Cada fibra de vidro muito fina em um cabo de fibra ótica enterrado contém minúsculas falhas internas - e isso é uma coisa boa para os cientistas que procuram novas maneiras de coletar dados sísmicos em lugares de um centro urbano movimentado a uma geleira remota.

No Cartas de pesquisa sismológica , O sismólogo Zhongwen Zhan, do California Institute of Technology, descreve o crescente interesse neste método - chamado Distributed Acoustic Sensing - e suas aplicações potenciais. Seu artigo faz parte da série Emerging Topics da revista, no qual os autores são convidados pelos editores do SRL para explorar os desenvolvimentos que estão moldando várias áreas da sismologia e da ciência de terremotos.

O DAS funciona usando as minúsculas falhas internas de uma longa fibra óptica como milhares de sensores sísmicos ao longo de dezenas de quilômetros de cabos de fibra óptica. Um instrumento em uma extremidade envia pulsos de laser por um cabo e coleta e mede o "eco" de cada pulso conforme ele é refletido nas falhas internas da fibra.

Quando a fibra é perturbada por mudanças de temperatura, tensão ou vibrações - causadas por ondas sísmicas, por exemplo, há mudanças no tamanho, frequência e fase da luz laser espalhada de volta para o instrumento DAS. Os sismólogos podem usar essas mudanças para determinar os tipos de ondas sísmicas que podem ter empurrado a fibra, mesmo que apenas por algumas dezenas de nanômetros.

A sensibilidade dos instrumentos DAS melhorou significativamente nos últimos cinco anos, abrindo novas possibilidades para sua implantação, Zhan disse. "A sensibilidade está cada vez melhor, a tal ponto que, há alguns anos, se você comparar as formas de onda de uma seção de fibra com um geofone, eles se parecem muito entre si. "

Seu desempenho os torna adequados para uso em uma variedade de ambientes, especialmente em lugares onde seria muito caro configurar uma rede sísmica mais sensível ou densa. Os pesquisadores também podem explorar as grandes quantidades de fibra não utilizada ou "escura" que foram estabelecidas anteriormente por empresas de telecomunicações e outros. Alguns fios de um cabo maior, disse Zhan, serviria aos propósitos de um sismólogo.

Zhan disse que a indústria de petróleo e gás tem sido um dos maiores impulsionadores do novo método, já que usaram cabos em poços para monitorar mudanças de fluidos em campos de petróleo em águas profundas e durante o fraturamento hidráulico e injeção de águas residuais.

Os pesquisadores do DAS acreditam que o método é especialmente promissor para monitoramento sísmico em ambientes hostis, como a Antártica - ou a lua. Com uma rede regular de sismômetros, cientistas "precisam proteger e alimentar cada nó" de instrumentos na rede, Zhan explicou. "Onde para DAS, você estabelece um longo fio de fibra, que é bastante resistente, e todos os seus instrumentos sensíveis estão apenas em uma extremidade da fibra. "

"Você pode imaginar que na lua ou em algum outro planeta, com um cenário de alta radiação ou alta temperatura, a eletrônica pode não sobreviver tanto tempo naquele ambiente, "ele acrescentou." Mas a fibra pode. "

Os cientistas já estão usando o DAS para sondar os ciclos de degelo e congelamento no permafrost e nas geleiras, para melhor caracterizar seu movimento dinâmico de fluxos de gelo e deslizamento na rocha, o que pode ajudar os pesquisadores a aprender mais sobre como o derretimento glacial causado pela mudança climática contribui para o aumento do nível do mar.

No momento, o alcance da maioria dos sistemas DAS é de 10 a 20 quilômetros. Os pesquisadores esperam estender isso em um futuro próximo para 100 quilômetros, Zhan disse, que pode ser útil para cobertura sísmica em ambientes de fundo do oceano, incluindo zonas de subducção offshore.

O DAS também é adequado para uma resposta rápida após terremotos, especialmente em áreas onde a fibra escura é numerosa e os sismólogos já tomaram providências para usar a fibra de antemão. Após os terremotos Ridgecrest de 2019 no sul da Califórnia, por exemplo, Zhan e seus colegas agiram rapidamente para monitorar a sequência do tremor na área usando o DAS. "Transformamos cerca de 50 quilômetros de cabo em mais de 6, 000 sensores em três dias, " ele disse.

Se os sismólogos fizeram seu trabalho braçal na identificação e solicitação de acesso às fibras com antecedência, Zhan disse, um sistema DAS pode ser implantado algumas horas após um terremoto.

Um desafio no uso de fibra é saber exatamente como ela se encontra no solo. Com o método DAS, os pesquisadores sabem o quão longe ao longo de uma fibra um determinado sensor fica, mas se o cabo de fibra óptica estiver enrolado, dobrado ou flácido, os cálculos podem estar errados. Para remediar isso, sismólogos às vezes fazem um "teste de tap", que mapeia golpes de marreta ao longo do solo acima do cabo com GPS, enquanto os golpes reverberam na fibra para criar uma espécie de imagem de sonar de suas voltas e reviravoltas.

Os sensores DAS também contêm mais "ruído próprio" - sinais sísmicos de fundo que podem interferir na identificação de um terremoto - do que os sensores sísmicos tradicionais, "mas, francamente, não sabemos exatamente o porquê, "disse Zhan. Parte do ruído pode vir dos pulsos de laser interrogativos, que pode não ser estável, ou do próprio cabo. Alguns cabos ficam soltos em seus túneis, e outros têm vários conectores de fibra, o que pode produzir reflexão e perda do sinal de luz.

"Ainda na infância, O DAS já se mostrou o coração ativo - ou talvez o tímpano - de uma valiosa nova ferramenta de escuta sísmica, "Zhan concluiu.