Estimativa de magnitude e previsão de movimento do solo para aproveitar a detecção acústica distribuída de fibra óptica para alerta precoce de terremoto

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 424 (2023) Citar este artigo

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Os sistemas de aviso prévio de terremoto (EEW) fornecem segundos a dezenas de segundos de tempo de aviso antes que movimentos de solo potencialmente prejudiciais sejam sentidos. Para tempos de alerta ideais, os sensores sísmicos devem ser instalados o mais próximo possível das fontes de terremoto esperadas. No entanto, enquanto os terremotos mais perigosos da Terra ocorrem debaixo d'água, a maioria das estações sismológicas está localizada em terra; preciosos segundos podem passar antes que esses terremotos sejam detectados. Neste trabalho, aproveitamos a infraestrutura de fibra óptica disponível para EEW usando a nova abordagem de detecção acústica distribuída (DAS). As medições de tensão DAS de terremotos de diferentes regiões são convertidas em movimentos do solo usando uma abordagem de pilha inclinada em tempo real, as magnitudes são estimadas usando um modelo teórico de fonte de terremoto e as intensidades de tremores do solo são previstas por meio de equações de previsão de movimento do solo. Os resultados demonstram o potencial do EEW baseado em DAS e os ganhos de tempo significativos que podem ser alcançados em comparação com o uso de sensores padrão, em particular para terremotos offshore.

Embora a previsão de terremotos permaneça fora de alcance, o monitoramento sísmico contínuo permitiu sistemas de alerta precoce de terremotos (EEW) que fornecem alertas para centros populacionais e infraestrutura crítica segundos a dezenas de segundos antes que o tremor intenso do solo seja sentido1,2,3,4. Após o início da ruptura, o alerta pode ser emitido analisando os movimentos do solo registrados em tempo real para avaliar o potencial de dano do terremoto. O desempenho dos sistemas EEW depende em grande parte da distribuição espacial dos sensores sísmicos disponíveis5; para uma emissão de alerta rápida e robusta, os instrumentos sísmicos devem ser instalados nas proximidades de falhas ativas, onde se espera a ocorrência de terremotos. Enquanto a maioria dos terremotos maiores e mais perigosos da Terra ocorre no mar em zonas de subducção, a grande maioria das estações sísmicas está localizada em terra. Assim, um tempo valioso pode ser perdido esperando que as ondas sísmicas cheguem às estações terrestres6. As soluções atuais, como a densificação das redes sísmicas terrestres e a instalação de redes cabeadas de sensores do fundo do mar, são implementadas no Japão7 e no Canadá8. No entanto, os altos custos impedem sua implementação em todo o mundo. Uma alternativa é converter cabos de fibra óptica existentes em redes sísmicas densas por meio da nova tecnologia de detecção acústica distribuída (DAS)9,10. A implantação mundial cada vez maior de infraestrutura de telecomunicações de fibra óptica, em particular cabos submarinos, abre oportunidades para a implementação generalizada de baixo custo de DAS para EEW, contornando implantações e operações caras no fundo do oceano. O potencial do DAS do fundo do mar para EEW ainda não foi demonstrado quantitativamente, uma lacuna abordada neste trabalho.

Nos últimos anos, as vantagens exclusivas do DAS provaram ser valiosas para vários fins sismológicos, incluindo análise de terremotos11,12,13 e geração de imagens de subsuperfície14,15,16,17. O DAS permite a medição de deformações transitórias do solo (deformações ou taxas de deformação) ao longo de fibras ópticas (por exemplo, cabos de internet), como as que atualmente atravessam a maior parte do nosso planeta, tanto em terra quanto debaixo d'água. Ao contrário dos sensores pontuais (por exemplo, sismômetros, acelerômetros, GNSS), o DAS produz medições de deformação longitudinal espacialmente densas (a cada vários metros, normalmente 10) ao longo de fibras ópticas de dezenas de quilômetros com um alcance máximo entre 80 e 150 km, dependendo o interrogador DAS específico. Essa tecnologia permite o monitoramento contínuo de grandes regiões e fornece uma imagem mais completa do campo de ondas sísmicas. As medições são obtidas usando uma unidade interrogadora que é colocada em uma extremidade do cabo e envia pulsos de laser ao longo da fibra. Devido a pequenas heterogeneidades dentro da fibra, uma fração da luz transmitida é retroespalhada via espalhamento Rayleigh. Quando as ondas sísmicas perturbam o cabo, as heterogeneidades ao longo da fibra mudam de posição, assim como o padrão de retroespalhamento de Rayleigh. As diferenças de fase de retroespalhamento entre as amostras de tempo são então traduzidas em medições de deformação ou taxa de deformação em espaçamentos de vários metros ao longo de fibras de dezenas de quilômetros de comprimento18. Essa técnica permite a transformação de qualquer fibra ótica em um denso arranjo de sensores sismoacústicos, produzindo medições com resoluções espaciais e temporais inéditas.