458 громотрясений за два года – телеком-кабели превратили грозы в рентген для земных недр

Удар молнии в землю порождает микроскопические колебания, которые расходятся сквозь грунт. Такие "громотрясения" долгое время считались слишком слабыми, чтобы приносить пользу науке, а в сейсмических записях их скорее воспринимали как помеху, заглушающую полезные сигналы.

Исследователи из Университета штата Пенсильвания решили проверить обратное. Под кампусом закопали обычные телекоммуникационные оптоволоконные кабели и подключили сеть к акустическим датчикам, применяемым в сейсмологии.

За два года наблюдений система зафиксировала колебания от 458 громотрясений. На основе этого массива данных удалось построить детальные изображения геологических структур под кампусом на глубину примерно до 100 метров.

Геофизик и соавтор исследования Тиеюань Чжу сказал:

Другими словами, гроза в небе помогает нам увидеть то, что находится под землёй. Мы превращаем то, что сейсмологи традиционно считают шумом окружающей среды, в полезный научный сигнал.

Классическая сейсмология сосредоточена на источниках внутри твёрдой Земли, прежде всего на землетрясениях, очаги которых лежат на десятках километров под поверхностью. При этом процессы в "текучих оболочках" планеты, то есть в атмосфере и гидросфере, тоже передают энергию в грунт и создают измеримые сейсмические движения, отмечается в статье.

Этому направлению уделяли мало внимания. Громотрясения слишком слабы, чтобы причинить вред, и человек их не чувствует, но из-за высокочастотной составляющей энергии они отлично подходят для изучения самого верхнего слоя земной коры.

Ранее та же группа выяснила, что штатное телеком-оптоволокно достаточно чувствительно, чтобы регистрировать эти события. Отсюда возник следующий вопрос, который Чжу сформулировал так: можно ли пойти дальше простого обнаружения громотрясений и действительно использовать их для построения изображения недр.

В новой работе применили метод распределённого акустического зондирования. Через оптическое волокно пускают лазерные импульсы и измеряют, как движения грунта деформируют кабель и меняют характеристики отражённого света.

Благодаря этому один кабель работает как тысячи близко расположенных сейсмодатчиков. Для проверки достоверности команда независимо собрала геологические и геофизические данные и сопоставила их с результатами по громотрясениям.

Поскольку скорость сейсмической волны зависит от свойств материала, сквозь который она проходит, эти измерения позволили нам оценить структуру приповерхностных слоёв. Грозы случаются часто, но их сейсмическая энергия до сих пор в основном игнорировалась. Наше исследование показывает, что эта энергия может стать возобновляемым и по сути бесплатным источником для зондирования грунта.

Следующий шаг – испытать методику в других точках и в иных геологических условиях. На качество и глубину итогового изображения могут влиять как физические характеристики самой грозы, так и особенности местности.

Отдельно Чжу хочет разобраться в электромагнитных механизмах, через которые разряд молнии передаёт энергию в грунт. Это фундаментальная часть вопроса, пока изученная слабо.

В статье авторы указывают и на более экзотическое применение – зондирование недр других планет и спутников. У Титана, спутника Сатурна, ранее фиксировали признаки грозовой активности.

Игроки Pokemon Go используют карты геологической службы США для поиска редких покемонов

Полностью заменить традиционную сейсморазведку громотрясения не смогут, но они дают дополнительный, регулярно повторяющийся естественный источник данных. Особенно это ценно там, где землетрясения редки, а классические работы сложны или дороги.