Stima della magnitudo e previsione del movimento del suolo per sfruttare il rilevamento acustico distribuito in fibra ottica per l'allarme precoce dei terremoti

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 424 (2023) Citare questo articolo

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I sistemi di allerta precoce dei terremoti (EEW) forniscono da secondi a decine di secondi di preavviso prima che si avvertano movimenti del suolo potenzialmente dannosi. Per tempi di allarme ottimali, i sensori sismici dovrebbero essere installati il ​​più vicino possibile alle fonti sismiche previste. Tuttavia, mentre i terremoti più pericolosi sulla Terra si verificano sott’acqua, la maggior parte delle stazioni sismologiche si trovano sulla terraferma; Possono passare secondi preziosi prima che questi terremoti vengano rilevati. In questo lavoro, sfruttiamo l'infrastruttura in fibra ottica disponibile per il EEW utilizzando il nuovo approccio del rilevamento acustico distribuito (DAS). Le misurazioni della deformazione DAS dei terremoti provenienti da diverse regioni vengono convertite in movimenti del suolo utilizzando un approccio slant-stack in tempo reale, le magnitudo vengono stimate utilizzando un modello teorico della sorgente del terremoto e le intensità delle scosse del terreno vengono previste tramite equazioni di previsione del movimento del suolo. I risultati dimostrano il potenziale dell’EEW basato su DAS e i notevoli risparmi di tempo che possono essere ottenuti rispetto all’uso di sensori standard, in particolare per i terremoti offshore.

Sebbene la previsione dei terremoti rimanga fuori portata, il monitoraggio sismico continuo ha abilitato sistemi di allerta precoce dei terremoti (EEW) che forniscono avvisi ai centri abitati e alle infrastrutture critiche da pochi secondi a decine di secondi prima che si avverta un intenso scuotimento del terreno. Dopo l'inizio della rottura, l'allarme può essere emesso analizzando i movimenti del suolo registrati in tempo reale per valutare il potenziale danno del terremoto. Le prestazioni dei sistemi EEW dipendono in gran parte dalla distribuzione spaziale dei sensori sismici disponibili5; Per un’emissione di allarmi rapida ed efficace, gli strumenti sismici dovrebbero essere installati in prossimità di faglie attive, dove si prevede che si verifichino terremoti. Mentre la maggior parte dei terremoti più grandi e pericolosi sulla Terra si verificano offshore in zone di subduzione, la stragrande maggioranza delle stazioni sismiche si trova sulla terraferma. Pertanto, si potrebbe perdere tempo prezioso aspettando che le onde sismiche raggiungano le stazioni a terra6. Le soluzioni attuali, come l’intensificazione delle reti sismiche terrestri e l’installazione di reti di sensori cablati sul fondale oceanico, sono implementate in Giappone7 e Canada8. Tuttavia, i costi elevati ne impediscono l’implementazione a livello mondiale. Un’alternativa è convertire i cavi in ​​fibra ottica esistenti in fitte reti sismiche attraverso la nuova tecnologia di rilevamento acustico distribuito (DAS)9,10. La sempre crescente diffusione a livello mondiale di infrastrutture di telecomunicazione in fibra ottica, in particolare di cavi sottomarini, apre opportunità per un’implementazione diffusa e a basso costo del DAS per i EEW, evitando costose implementazioni e operazioni sui fondali oceanici. Il potenziale della DAS del fondale marino per i MER non è stato ancora dimostrato quantitativamente, una lacuna affrontata in questo lavoro.

Negli ultimi anni, i vantaggi unici del DAS si sono rivelati preziosi per vari scopi sismologici, tra cui l'analisi dei terremoti11,12,13 e l'imaging del sottosuolo14,15,16,17. Il DAS consente la misurazione delle deformazioni transitorie del suolo (deformazioni o velocità di deformazione) lungo le fibre ottiche (ad esempio, cavi Internet), come quelle che attualmente attraversano la maggior parte del nostro pianeta, sia sulla terraferma che sott'acqua. A differenza dei sensori puntiformi (ad esempio sismometri, accelerometri, GNSS), il DAS produce misurazioni di deformazione longitudinale spazialmente dense (ogni diversi metri, tipicamente 10) lungo fibre ottiche lunghe decine di chilometri con una portata massima compresa tra 80 e 150 km, a seconda lo specifico interrogatore DAS. Questa tecnologia consente il monitoraggio continuo di vaste regioni e fornisce un quadro più completo del campo d’onda sismico. Le misurazioni vengono ottenute utilizzando un'unità interrogatrice che è posizionata ad un'estremità del cavo e invia impulsi laser lungo la fibra. A causa delle piccole eterogeneità all'interno della fibra, una frazione della luce trasmessa viene retrodiffusa tramite lo scattering di Rayleigh. Quando le onde sismiche perturbano il cavo, le eterogeneità lungo la fibra cambiano posizione, e così anche il modello di retrodiffusione di Rayleigh. Le differenze di fase di retrodiffusione tra campioni temporali vengono quindi tradotte in misurazioni di deformazione o velocità di deformazione a distanze di diversi metri lungo fibre lunghe decine di chilometri18. Questa tecnica consente di trasformare qualsiasi fibra ottica in una fitta schiera di sensori sismo-acustici, producendo misurazioni con risoluzioni spaziali e temporali senza precedenti.