Коллектив Российских и Индийских ученых и инженеров (руководитель проекта с Российской стороны старший научный сотрудник ИО РАН к.ф.-м.н. Ильинский Д.А) успешно завершил реализацию международного проекта «Разработка и опытная эксплуатация системы измерений динамических деформаций и смещений с помощью распределенной оптоволоконной линии для определения структуры и динамики Андаманской зоны субдукции» (проект РФФИ № 19-55-45020).

Русско-индийская команда проекта. Представлен момент завершения установки системы измерений динамических деформаций в офисе местного провайдера BSNL ( порт Блейр, Андаманские острова, Индия): слева - индийские участники проекта; справа - группа российских участников проекта; пурпурный сигнал на правом экране компьютера – это лазерный импульс, посылаемый в оптоволокно и отклик рассеянного обратно отражения, на левом экране – контрольный сигнал сейсмологического датчика.

Распределённые измерения динамических деформаций на оптическом волокне являются бурно развивающимся последние 10 лет новым методом сейсмических измерений в широком диапазоне частот как у нас в стране , так и за рубежом [1]. Система мониторинга динамических деформаций была успешно установлена и продолжает работать на острове Большой Андаман. Записи землетрясений получены вдоль всего арендованного и уже проложенного оптоволоконного кабеля длиной 35 км, на 5600 каналах одновременно, расположенных каждые 6,25 м. Эти каналы являются широкополосными, принимают сейсмические сигналы в диапазоне частот от 0,01 (100 сек период) до100 Гц с динамическим диапазоном, сравнимым с традиционными широкополосными длинно-периодными сейсмографами. Длина базы измерений локальной деформации была выбрана для всех каналов одинаковой и равнялась 20 м.

Таким образом, установленная измерительная система эквивалентна установке 5600 длинно-периодных однокомпонентных сейсмографов вдоль всей линии в 35 км. Данные получаются в реальном времени мгновенно на базовой измерительной станции со всех каналов одновременно. Значения динамических деформаций получаются на базовой станции из обработки обратно рассеянных световых сигналов с каждого канала измерений, доставляемых в пункт наблюдений со скоростью света в волокне (около 200 000 км/с), что значительно (в 40 000 раз) быстрее распространения сейсмических волн от землетрясений. Это дает некоторый запас времени перед приходом разрушительных сейсмических волн даже в эпицентральных областях – зонах субдукции, которые в Индийском и Тихом океане сильно заселены и поэтому являются зонами очень высокого риска появления разрушительных землетрясений и цунами.

Рисунок 1 - География эксперимента. Слева положение Анадаманских островов на карте Бенгальского залива. Справа синяя линия из кружков показывает трассу арендованного 35 км оптоволоконного кабеля проложенного в джунглях вдоль существующей дороги от поселка Чулдари до поселения Джиркатанг, Большой Андаман, район порта Блэра.

Результат успешной реализации проекта обеспечивался высоко технологичным оптическим и оптоэлектронным оборудованием на базе самых последних достижений оптических и информационных технологий, в которых наша страна (Россия) занимает лидирующие позиции в мире как в плане изучения физики процессов, так и в технологии создания реально работающих измерительных устройств.

За основу измерительной системы динамических деформаций была взята разработка отечественной компании ООО «Петрофайбер»: Когерентный Оптический Рефлектометр (руководитель д.ф.-м.н. Горшков Б.Г.) [2,3]. В 2020-21 годах проводились многочисленные тестирования прибора для записи как активной наземной и морской сейсмики, так и пассивной регистрации землетрясений в морских и наземных условиях [4]. По результатам тестирования прибор совершенствовался для оптимальной записи сейсмических сигналов широкого диапазона частот[5].

В мае 2022 года усовершенствованный прибор был временно вывезен в Индию, перевезен на Андаманские острова, где был подключен к арендованному в локальной компании уже проложенному одномодовому оптическому волокну длиной 35 км. Там же был оборудован автономный пункт сбора данных с выходом в Интернет для контроля его работы и скачивания данных о землетрясениях. Для контроля данных, получаемых на оптоволокне, вдоль трассы оптоволокна 35 км на равномерном расстоянии друг от друга были установлены 5 автономных сейсмографов TAURUS [6] с 3-х компонентными геофонами (измерителями скорости смещений грунта).

В зонах субдукции протекают наиболее интенсивные геодинамические процессы на Земле, что связано с высокими скоростями схождения литосферных плит, достигающими, по данным спутниковой геодезии, 10 и более см/год. Именно к зонам субдукции приурочена большая часть действующих вулканов, а также сильнейших и наиболее разрушительных землетрясений. Таким образом, наблюдение за накоплением напряжений в зонах Заварицкого-Беньофа необходимо для решения задач оценки сейсмической опасности, снижения социально-экономических последствий землетрясений, вулканических извержений и цунами, и в частности, для сокращения жертв среди населения, снижения вредоносного влияния на экологическую обстановку, а также уменьшения ущерба народному хозяйству.

Постоянные измерения деформаций и смещений в зонах субдукции позволяют следить за процессом накопления напряжений и выявлять наиболее опасные участки для возникновения будущих сильных землетрясений субдукционных зон.

Создание и развитие распределенной системы измерений деформаций на базе оптоволоконных линий и ее развертывание вдоль зон субдукции сможет выявить зоны накопления тектонических напряжений, которые могут привести к сильному землетрясению. С помощью внедрения таких инновационных многоканальных измерительных систем можно решить проблему мгновенного определения возможности возникновения цунами от произошедшего подводного землетрясения. Эта проблема может быть решена с помощью распределенной системы измерения динамических деформаций на оптоволоконной линии при дополнении ею уже существующих точечных 3-х компонентных измерителей скорости смещений (традиционных широкополосных сейсмографов).

Мониторинг с помощью установленных в рамках проекта приборов продолжается с конца мая 2022 года по настоящее время. Сейчас специалистами ИО РАН создается граф обработки оптоволоконных каналов динамических деформаций для повышения качества выходного сигнала, а также внедряются методы машинного обучения (искусственный интеллект) для удаления шумов в данных.

Рисунок 2 - Зарегистрированный сигнал землетрясения магнитудой 4.6, произошедшего в 176 км к юго-западу от Порт Блэйра. Показана только часть каналов записанных волокном для лучшего отображения. Рядом показана вертикальная составляющая геофона. Землетрясение произошло 22 июня 2022 г. Первая волна достигла наших датчиков в 14:25.32 UTC.

Рисунок 3 - Зарегистрированный сигнал землетрясения, произошедшего 19 сентября 2022г, магнитудой 7,6,в 17 000 км от Порт Блэйра (красная точка) на западном побережье Мексики. Показана часть записанных каналов на оптоволокне (1225 по 1330) для лучшей визуализации. Слева даны все три компоненты геофона. Землетрясение произошло (желтая звезда на верхней панели) в 18:05.06 UTC и достигло датчиков на Андаманах в 18:24.50 UTC.

Литература

1. Hartog A.H. An Introduction to Distributed Optical Fibre Sensors. 2017. CRC Press (Taylor and Francis). ISBN: 978-1482259575. 440 pages. DOI:10.1201/9781315119014
2. Alekseev A.E., Vdovenko V.S., Gorshkov B.G., Potapov V.T., Simikin D.E. A phase-sensitive optical time-domain reflectometer with dual-pulse phase modulated probe signal // Laser Phys. 2014. V. 24, N 11. 5106. DOI:10.1088/1054-660X/24/11/115106, EDN: UFBWUV
3. Alekseev A.E., Vdovenko V.S., Gorshkov B.G., Potapov V.T., Sergachev I.A., Simikin D.E. Phase-sensitive optical coherence reflectometer with differential phase-shift keying of probe pulses // Quantum Electron. 2014. V. 44, N 10. P.965-969. DOI:10.1070/QE2014v044n10ABEH015470, EDN: UFDQZP
4. Ильинский Д.А., Алексеев А.Э., Ганжа О.Ю., Симикин Д.Е., Оджа М. Использование волоконно-оптических линий связи с фазочувствительным рефлектометром для регистрации сейсмических колебаний // СЕЙСМИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ. 2020, Т. 56, № 4, С. 5-28, DOI:10.21455/si2020.4-1, EDN: DHDBEF
5. Gorshkov B.G., Alekseev A.E., Taranov M.A., Simikin D.E., Potapov V.T., Ilinskiy D.A. LOW NOISE DISTRIBUTED ACOUSTIC SENSOR FOR SEISMOLOGY APPLICATIONS // Applied Optics, 2022, Vol. 61, Issue 28, pp. 8308-8316. DOI:10.1364/AO.468804
6. http://www.terrindo.co.id/index.php/products/seismo2/obs/digitizer/taurus