Über Schweizer Gletscher verlegte Glasfaserkabel haben erfolgreich seismische Signale erfasst, die durch die Bildung von Gletscherspalten entstehen, was das Potenzial der Technologie für die Überwachung von Eisbeben unterstreicht. Die Forschungsergebnisse wurden auf der Jahrestagung der Seismological Society of America vorgestellt. Gletscherspalten sind für die Gletscherstabilität von entscheidender Bedeutung, da sie Schmelzwasser in das Gletscherbett leiten können, wodurch der Eisfluss beschleunigt und ein verstärktes Schmelzen verursacht wird. Allerdings machen extreme Bedingungen auf Gletschern mit starken Spalten den Einsatz traditioneller seismischer Sensoren zu einer Herausforderung.

Drohnenaufnahmen von Gletscherspalten am Gornergletscher in der Schweiz. Bildnachweis: Tom Hudson

Tom Hudson von der ETH Zürich erklärt, dass sich die seismischen Signale von Eisbeben stark von denen unterscheiden, die von tektonischen Erdbeben durch Scherkräfte oder von chemischen oder nuklearen Explosionen mit schneller Energiefreisetzung erzeugt werden. Er sagte, die Risse seien „eine Quelle von Rissen, die sich nur in eine Richtung öffneten“.

Die neue Studie, die Hudson zusammen mit Andreas Fichtner von der ETH Zürich (der die Studie auf dem Treffen vorstellte) und Kollegen durchgeführt hat, „ist ein reales Beispiel für den Einsatz von Glasfasern zur Erkennung dieser Art von seismischer Aktivität vom Typ Rissöffnung und Bruch im Untergrund“, sagte Hudson. „Das ist ungefähr so ​​nah wie möglich an der Erdbebenquelle. Unser Crack-Erdbeben ereignete sich im Umkreis von zehn Metern um das Glasfaserkabel, was sehr selten vorkommt.“

Dieser Erfolg legt nahe, dass die faseroptische Erkennung bei der Überwachung ähnlicher Risse nützlich sein könnte, die in Gesteinen in Kohlenstoffspeichern oder Geothermiesystemen auftreten können.

„Da Eis ein einfacheres seismisches Medium als Gestein ist, ist seine Geschwindigkeitsstruktur gut bekannt und wir können die Quellenphysik wirklich erforschen“, sagte Hudson. „Wenn wir es in dieser einfacheren Umgebung schaffen, dann hoffen wir, dass wir vielleicht anfangen können, darüber nachzudenken, es in komplexeren Umgebungen zu machen.“

In der Gletscherspalte des Gornergletschers, dem zweitgrößten Gletscher der Schweiz, installierten Forscher ein dichtes, zweidimensionales Glasfasernetz. Hudson sagte, die Wetterbedingungen während des Einsatzes des Teams seien sehr glücklich gewesen. Sie legten das Kabel während des Übergangs vom Winter zum Sommer aus, sodass es keinen Schnee gab und die Forscher die Gefahr vermeiden konnten, in bedeckte Spalten zu fallen.

Eine der größten Herausforderungen bei der Verwendung von Glasfaserkabeln zur Erfassung seismischer Daten besteht darin, sicherzustellen, dass die Kabel in gutem Kontakt oder „gekoppelt“ mit dem Boden sind, auf dem sie verlegt sind. „Tagsüber ist sie immer noch hoch genug, dass sich die Faser erwärmt und leicht im Gletscher schmilzt, weil die Faser im Vergleich zum Eis schwarz ist. Wenn die Faser dann schmilzt, ist die Temperatur so niedrig, dass sie über Nacht an Ort und Stelle gefriert“, erklärte Hudson.

„Wir erhalten also tatsächlich die beste Kopplung, die man sich in Bezug auf das Schmelzen und Gefrieren von Fasern wünschen kann“, fügte er hinzu.

Das Team entdeckte und lokalisierte 951 Eisbeben, deren seismische Wellenformen nach dem Eintreffen seismischer Oberflächenwellen starke Schwingungen oder Nachläufe aufwiesen. Diese Schwingungen können auftreten, wenn sich Wasser in einer Gletscherspalte befindet, und die Bewegung des Wassers während eines Erdbebens kann ein Resonanzsignal erzeugen. Eine Analyse von Hudson und seinen Kollegen legt jedoch nahe, dass die Schwingungen eher durch „Resonanzen verursacht werden, die entstehen, wenn seismische Wellen zwischen mehreren Spalten in einer Spaltenzone hin und her springen“, sagte Hudson.

Die Forscher verglichen auch Daten aus dem Glasfasernetz mit Daten aus traditionelleren seismischen Knoteninstallationen. Glasfaserkabel können fast das 20-fache der Datenmenge liefern als eine Reihe von Knoten. „Obwohl es einige Herausforderungen bei der Datenverarbeitung gab, war die Datenmenge viel größer, was es uns ermöglichte, im Wesentlichen das vollständige Wellenfeld in den Daten selbst zu sehen, was ungewöhnlich ist“, sagte Hudson.

Er wies darauf hin, dass ein weiterer Vorteil der Verwendung von Glasfaserkabeln darin besteht, dass sie auf einen größeren Bereich von Signalfrequenzen reagieren, einschließlich niederfrequenter Signale, die stunden- oder sogar tagelang anhalten, was es Seismologen ermöglicht, die Biegung von Eis im Laufe der Zeit zu messen.

Hudson hofft, mithilfe von Glasfasern die Geschwindigkeitsstruktur des Eises messen und 3D-Bilder seines Untergrunds erstellen zu können, sagte er.

„Ich würde wirklich gerne das Ausmaß und die Dichte von Rissen quantifizieren und sehen, wie beschädigt das Eis in diesem Bereich ist“, erklärte er, „damit wir wissen können, dass Eisbeben durch Risse ausgelöst werden. Wir haben die Anzahl und Größe der Risse noch nicht quantifiziert, das ist also Hoffnung für die Zukunft.“

Zusammengestellt von /scitechdaily