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Seekabel als Erdbebenmesser

Seekabel
An einem Seekabel (rot) in der kalifornischen Monterey Bay haben die Forscher ihre Methode ausprobiert. (Bild: Lindsey et al./ Science)

Der Meeresgrund gehört zu den am wenigsten erkundeten Bereichen unseres Planeten – dies gilt auch für seismische Messungen. Doch jetzt haben US-Forscher eine Methode demonstriert, die Erdbeben, Vulkanausbrüche und sogar verborgene Verwerfungen im Meeresgrund verblüffend einfach detektieren kann. Denn statt neue Sensoren zu installieren, lassen sich solche Messungen auch mit Seekabeln durchführen – den Leitungen, die fürs Internet und andere Telekommunikationszwecke längst alle Meere durchziehen. Die Rückstreuung von Laserpulsen verrät dabei Dehnungen und Stauchungen dieser Kabel und detektiert selbst kleinste Erschütterungen wie ein Test vor der kalifornischen Küste belegte.

Drei Viertel unseres Planeten sind von Meeren bedeckt, entsprechend viele geologisch und geophysikalisch relevante Prozesse spielen sich in den Ozeanen ab. Die meisten Erdbeben und rund 80 Prozent der Vulkanausbrüche finden beispielsweise unter Wasser statt und auch viele Plattengrenzen und Verwerfungen verlaufen vor den Küsten der Kontinente. „Es gibt einen enormen Bedarf an mehr Seismologie auf dem Meeresgrund“, erklärt Erstautor Nathaniel Lindsey von der University of California in Berkeley. Doch neue Seismometer und andere Messinstrumente am Meeresgrund zu installieren, ist extrem aufwändig und entsprechend teuer: Man benötigt Schiffe, um sie hinzubringen und Tauchroboter oder Taucher für die Installation am Grund. Außerdem sind leistungsfähige Batterien oder andere Stromquellen für den Betrieb der Geräte nötig. Aus diesen Gründen sind bislang nur wenige Messnetze oder Einzelsensoren in den Ozeanen aktiv.

Photonenstreuung im Glasfaserkabel als Seismometer

Eine Lösung für die ozeanischen Messlücken könnte nun eine Methode liefern, die die schon am Meeresgrund vorhandene Technik für seismische Messungen nutzt. Denn weltweit durchziehen tausende Kilometer Seekabel die Meere – die Glasfaserleitungen, die das Rückgrat der globalen Telekommunikation bilden. Über sie laufen Daten in Form von Laserpulsen von Kontinent zu Kontinent. Lindsey und sein Team haben nun einen Weg gefunden, diese Kabel zu einer Art Seismometer umzufunktionieren. Als Testfeld diente ihnen ein rund 50 Kilometer langes Seekabel, das von der Küste der Monterey Bay in Kalifornien zu einer Untersee-Messstation im Pazifik führt und wissenschaftliche Messdaten überträgt. Als das Glasfaserkabel im März 2018 wegen Wartungsarbeiten vorübergehend stillgelegt wurde, nutzten die Forscher die Chance, um ihre Experimente durchzuführen.

Für ihre Messungen nutzten Lindsey und sein Team die Tatsache, dass Erschütterungen am Meeresgrund auch die Glasfaserkabel ein klein wenig dehnen und stauchen. Schickt man nun kohärente Laserpulse durch das Kabel, verändern sich durch diese subtilen Bewegungen die Frequenzmerkmale und die Ankunftszeiten der Photonen, die vom Kabelinneren zurückgestreut werden. Dieses sogenannte Backscattering werteten die Forscher an einem rund 20 Kilometer langen Teilstück des Seekabels vier Tage lang kontinuierlich mithilfe eines Spektrometers aus. Durch Vergleiche mit Referenzsignalen ermöglichte dieses sogenannte Distributed Acoustic Sensing (DAS) die präzise Erfassung selbst kleiner Erschütterungen. „Diese Systeme registrieren auf einen Meter noch Veränderungen im Bereich von Nanometern bis zu hunderten Picometern“, erklärt Co-Autor Jonathan Ajo-Franklin vom Lawrence Berkeley National Laboratory. Durch spezielle Anpassung der Laserpulse konnten die Forscher die Rückstreuung an jedem zwei Meter langen Teilstück der Leitung gesondert messen. Dadurch verwandelten sie das 20 Kilometer lange Glasfaserkabel im Prinzip in 10.000 einzelne Bewegungssensoren.

Erdbeben, Verwerfungen und die Gezeiten

Die ersten Tests waren erfolgreich: In den vier Tagen zeichneten die Forscher mithilfe des Seekabels eine ganze Bandbreite seismischer Ereignisse am Grund des Pazifiks auf. Unter diesen war ein Erdbeben der Magnitude 3,4, das sich 45 Kilometer von der Küste entfernt im Landesinneren ereignete, dessen Bebenwellen sich aber bis in den Meeresgrund fortpflanzten. Lindsey und sein Team konnten anhand ihrer Messdaten nicht nur die Merkmale dieses Bebens identifizieren, die seismischen Wellen enthüllten wie eine Art Tomograph auch einige zuvor unbekannte geologische Formationen im Meeresgrund. Weil die Beschaffenheit des Untergrunds die Erdbebenwellen auf charakteristische Weise modifiziert, verändern sich auch die subtilen Merkmale des Glasfaserkabels und damit die photonischen Messdaten. Dadurch konnten die Forscher einige zuvor unbekannte tektonische Verwerfungen 15 bis 19 Kilometer vor der Küste kartieren. Zusätzlich registrierte ihre Methode auch die Veränderungen durch die Gezeiten oder die von starken Wellen verursachten Erschütterungen.

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„Dies ist das erste Mal, dass irgendjemand Offshore-Glasfaserkabel verwendet hat, um diese Art von ozeanografischen Signalen einzufangen oder um tektonische Strukturen zu kartieren“, sagt Ajo-Franklin. Er und seine Kollegen sehen in dieser Methode großes Potenzial, um die großen Messlücken unter den Ozeanen endlich zu schließen. Bisher haben sie ihre Tests zwar nur an „dunklen“ Leitungen durchgeführt – Glasfaserkabeln, die gerade nicht für Datenübertragungen verwendet wurden. Doch die Forscher haben bereits damit begonnen, auch Messungen in aktiven Leitungen durchzuführen. Dabei passen sie ihre Mess-Laserpulse so an, dass sie in nicht für den Datentransfer verwendeten Kanälen und Frequenzen liegen. „Das Schöne an der Glasfaser-Seismologie ist es, dass man dafür schon vorhandene Telekommunikationskabel nutzen kann, statt 10.000 neue Seismometer installieren zu müssen“, sagt Lindsey. „Man geht einfach zur Anschlussstelle und verbindet das Messinstrument mit dem Ende der Glasfaser.“

Quelle: Nathaniel Lindsey (University of California, Berkeley) et al., Science, doi: 10.1126/science.aay5881

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