Океанский щит из оптоволокна: как подводные кабели научатся предсказывать землетрясения

По дну Мирового океана проложено около 1,5 миллиона километров кабелей.

Марк-Андре Гучер: Прогнозирование землетрясений представляет серьезную проблему на суше, но в океанах, покрывающих около 70% поверхности Земли, это практически невозможно. Однако огромная сеть подводных кабелей, пересекающих моря и океаны, вскоре может изменить эту ситуацию.

Помимо передачи данных по всей планете, они способны также отслеживать тектонические движения, вызывающие землетрясения и цунами.

Проект «Использование оптоволоконных кабелей для изучения морского дна» (FOCUS) продемонстрировал, как можно использовать существующие оптоволоконные кабели для обнаружения малых подвижек морского дна, вызванных тектоническими разломами. Наша цель — лучше понять активность разломов и, следовательно, возможные землетрясения.

Основной район исследований проекта — недавно нанесенный на карту тектонический разлом на дне Средиземного моря, примерно в 30 км от Катании на Сицилии. Расположенный у подножия Этны, самого высокого и активного вулкана Европы, этот разлом является «сдвиговым» — типом вертикального разлома в земной коре, который особенно часто вызывает землетрясения.

Местоположение имеет ключевое значение. Восточная Сицилия и Катания, городской регион с населением в 1 миллион человек, за последние столетия неоднократно страдали от разрушительных землетрясений.

Землетрясение и цунами в Мессине 1908 года (магнитуда 7,2) унесли жизни 72 000 человек, а землетрясение в Катании 1693 года (магнитуда около 7,5, сильнейшее в истории Италии) убило около 60 000 человек и разрушило большинство крупных зданий в городе.

В Катании также находится Институт ядерной физики INFN-LNS, который управляет морской исследовательской станцией, состоящей из кабельной обсерватории на дне океана. Первоначально задуманная как испытательный полигон для нейтринного телескопа института, расположенного в 100 км, южная ветвь этого 29-километрового электрооптического кабеля заканчивается всего в 2,5 км от недавно нанесенного на карту сдвигового разлома на морском дне.

Проект FOCUS работал, развернув специально сконструированный деформационный кабель поперек недавно нанесенного на карту разлома в надежде обнаружить тектонические подвижки. Любое движение, сколь угодно малое, натягивало бы кабель и удлиняло бы находящиеся внутри оптические волокна. Это можно обнаружить, анализируя лазерный свет, запущенный в оптические волокна.

Подводные кабели-сенсоры

В октябре 2020 года наша команда провела первую морскую экспедицию на объекте INFN-LNS у берегов Сицилии на борту французского исследовательского судна PourquoiPas?.

Сначала мы подключили наш специально разработанный 6-километровый деформационный кабель (похожий на подводные телекоммуникационные кабели, но со специальными сенсорными волокнами) к донной обсерватории. С помощью подводного плуга этот кабель затем был заглублен примерно на 20 см ниже дна, пересекая разлом в четырех различных местах на расстоянии около 1 км друг от друга.

Также была установлена система из 8 акустических маячков, по 4 с каждой стороны разлома. Это было сделано для независимого измерения любых возможных подвижек разлома — любое изменение расстояния между маячками подтвердило бы факт движения.

Затем с регулярными интервалами в 2 часа лазерный свет запускался через 29-километровый электрооптический кабель исследовательской станции в деформационный кабель FOCUS, который включал тройную петлю в волокнах, позволяя свету проходить туда и обратно трижды, создавая общую оптическую длину пути в 47 км.

В лазере использовалась методика, известная как BOTDR (рефлектометрия во временной области на основе бриллюэновского рассеяния). Она десятилетиями применяется для мониторинга деформаций крупных инженерных сооружений, таких как мосты, плотины и трубопроводы.

Ложные тревоги доказывают работоспособность системы

Естественное возмущение в оптоволоконном кабеле FOCUS было обнаружено примерно через месяц, в ноябре 2020 года, и соответствовало удлинению примерно на 1,5 см в месте первого пересечения разлома. Сначала показалось, что разлом мог сдвинуться, но акустические маячки не показали никаких изменений.

Наиболее вероятной причиной возмущения кабеля стал подводный оползень, подобный лавине осадков на дне океана.

Второе возмущение кабеля произошло в сентябре 2021 года, но в этом случае причина нам точно известна. Я руководил операцией, в ходе которой с помощью беспилотной подводной лодки были размещены грузы-мешки на участках кабеля, которые были плохо заглублены и лежали на дне или пересекали неровный рельеф.

Почти 100 грузовых мешков (весом по 25 кг каждый) были размещены поверх кабеля в 4 местах, вдавив кабель в мягкий ил и удлинив волокна внутри. Специальные тугие волокна в кабеле FOCUS оказались более чувствительными, чем стандартные свободные волокна, используемые в телекоммуникационной индустрии, и показали очень сильные сигналы.

Хотя эти два измерения и не показали тектонических движений, они ясно продемонстрировали, что подводные кабели могут помочь нам тщательно отслеживать состояние морского дна.

Коммерческие кабели как инструмент науки

Второй район исследований проекта FOCUS представлял собой сеть коммерческих телекоммуникационных кабелей, соединяющих острова архипелага Гваделупа. В течение трехлетнего периода с 2022 по 2024 год я вместе с партнерами из IDIL fibre optics провел серию измерений BOTDR с интервалами в 3-6 месяцев, подключаясь к распределительным шкафам на обочине дорог.

Мы наблюдали сезонные сдвиги в сигналах BOTDR на мелководных участках кабеля (обычно на глубинах 10–100 м), вероятно, вызванные колебаниями температуры на морском дне. Чтобы подтвердить это, мы сравнили температурные сдвиги, полученные по показаниям кабеля, с независимыми спутниковыми данными. Они совпали с точностью около 0,1°C.

Мы также наблюдали сильную механическую деформацию телекоммуникационных кабелей в определенных географических точках, таких как бровки шельфа, подводные каньоны и узкие проливы между островами, подверженные воздействию штормов и сильных течений.

Результаты нашего исследования в Гваделупе подтвердили точность и чувствительность показаний коммерческих кабелей по сравнению с более специализированными кабелями, использовавшимися на участке в Катании. Они подчеркнули их потенциал для обнаружения механических воздействий на кабель (природных или техногенных) и для проведения долгосрочного экологического мониторинга.

Превращение глобальной сети в систему раннего предупреждения

В совокупности эти результаты открывают многообещающие перспективы для превращения значительной части огромной мировой сети подводных телекоммуникационных кабелей в сейсмологические и экологические датчики, чтобы лучше отслеживать сейсмическую опасность и изменение климата. Следующий шаг — масштабирование технологии и создание алгоритмов, способных в реальном времени отличать тектонические подвижки от оползней или температурных шумов. Если это удастся, человечество получит принципиально новую, глобальную и относительно недорогую систему мониторинга «пульса» планеты, способную предупреждать прибрежные города о надвигающейся угрозе за драгоценные минуты до того, как волна цунами или подземные толчки достигнут берега. По сути, мы говорим о создании нервной системы океана, которая позволит нам не только общаться через океаны, но и слушать их голос — голос самой Земли.