06. Jul. 2018
Wissenschaftler des GFZ-Teams am Glasfaserkabel auf der Halbinsel Reykjanes.

Wissenschaftler des GFZ-Teams testen die Empfindlichkeit des Glasfaserkabels auf der Halbinsel Reykjanes.

Die Einrichtung seismischer Netzwerke ist ein teurer Spaß. Etliche zehntausend Euro kosten allein die Stationen, von den Aufwendungen für ihre Installation und den Betrieb ganz zu schweigen. Kein Wunder, dass die Netzwerke zur Überwachung von Erdbebenzonen nur in den reichsten Staaten besonders dicht sind. Seismologen sind daher auf der Suche nach preiswerten Alternativen, ein Test des Deutschen Geoforschungszentrums auf Island könnte eine solche ergeben haben. In „Nature Communications“ berichten die Forscher darüber.

Islands jüngstes seismisches Instrument liegt bereits seit 1994 im Untergrund der Vulkaninsel. Auf der Halbinsel Reykjanes im Südwesten der Hauptstadt Reykjavik haben Wissenschaftler des Deutschen Geoforschungszentrums (GFZ) in Potsdam ein 15 Kilometer langes Stück des isländischen Glasfasernetzes genutzt, um die vulkanisch aktive Halbinsel seismisch zu beobachten. „Die Methode ist nicht neu, die Öl- und Erdgasindustrie nutzt Glasfaserkabel schon seit Jahren, um ihre Bohrlöcher zu überwachen“, erklärt Philippe Jousset, Geophysiker in der GFZ-Sektion „Geothermische Energiesysteme“.

Übersicht über die Störungszonen auf Island, die die mitten durch die Insel verlaufende Plattengrenze begleiten.

Übersicht über die Störungszonen auf Island, die die mitten durch die Insel verlaufende Plattengrenze begleiten.

Bild: Wikimedia /Psiĥedelisto, Chris.urs-o (CC BY-SA 3.0)
Blick auf den Reykjanes-Rücken nahe der Hafenstadt Haldir.

Blick auf den Reykjanes-Rücken nahe der Hafenstadt Haldir.

Bild: Wikimedia/Hansueli Krapf (CC BY-SA 3.0)
Versuchsaufbau an der Kabeltrasse auf der isländischen Halbinsel Reykjanes.

Versuchsaufbau an der Kabeltrasse auf der isländischen Halbinsel Reykjanes.

Bild: GFZ/Philippe Jousset
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Übersicht über die Störungszonen auf Island, die die mitten durch die Insel verlaufende Plattengrenze begleiten.

Bild: Wikimedia /Psiĥedelisto, Chris.urs-o (CC BY-SA 3.0)

Blick auf den Reykjanes-Rücken nahe der Hafenstadt Haldir.

Bild: Wikimedia/Hansueli Krapf (CC BY-SA 3.0)

Versuchsaufbau an der Kabeltrasse auf der isländischen Halbinsel Reykjanes.

Bild: GFZ/Philippe Jousset

Neu ist allerdings ihr Einsatz in der Fläche statt in der Tiefe und der Versuch, mit Hilfe des Lichtwellenleiters Informationen über Störungen im Untergrund und die dort ausgelösten Erdbeben zu gewinnen. „Wir haben neun Tage Testbetrieb absolviert und wirklich sehr gute Resultate erzielt“, betont Jousset. Das Kabel verläuft gleich über mehrere Störungen im Reykjanes-Vulkanfeld, darunter den Reykjanes-Rücken, eine der großen Nebenlinien der Plattengrenze zwischen Nordamerikanischer und Eurasischer Platte. Eine bislang unbekannte Störung und insgesamt 83 Erdbeben bis hin zu lokalen Mikrobeben direkt unterhalb des Kabels zählen zur geophysikalischen Ausbeute der Testmessung. „Aber wir haben auch vorbeifahrende Autos und mehrere Explosionen aufgezeichnet“, so der französische Wissenschaftler. Mit einem eigens eingerichteten Seismometernetzwerk entlang des Kabelstrangs haben sie überprüft, ob die Daten aus der Glasfaser mit den Daten der konventionellen Messgeräte übereinstimmen. „Unsere Messungen waren viel genauer als je zuvor“, betonte Philippe Jousset.

Preiswerte Alternative zu Seismometernetzwerken

„Statt Zehntausende von Dollar oder Euro für eine einzelne seismische Station auszugeben, kostet uns dieses Verfahren ein paar hundert Dollar, also praktisch nichts“, kommentiert die Geophysikerin Elizabeth Cochran vom Geologischen Dienst der USA, USGS, in Pasadena. So könne man viel genauer sehen, wie Erdbeben sich entwickelten und wie die seismischen Wellen durch den Untergrund liefen. „Angesichts der Erdbebengefahr, die es in zahlreichen Ballungsräumen wie San Francisco, Mexico City, Tokio oder Istanbul gibt, stellt unsere Methode eine kostengünstige und flächendeckende Ergänzung zu bestehenden Erdbebenmessgeräten dar“, betont Charlotte Krawczyk, Direktorin des GFZ-Departements Geophysik und Mitautorin des „Nature“-Berichts. Denn gerade in Ballungsräumen sind in den vergangenen Jahren dichtgeknüpfte Glasfasernetze für die Telekommunikation entstanden. Die eine oder andere Faser könnte mit dem auf Island getesteten Verfahren als Flächensensor benutzt werden.

Die Wissenschaftler nutzen ein Verfahren aus der Netzwerktechnik, mit dem die TK-Ingenieure die Leitungsqualität ihrer Glasfasern messen: die optische Zeitbereichsreflektometrie. Dafür werden handliche Geräte, die einen Laser-Emitter und ein Messgerät kombinieren, an die Glasfaser angekoppelt und genau definierte Laserpulse in die Glasfaser gesendet. Entscheidend ist das Streulicht, der Teil des Laserlichts, der zurückgestrahlt wird, sobald die Lichtwelle auf ein sogenanntes Streuzentrum trifft, eine Störstelle in der Glasfaser. Von denen gibt in jeder Faser zahlreiche, die sich gleichmäßig auf den gesamten Strang verteilen.

Aus der Zeit, die das Streulicht braucht, um zurück zum Messgerät zu kommen, kann man die Stelle berechnen, an der sich das Streuzentrum befindet. Das Streulicht enthält allerdings auch zusätzliche Informationen über die Welt außerhalb der Glasfaser, denn jede Bewegung des Kabels etwa durch ein Erdbeben oder auch nur ein vorbeifahrendes Fahrzeug führt zu einer Veränderung der Abstände zwischen den Streuzentren in der Faser. "Sie dehnen und stauchen den lokalen Untergrund – und damit auch die in ihm vergrabene Glasfaser", erklärt Jousset.

Kalibrierung steht an

Weltweit gibt es einige Gruppen, die an der Glasfasernutzung für seismische Zwecke arbeiten. Sie müssen sich jetzt vor allem um die Interpretation der Daten aus dem Lichtwellenleiter kümmern. „Wir wissen nicht wirklich, wie wir die Messwerte in seismische Daten wie etwa die Bodenbewegung übersetzen können“, meint etwa Elizabeth Cochran. Für die GFZ-Forscher geht es derweil erst einmal vom hohen Norden Europas in den tiefsten Süden: Auf Sizilien soll eine 35-Kilometer-Glasfaser den nächsten Test absolvieren.