Meeresboden-Glasfaserkabel als Frühwarnsystem für Erdbeben

Eine der größten Herausforderungen für Erdbebenfrühwarnsysteme (EEW) ist der Mangel an seismischen Stationen vor der Küste dicht besiedelter Küsten, wo sich einige der seismisch aktivsten Regionen der Welt befinden.

In einem neue Studie veröffentlicht in Der seismische RekordForscher zeigen, wie ungenutzte Telekommunikations-Glasfaserkabel für Offshore-EEW umgewandelt werden können.

Jiuxun Yin, ein Caltech-Forscher jetzt am SLB, und Kollegen nutzten 50 Kilometer eines unterseeischen Telekommunikationskabels zwischen den Vereinigten Staaten und Chile und sammelten vier Tage lang seismische Daten auf 8.960 Kanälen entlang des Kabels. Die als Distributed Acoustic Sensing oder DAS bezeichnete Technik nutzt die winzigen internen Fehler in einer langen optischen Faser als Tausende seismischer Sensoren.

Yin und Kollegen verwendeten die Kabeldaten, um Erdbebenorte zu bestimmen und die Erdbebenstärke für ein Onshore-Erdbeben (Magnitude 3,7) und zwei Offshore-Erdbeben (Magnitude 2,7 und 3,3) während des Untersuchungszeitraums abzuschätzen.

Ihre Ergebnisse zeigen, dass die Verwendung dieses einzelnen DAS-Arrays im Vergleich zu DAS-Arrays an Land eine Verbesserung der Erdbebenfrühwarnung um etwa drei Sekunden bietet. In einer von den Forschern durchgeführten Simulation stellten sie fest, dass sie durch den Einsatz mehrerer DAS-Arrays im Abstand von 50 Kilometern und deren Zusammenarbeit in der Region die EEW-Alarmzeiten in der Subduktionszone um fünf Sekunden verbessern könnten.

„Obwohl wir aufgrund der Offshore-Platzierung des DAS-Arrays einige Verbesserungen erwartet hatten, lagen die tatsächlichen Geschwindigkeitsgewinne über unseren ursprünglichen Prognosen“, sagte Yin. „Der Hauptvorteil ist der Offshore-Standort des Arrays, wodurch das Warten auf seismische Wellen, die landgestützte Stationen erreichen, entfällt.“

Die Region vor der Küste Chiles ähnelt der Region Cascadia vor der Küste Kanadas und des pazifischen Nordwestens der USA. In beiden Gebieten gibt es eine aktive Subduktionszone, in der tektonische Platten kollidieren und eine Platte unter eine andere stürzt, was zu einigen der größten und zerstörerischsten Erdbeben der Geschichte führt. Selbst vor der Küste Südkaliforniens kam es in zahlreichen Verwerfungen zu Erdbeben der Stärke 6 oder mehr. In all diesen dicht besiedelten Küstengebieten könnte die Frühwarnung vor Offshore-Erdbeben dazu beitragen, Leben und Eigentum zu schützen.

„Der Hauptgrund für die Wahl dieses Kabels ist das erhöhte seismische Risiko Chiles. In der Region kommt es häufig zu Offshore-Erdbeben und wurde in der Geschichte von mehreren bedeutenden Erdbeben der Stärke 8+ betroffen, darunter dem größten, das jemals im Jahr 1960 aufgezeichnet wurde“, erklärte Yin. „Angesichts des hohen seismischen Risikos und der möglicherweise verheerenden Auswirkungen eines großen Erdbebens besteht in Chile ein dringender Bedarf an einem zuverlässigen Frühwarnsystem für Offshore-Erdbeben.“

Die Forscher nutzten ein Deep-Learning-Modell der künstlichen Intelligenz, das anhand früherer seismischer und DAS-Daten trainiert und validiert wurde, um die Erdbebenwellen aus den DAS-Daten dieses Offshore-Kabels herauszusuchen. „Im speziellen Fall von DAS ist die Menge der gesammelten Daten beträchtlich. Für Echtzeitanwendungen wie EEW bieten vorab trainierte Deep-Learning-Modelle eine äußerst effiziente und zuverlässige Option“, sagte Yin. Er stellte jedoch fest, dass andere traditionelle seismologische Methoden zur Erdbebenerkennung bei der automatisierten Verarbeitung von DAS-Daten immer noch effektiv sein können.

Laut Yin benötigen Forscher mehr Daten, insbesondere von Erdbeben größerer Stärke, um EEW-Algorithmen effektiv zu entwickeln und zu testen, sowie mehr Informationen darüber, wie DAS-Instrumente reagieren, bevor sie ein Echtzeit-EEW-System aufbauen, das in bestehende EEW-Frameworks integriert werden kann.

Es gebe weltweit viele Orte, an denen diese Forschung fortgesetzt werden könne, bemerkte er.

„Weltweit gibt es mehr als 1.500 Kabellandestationen, und der Fortschritt in der Technologie ermöglicht die Verwendung von Betriebskabeln und das Hinzufügen von DAS-Systemen ohne Auswirkungen.“ [telecommunications] „Wir glauben, dass dies eine Vielzahl spannender Forschungsmöglichkeiten eröffnet, und wir sind bestrebt, diese in zukünftigen Studien zu erkunden“, sagte Yin. Wir suchen nach engen Interaktionen mit Kabeleigentümern, Umweltbehörden und politischen Entscheidungsträgern, um das DAS-EEW zum Nutzen der Küstengemeinden zu skalieren.“