Detección de terremotos a través de cables de fibra óptica

La Red Sísmica Nacional ha iniciado una nueva línea de actuación dirigida a explorar la aplicabilidad de una novedosa técnica, basada en la tecnología DAS (Distributed Acoustic Sensing) para la detección de terremotos y el estudio de la estructura de la corteza superficial, así como otras posibles aplicaciones de interés en el campo de la sismología.

¿Qué es el DAS?

El DAS es una técnica que permite hacer mediciones continuas de las deformaciones producidas a lo largo de un cable de fibra óptica producidas entre otros posibles fenómenos, por el campo de ondas sísmicas. Con esta tecnología la fibra óptica se convierte en una densa red de sensores capaz de detectar terremotos. A diferencia de los sensores sísmicos tradicionales que miden la aceleración, velocidad o el desplazamiento, en el DAS se mide la tasa de deformación a lo largo de la fibra óptica.

¿Qué ventajas ofrece? ¿Qué desafíos y limitaciones presenta?
  • Alta resolución espacial (~m).
  • Alta resolución temporal (~KHz).
  • Gran cobertura espacial (hasta 50 km).
  • Reutilización de la fibra óptica existente (evita el despliegue de nueva instrumentación).
  • Accesibilidad para medir en zonas urbanas y remotas (océanos, volcanes, glaciares, etc.).
  • Eliminación de problemas de sincronización de relojes de los sensores.
  • El DAS sólo puede registrar la tasa de deformación en la dirección de la fibra.
  • Gran volumen de datos (~ TB/día).
  • Dificultad en conocer exactamente las coordenadas de la posición del cable y su acoplamiento con el terreno.

¿Cómo funciona?

La unidad o interrogador DAS se conecta a uno de los extremos del cable y envía un pulso láser a través de éste. Las elongaciones del cable se calculan mediante la medida de los cambios de fase del haz reflejado y esparcido registrados en el mismo interrogador. Las reflexiones y esparcimientos del haz láser se producen en las posibles heterogeneidades de la fibra óptica y, si éstas cambian su posición, se medirá una diferencia de fase respecto al pulso reflejado anterior. Esto permite utilizar el cable de fibra óptica como una hilera de miles de sensores sísmicos simplemente enviando pulsos láser y registrando su reflexión y esparcimiento en un extremo de la fibra. Las aplicaciones de la técnica son numerosas y están todavía en aumento. En relación a la sismología se han detectado tanto terremotos regionales como telesismos.

¿Cuáles son los parámetros de adquisición?

Durante la medición, la fibra óptica es muestreada en el espacio y en el tiempo pudiéndose ajustar diferentes parámetros para la eficiente adquisición de los datos en función de las características del experimento. Entre los parámetros más importantes destacan:

  • La distancia a interrogar.
  • La potencia y ancho del pulso láser para optimizar la señal óptica.
  • Frecuencia de pulso (número de pulsos enviado por segundo).
  • Resolución de muestreo espacial (distancia entre dos puntos de muestreo consecutivos a lo largo de la fibra).
  • Gauge length (distancia de integración).
  • Tiempo de derivación para calcular la tasa de deformación.

¿Qué posibilidades ofrece en sismología? Aplicaciones.

A continuación, se resumen algunos ejemplos de las aplicaciones que ofrece la tecnología DAS en el campo de la geofísica y la sismología.

Aplicación Lugar del experimento Resultados Referencia
Detección y localización de terremotos (cercanos) Toulon (Francia) Sladen et al. (2019)
Detección y localización de terremotos (telesismos) Cable desde West Sacramento hasta Woodland (California) Ajo-Franklin et al. (2019)
Análisis del ruido sísmico ambiental Richmond Field Station (Berkeley) Ajo-Franklin et al. (2015)
Estructura de la corteza más superficial Costa de Sansiku (Japón) Spica et al. (2021)
Monitorización del subsuelo urbano Stanford (California) Fang et al. (2020)
Hidrocarburos y control de microsismicidad Canadá Webster et al. (2013), Karam et al. (2013)
Geotermia Campo geotérmico de Brady Hot Springs (Nevada) Li and Zhan (2018)

Experimentos realizados por la RSN

  • Experimento de DAS con el cable de un radiotelescopio en Granada

En el experimento de DAS en Granada se han interrogado 20 km del cable de fibra óptica de la red IRIS que une las oficinas de IRAM (Instituto de Radioastronomía Milimétrica) en Granada con el radiotelescopio de Sierra Nevada con un interrogador FEBUS Optics A1-R de la universidad de Michigan.

Experimento Fecha inicio Fecha final Longitud (km) Resol. Espacial (m) Tasa de muestreo (Hz) Volumen archivo de 3600 s (GB) Interrogador
IRAM (Granada) 2020-08-26 2020-08-27 20 5 2000 240 FEBUS Optics A1-R
  • Experimento de DAS con cable submarino en Valencia

En el experimento de DAS en Valencia se han interrogado 50 km del cable submarino de la empresa ISLALINK que une la ciudad de Valencia con Palma de Mallorca. Se ha utilizado el interrogador FEBUS Optics A1-R de la universidad de Michigan. En este experimento se han registrado deformaciones en el cable submarino producidas por un terremoto en el cabo de Palos de magnitud 3.6, a más de 170 km de distancia del cable.

Experimento Fecha inicio Fecha final Longitud (km) Resol. Espacial (m) Tasa de muestreo (Hz) Volumen archivo de 3600 s (GB) Interrogador
ISLALINK (Valencia) 2020-09-01 2020-09-15 50 16.8 1000 40 FEBUS Optics A1-R