Measuring earthquakes using fiber-optic cables

Nathaniel Lindsey of the University of California, Berkeley, buries fiber-optic cable in a trench near Fairbanks, Alaska, to record earthquake seismicity. Credit: left: Anna Wagner; right: Nathaniel Lindsey.

 

Fiber-optic cables crisscross the world, ferrying digital data and enabling internet access and telecommunication. In a new study, published in Geophysical Research Letters, researchers tested whether fiber-optic cables can also be used to detect and measure earthquakes.

Using fiber-optic cables to monitor ground vibrations is not novel in itself; this method has been developed by the petroleum industry over the past decade. “But this study is one of the first to monitor earthquakes using existing telecommunications infrastructure,” says Robert Mellors, a seismologist at Lawrence Livermore National Laboratory in Livermore, Calif., who was not involved in the study. “It opens up a whole new potential for sensing earthquakes.”

Fiber-optic cables have some advantages over the seismometers most commonly used to monitor earthquakes today, says Nathaniel Lindsey, lead author of the new study and a graduate student at the University of California, Berkeley. “A seismometer sits on the earth at one location and records ground motion only at that point,” Lindsey says. “We are also limited in where we can install seismometers; for example, it is expensive and challenging to place seismometers in urban areas or far offshore.”
There are more than 160,000 kilometers of long-distance fiber-optic cables in the United States, but only part of this network is used for telecommunication; the unused portion, called “dark fiber,” is what researchers like Lindsey aim to use to detect earthquakes. “We can record the motion of a buried fiber-optic cable at essentially every point along it for tens of miles,” Lindsey says, which could allow this approach — called distributed acoustic sensing, or DAS — to yield high-resolution seismic data.
DAS involves connecting a laser “interrogator” unit to one end of a buried fiber-optic cable. The interrogator — about the size of a desktop computer tower — shoots laser light pulses into the cable and then monitors backscattered photons, the portions of that light reflected back toward the source from different points along the cable. Any stretching or bending of the cable, due to ground vibrations from a passing truck or an earthquake, for example, alters the path of the backscattered photons. By measuring these changes, researchers can piece together information about the strain on segments of the cable over time and quantify the speed and direction of the seismic waves responsible.
But fiber-optic cables used for telecommunication are rarely buried in direct contact with the ground. They are usually laid in conduits made of different materials, such as PVC piping coated with cement. So researchers weren’t sure if such cables would be sufficiently “coupled” to the ground to serve as reliable earthquake sensors.

To test decoupled cables, Lindsey and colleagues at Stanford University installed their own fiber-optic cable in an existing telecommunication conduit under Stanford’s campus. While monitoring this embedded fiber-optic cable, they detected several seismic events, including “nearby quarry blasts, small earthquakes within the Bay Area, and larger events from across North America,” the researchers wrote in the study.

How DAS measurements compare to those made with standard seismometers is still an open area of research.

Lindsey and colleagues at Lawrence Berkeley National Laboratory in Berkeley, Calif., compared data collected using fiber-optic cables and conventional seismometers in Fairbanks, Alaska, where they buried about 5 kilometers of cable over an area larger than two football fields directly into the ground.
There were several similarities in the data collected in Fairbanks using the two systems: For example, P and S waves from earthquakes were detected at the same time by both the coupled DAS array and standard seismometers. But there were also some differences. For instance, for seismic vibrations with frequencies lower than 1 Hertz and higher than 10 Hertz, DAS sensitivity falls off more steeply compared to conventional seismometers (broadband seismometers can reliably detect seismic motions with frequencies between 0.01 and 50 Hertz). In addition, data collected by the fiber-optic DAS can be “noisier and not include the quietest seismic signals,” Mellors notes.
“Using this technology, we may be able to convert the same fibers used for home [and] office internet into a huge seismic network that can help better detect and understand earthquakes,” says Zhongwen Zhan, a seismologist at Caltech, who was not involved with the study. However, “DAS only measures extension or compression along the length of a fiber, while seismic waves cause ground motion in three directions,” Zhan says. “So information from DAS alone is incomplete.”

Lindsey acknowledges that current DAS technology has its limitations. For example, “DAS isn’t measuring ground motion in all three dimensions,” he says. However, “having thousands of data points still provides much useful information.” Additionally, some researchers are looking at combining data from cables laid in various directions or configurations to mitigate the one-dimensionality problem.

Lindsey is now testing earthquake detection using existing dark fiber near Sacramento, Calif. “This experiment will be more reflective of how useful pre-existing fiber-optic cables can be in seismic monitoring,” he says.

Adityarup "Rup" Chakravorty

Chakravorty is a science writer at the University of Wisconsin at Madison by day, and a freelancer once the sun goes down.

TRADUÇÃO

Os cabos de fibra óptica cruzam o mundo, transportando dados digitais e permitindo acesso à Internet e telecomunicações. Em um novo estudo, publicado na revista Geophysical Research Letters, pesquisadores testaram se cabos de fibra ótica também podem ser usados ​​para detectar e medir terremotos.
Usar cabos de fibra ótica para monitorar as vibrações do solo não é novidade em si; Esse método foi desenvolvido pela indústria do petróleo na última década. "Mas este estudo é um dos primeiros a monitorar terremotos usando infra-estrutura de telecomunicações existente", diz Robert Mellors, um sismólogo do Laboratório Nacional Lawrence Livermore, em Livermore, na Califórnia, que não esteve envolvido no estudo. "Isso abre um novo potencial para a detecção de terremotos".
Os cabos de fibra óptica têm algumas vantagens sobre os sismógrafos mais usados ​​atualmente para monitorar terremotos hoje, diz Nathaniel Lindsey, principal autor do novo estudo e estudante de pós-graduação da Universidade da Califórnia, em Berkeley. "Um sismógrafo fica na terra em um local e registra o movimento do solo apenas nesse ponto", diz Lindsey. “Também estamos limitados em onde podemos instalar sismômetros; por exemplo, é caro e desafiador colocar sismômetros em áreas urbanas ou longe da costa ”.

Existem mais de 160.000 quilômetros de cabos de fibra óptica de longa distância nos Estados Unidos, mas apenas parte dessa rede é usada para telecomunicações; a porção não utilizada, chamada “fibra escura”, é o que pesquisadores como Lindsey pretendem usar para detectar terremotos. “Podemos gravar o movimento de um cabo de fibra ótica enterrado em praticamente todos os pontos ao longo dele por dezenas de quilômetros”, diz Lindsey, o que poderia permitir essa abordagem - chamada de sensor acústico distribuído, ou DAS - para produzir dados sísmicos de alta resolução.
O DAS envolve conectar uma unidade de “interrogador” de laser a uma extremidade de um cabo de fibra ótica enterrado. O interrogador - mais ou menos do tamanho de uma torre de computador de mesa - dispara pulsos de luz laser no cabo e monitora fótons de dispersão, as porções dessa luz refletidas de volta para a fonte de diferentes pontos ao longo do cabo. Qualquer esticamento ou flexão do cabo, devido às vibrações do solo de um caminhão que passa ou a um terremoto, por exemplo, altera o caminho dos fótons de retroespalhamento. Ao medir essas mudanças, os pesquisadores podem juntar informações sobre a deformação nos segmentos do cabo ao longo do tempo e quantificar a velocidade e a direção das ondas sísmicas responsáveis.

 

Terremotos

Marcus V. Cabral

A crosta terrestre é formada por placas rígidas (placas litosféricas) que se deslocam em diferentes direções, como se flutuassem sobre o manto, que é uma porção da Terra de consistência plástica. Esse movimento é vagaroso, apenas alguns centímetros por ano. Mas, as placas são massas colossais e quando duas delas se encontram, começa a haver uma  compressão.  Em dado instante, a tensão acumulada é tão grande que supera a resistência das rochas e ocorre uma ruptura, chamada falha geológica. Nesse momento, ocorre o terremoto.
Na região onde duas placas estão se afastando, também ocorre tensão, só que de distensão, não de compressão.

A quase totalidade da atividade sísmica do planeta ocorre em limites de placas litosféricas, com terremotos interplacas. Os mapas que mostram a localização dos epicentros deixam bem clara a grande concentração dos sismos, por exemplo, nos bordos da placa do Pacífico. Nada menos de 75% da energia liberada por terremotos ocorre naquela região do globo, conhecida por Cinturão de Fogo do Pacífico, porque os terremotos são ali acompanhados de vulcanismo.

Mas, embora menos freqüentes, pode haver terremotos também dentro de uma placa (terremotos intraplaca). Eles são em geral de pequena intensidade quando comparados com os de bordo de placa. Como o Brasil está na Placa Sul-Americana e esta se choca com outra placa na região da Cordilheira dos Andes, fora do nosso território, estamos livres de terremotos muito fortes, registrando apenas os intraplaca. Mas, isso não significa que aqui ocorrem apenas acomodações de camadas, como se pensava até a década de 70 do século passado.
Os sismos intraplaca são rasos (até 30-40 km de profundidade), e de magnitudes baixas a moderadas.
O ponto no interior da crosta onde se inicia a ruptura e a conseqüente liberação da tensão acumulada chama-se hipocentro (ou foco). O ponto da superfície terrestre imediatamente acima do hipocentro é o epicentro. Este é o que mais interessa à população atingida pelo terremoto, pois ele é uma cidade, um povoado, ou um ponto a uma certa distância de um local conhecido, e não um ponto perdido no interior da crosta.
Quando um terremoto é de baixa intensidade, chama-se de abalo sísmico ou tremor de terra. Mas, a origem e a natureza são exatamente as mesmas, diferindo apenas a extensão da área de ruptura.
O terremoto provoca o surgimento de ondas sísmicas, que se propagam em todas as direções. Elas são de dois tipos, as ondas primárias (ondas P) e as ondas secundárias (ondas S).
As ondas primárias são longitudinais, isso e, vibram na mesma direção em que se propagam. As ondas secundárias são transversais, pois vibram em direção perpendicular As ondas primárias são mais velozes e provocam deformações de compressão e dilatação. As secundárias, mais lentas, provocam deformações tangenciais, também chamadas de cisalhamento.
O som provocado pelo terremoto e propagado pelo ar é transmitido através de ondas do tipo P.  Nos líquidos, também, pois as ondas S só se propagam em meio sólido.
Vimos que a velocidade das ondas primárias é maior que a das ondas secundárias. Mas, é importante saber que quanto maior a densidade da rocha, maior a velocidade das ondas sísmicas.

Como se medem os terremotos
O tamanho relativo dos sismos é chamado de magnitude. Ela é medida usando-se a chamada Escala Richter, criada em 1935, por Charles Richter. Essa escala é logarítmica, ou seja, de um grau para o grau seguinte a diferença na amplitude das vibrações é de dez vezes. E a diferença da quantidade de energia liberada é de 30 vezes. Isso significa que um terremoto de magnitude 6 tem vibrações dez vezes menores que um terremoto de magnitude 7 e cem vezes menores que um cuja magnitude é 8.
A mídia costuma afirmar que a Escala Richter vai até 9, mas isso está errado. É verdade que nunca se registrou um terremoto de 10 graus, mas o fato é que a escala não tem limite, nem superior, nem inferior. Um abalo muito fraco pode inclusive ter magnitude negativa, pois a escala apenas compara os terremotos entre si.
Modernamente, usa-se também uma outra escala, que é absoluta e não relativa como a Richter. Ela baseia-se no chamado momento sísmico. De acordo com ela, o maior terremoto já registrado foi um que atingiu o sul do Chile em 1960.
Para se ter uma idéia mais exata do que representa um terremoto muito forte, se ele atingir magnitude 9 na Escala Richter, provocará uma rachadura que cortará a crosta terrestre numa distância igual à que separa o Rio de Janeiro de São Paulo, com cada bloco se afastando 10 m em relação ao outro.
Em 90% dos casos, a magnitude de um terremoto não passa de 7,0 graus.
Uma outra maneira de medir os terremotos e avaliando os efeitos que eles causam em determinado lugar. Para isso, usa-se a Escala Mercalli Modificada.
A Escala Mercalli não se baseia em medições feitas com instrumentos, mas sim na avaliação visual do efeito causado pelo terremoto em objetos e construções e sobre as pessoas.
Quando se passa de um grau dessa escala para o grau seguinte, a aceleração do solo aumenta aproximadamente o dobro.
Essa escala é menos precisa que a Escala Richter, porque usa conceitos como poucas pessoas e muitas pessoas, sem definir um número exato. Mas, por outro lado, é importante para se avaliar um terremoto ocorrido há muito tempo, numa época em que não havia estações sismográficas.

Terremotos no Brasil
Embora se situe no interior de uma placa litosférica e, portanto, em área tectonicamente estável, o Brasil tem uma atividade sísmica que não pode ser ignorada.

A Escala Mercalli

Grau	Descrição dos Efeitos
I	Não sentido. Leves efeitos de período longo de terremotos grandes e distantes.
II	Sentido por poucas pessoas paradas, em andores superiores ou locais favoráveis.
III	Sentido dentro de caso. Alguns objetos pendurados oscilam. Vibração parecida à do passagem de um caminhão leve. Duração estimado. Pode não ser reconhecido com um abalo sismico.
IV	Objetos suspensos oscilam. Vibração parecida o da passagem de um caminhão pesado. Janelas, louças, portas fazem barulho. Paredes e estruturas de madeiro rangem.
V	Sentido fora de casa; direção estimada. Pessoas acordam. Liquido em recipiente é perturbado. Objetos pequenos e instáveis são deslocados. Portas oscilam, fecham, abrem.
VI	Sentido por todos. Muitos se assustam e saem às ruas. Pessoas andam sem firmeza Janelas, 1ouças quebrados. Objetos e livros caem de prateleiras. Reboco fraco e construção de má qualidade racham.
VII	Difícil manter-se em pé. Objetos suspensos vibram. Móveis quebram. Danos em construção de má qualidade, algumas trincas em construção normal. Queda de reboco, ladrilhos ou tifojolos mal assentados, telhas. Ondas em piscinas. Pequenos escorregamentos de barrancos arenosos.
VIII	Danos em construções normais com colapso parcial. Algum dano em construções reforçadas. Queda de estuque e alguris muros de alvenaria. Queda de chaminés, monumentos, torres e caixas d’água, Galhos quebram-se das árvores. Trincas no chão.
IX	Pânico geral. Construções comuns bastante danificadas, às vezes colapso total. Danos em construções reforçadas. Tubulação subterrãnea quebrada. Rachaduras visíveis no solo.
X	Maioria das construções destruidos até nas fundações. Danos sérios a barragens e diques. Grandes escorregamentos de terra. Água jogada nas margens de rios e canais, Trilhos levemente entortados.
XI	Trilhos bastante entortados. Tubulaçôes subterrâneas completamente destruidos.
XII	Destruição quase total. Grandes blocos do racha deslocados. Linhas de visada e níveis alterados. Objetos atirados ao ar.

Fonte: Assunção & Dias Neto, 2000 (modificado)


O maior terremoto registrado no nosso país ocorreu em 1955 e teve seu epicentro 370 km ao norte de Cuiabá (MT).  A magnitude atingiu 6,2 graus na Escala Richter.
Em 1980, houve outro terremoto, com magnitude 5,2, sentido em praticamente todo o Nordeste. Este provocou o desabamento parcial de algumas casas em Pacajus (CE).
Em 8 de junho de 1994, a cidade de Porto Alegre (RS) foi atingida pelas ondas sísmicas provocadas por um terremoto que ocorreu na Bolívia, a 2.200 km de distância. O abalo, que atingiu 7,8 graus na escala Richter, foi mais forte que aquele ocorrido nos Estados Unidos em janeiro daquele ano, e que, com uma magnitude de 6,6 graus, destruiu diversos bairros de Los Angeles. O terremoto da Bolívia, porém, teve consequências bem menos sérias porque seu hipocentro situou-se a grande profundidade, 600 km abaixo da superfície.
Em Porto Alegre, ele foi sentido por algumas pessoas; fez sacudir lustres e objetos suspensos; fez vibrar móveis nos andares mais altos de alguns edifícios; fez girar ventiladores que estavam desligados.
Esses sinais permitem dizer que ele teve uma intensidade IV na escala de Mercalli, sendo por isso classificado como moderado.
Esse terremoto levou 5min 38 s para ser sentido em Porto Alegre, tempo que as ondas sísmicas, viajando a 6,5 km/s, levaram para percorrer os 2.200 km que separam a capital  gaúcha do seu epicentro.
Em nosso país, ocorrem a cada ano, em média, 20 sismos de magnitude maior que 3,0 e dois com magnitude maior que 4,0. Isso confirma uma descoberta de Charles Richter: um  aumento de um grau na magnitude, diminui em cerca de dez vezes a quantidade de terremotos, seja em que região do mundo for.
No Brasil, terremotos com magnitude maior que 7,0 devem ocorrer uma vez a cada 500 anos; no Chile, isso ocorre a cada 3 anos.
A primeira vítima de terremoto no Brasil foi a menina Jesiane Oliveira da Silva, de 5 anos. Um terremoto de 4,9 pontos na escala Richter que atingiu o vilarejo de Caraíbas, em Itacarambi (MG), em 9 de setembro de 2007, avariou todas as 75 construções da comunidade e destruiu seis delas. Em uma destas seis, estava Jesiane. Outras seis pessoas ficaram feridas, duas em estado grave. Uma delas era a irmã gêmea da menina, que estava com ela na mesma cama.

Terremotos provocados pela atividade humana
Por estranho que pareça, há terremotos que são provocados pela atividade humana.  Eles são chamados de sismos induzidos e surgem em decorrência de explosões nucleares, introdução de água e gás sob pressão no subsolo, construção de barragens, mineração a céu aberto de grandes proporções ou extração de fluidos, como petróleo, do subsolo.
De todas essas causas, a única que tem provocado sismos de magnitude considerável é a construção de barragens, mais precisamente, o enchimento do lago, pelo enorme peso que passa a existir no local. O maior desses sismos ocorreu na Índia, em 1967, na barragem de Koyna. Ele atingiu magnitude 6,3 e provocou 200 mortes.
No Brasil, o primeiro sismo induzido de que se tem notícia ocorreu na Hidroelétrica de Capivari-Cachoeira, a nordeste de Curitiba (PR), entre 1971 e 1972. A atividade sísmica continuou até 1979, mas cada vez menos intensa.
Em terremotos desse tipo, é fácil entender, o risco maior é o de afetar a estrutura da própria barragem, pois ela se encontra no epicentro do abalo.
No dia 7 de setembro de 2001, um milhão de crianças do Reino Unido pularamnos pátios de suas escolas ao mesmo tempo para tentar provocar um terremoto. A iniciativa foi do governo britânico, como parte das atividades do Ano da Ciência, que teve por objetivo despertar o interesse pela ciência em crianças e jovens de 10 a 19 anos de idade.
O resultado não foi além de um ligeiro rabisco nos sismógrafos, mas foi aceito pelo Guiness – O Livros dos Recordes como o maior salto simultâneo da história.

O registro dos terremotos
Os terremotos são registrados e estudados nas estações sismográficas.
Nelas, aparelhos chamados sismômetros medem os terremotos e outros, chamados sismógrafos, registram seus efeitos numa folha de papel. Esse registro é chamado de sismograma.
O sismograma é desenhado por uma agulha que se apóia sobre um papel, o qual, por sua vez, envolve um cilindro giratório.  À medida que o cilindro vai girando, a agulha vai desenhando o sismograma, através de movimentos em zigue-zague. Quando não há atividade sísmica, a linha é praticamente reta. Quando os abalos surgem, a agulha começa a dar saltos, movendo-se  horizontalmente.

TERREMOTOS TERRÍVEIS Todo terremoto de grande magnitude é apavorante quando atinge áreas povoadas. Isso é cada vez mais comum, porque a humanidade constantemente ocupa espaços vazios na superfície da Terra. Entre os maiores terremotos que a humanidade enfrentou estão os seguintes: 23.01.1556 – Shensi China – magnitude ignorada - o maior número de mortos: 830.000 01.11.1755 – Lisboa, Portugal – 8,7 graus - O maior terremoto em crosta oceânica. Causou um tsunami devastador e foi seguido de enormes incêndios. 22.05.1960 – Sul do Chile – 8,5 graus - O terremoto de maior magnitude do século XX (9,7 graus se medida com base no momento sísmico). 04.02.1875 – Liaoning, China – 7,2 graus - único grande terremoto previsto com sucesso. Teve poucos mortos. 28.06.1992 – Landers, Califórnia, EUA – 7,5 graus – Causou uma ruptura na superfície de 70 km. 16.01.1995 – Kobe, Japão – 6,9 graus – 100.000 prédios destruídos.

Terremotos no Brasil
O Brasil é tido como um país livre de terremotos, o que não impede que alguns deles sejam sentidos aqui. No dia 8 de junho de 1994, por exemplo, a cidade de Porto Alegre (RS) foi atingida pelas ondas sísmicas provocadas por um terremoto que ocorreu na Bolívia, a 2.200 km de distância.
O abalo, que atingiu 7,8 graus na escala Richter, foi mais forte que aquele ocorrido nos Estados Unidos em janeiro daquele ano, e que, com uma magnitude de 6,6 graus, destruiu diversos bairros de Los Angeles. O terremoto da Bolívia, porém, teve conseqüências bem menos sérias porque seu hipocentro (local no interior da Terra onde ele ocorre) situou-se a grande profundidade, 600 km abaixo da superfície.
Em 90% dos casos, a magnitude de um terremoto não passa de 7,0 graus. Deve-se lembrar que a Escala Richter é uma escala logarítmica. Isso significa que a magnitude 7 é dez vezes maior que a 6,0, cem vezes maior que a 5,0, mil vezes maior que a 4,0, etc. Essa escala avalia os terremotos de acordo com a energia liberada ou, mais precisamente, de acordo com a amplitude das ondas sísmicas que eles provocam. Em áreas urbanas, como Porto Alegre, a importância do terremoto é avaliada de modo mais apropriado com a escala de Mercalli, que classifica os sismos conforme os efeitos que provocam sobre a população e as edificações. O sismo de 8 de junho foi sentido desde o Canadá até a Argentina.
Em Porto Alegre, ele:

• foi sentido por algumas pessoas;
• fez sacudir lustres e objetos suspensos;
• fez vibrar móveis nos andares mais altos de alguns edifícios;
• fez girar ventiladores que estavam desligados.

Esses sinais permitem dizer que ele teve uma intensidade IV na escala de Mercalli, que varia de I a XII, sendo por isso classificado como moderado.
A escala Richter, ao contrário da escala de Mercalli, não tem um limite definido. A imprensa costuma informar equivocadamente que ela vai de 1 a 9 porque nunca se registrou um terremoto com magnitude 9,0.
O terremoto boliviano de 8 de junho de 1994 levou 5min 38s para ser sentido em Porto Alegre. Este foi o tempo em que as ondas sísmicas, viajando a 6,5 km/s, levaram para percorrer os 2.200 km que nos separam do seu epicentro (ponto da superfície situado exatamente acima do hipocentro).

Origem dos terremotos
A crosta terrestre, camada rígida e mais superficial da Terra, está dividida em blocos, chamados placas tectônicas. Essas placas movem-se muito lentamente (alguns centímetros por ano) e podem se chocar umas contra as outras. Daí surgem os terremotos. A América do Sul é uma dessas placas e desloca-se para Oeste. Neste movimento, afasta-se da placa onde está a África (à qual já esteve unida no passado) e choca-se contra a placa de Nazca, que forma uma parte do fundo do oceano Pacífico. Desses choques, surgiu a cordilheira dos Andes, um amarrotamento da crosta terrestre. Isso explica por que ocorrem fortes terremotos nos países andinos, mas apenas abalos pouco intensos no Brasil.

Sismógrafos e sismogramas
Os terremotos são registrados e estudados nas estações sismográficas. Em Porto Alegre, encontra-se a única dessas estações existentes na Região Sul do Brasil, pertencendo à Universidade Federal do Rio Grande do Sul e coordenada pelo Prof. Antônio Flávio Uberti Costa, que até recentemente trabalhou na CPRM.

Nas estações sismográficas, aparelhos chamados sismômetros medem os terremotos e outros, chamados sismógrafos, registram seus efeitos numa folha de papel. Esse registro é chamado de sismograma.
O sismograma é desenhado por uma agulha que se apóia sobre um papel, o qual, por sua vez, envolve um cilindro giratório. À medida que o cilindro vai girando, a agulha vai desenhando o sismograma, através de movimentos em zigue-zague. Quando não há atividade sísmica (abalos), a linha é praticamente reta. Quando os abalos surgem, a agulha começa a dar saltos, movendo-se horizontalmente.

Fontes
ASSUMPÇÃO, Marcelo & DIAS NETO, Coriolano M.  Sismicidade e estrutura interna da Terra.  In: TEIXEIRA, Wilson et al. org.
Decifrando a Terra.  São Paulo:  Oficina de Textos,  2000.  568p.  il.  p. 43-62.