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Überwachung des Ätna mit Glasfaserkabeln

Montage des DAS-Kabels in einem flachen Graben. Gipfel des Ätna im Hintergrund (Foto: M. Weber, GFZ).
Aschesäule einer Explosion am Nordostkrater des Ätna, aufgenommen aus dem Einsatzgebiet des DAS-Gerätes (Foto: M. Weber, GFZ).

Ein Team von Vulkanologen des Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia (INGV) Catania und des GFZ hat ein 1,5 km langes Glasfaserkabel am italienischen Vulkan Ätna installiert. Das Einsatzgebiet liegt auf 2.800 m Höhe, ca. 550 m unter dem Gipfel des größten europäischen Vulkans.

Das Ziel unseres Experiments ist es, faseroptische Messungen als ergänzende und alternative Methode zur Überwachung der vulkanischen Aktivität des Ätna zu testen“ sagt Philippe Jousset vom Deutschen GeoForschungsZentrum GFZ. Die Daten aus dem Glasfaserkabel werden von einem DAS Silixa Ltd-Gerät (Distributed Acoustic Sensors) erfasst, das am Pizzi Deneri Observatorium nahe dem Gipfel des Ätna installiert wurde. Der Einsatz der Instrumente begann am 1. Juli 2019 und dauert bis Mitte September 2019, so dass eine kontinuierliche Aufzeichnung der Vulkanaktivität des Ätna möglich ist. „Dies ist nach unserem Kenntnisstand das erste Projekt mit modernster Glasfasertechnologie an einem aktiven Vulkan mit einer beispiellosen räumlichen Auflösung“ sagt Jousset.

Die Technik ermöglicht die Erkennung, Lokalisierung und Quantifizierung von Spannungen, die durch geophysikalische Prozesse entlang des Kabels erzeugt werden, und ermöglicht sowohl die Entdeckung unbekannter unterirdischer Strukturen und ihrer dynamischen Prozesse, als auch die Überwachung seismischer und vulkanischer Aktivitäten bei hoher räumlicher (2 m) und zeitlicher Auflösung (1000 Hz). Zur Validierung von DAS-Messungen werden zugleich 30 Breitband-Seismometer und 3 Infraschall-Arrays aus dem Geophysikalischen Gerätepool Potsdam (GIPP) eingesetzt.

Originalstudie: Jousset, P., Reinsch, T., Ryberg, T., Blanck, H., Clarke, A., Aghayev, R., Hersir, G. P., Henninges, J., Weber, M., Krawczyk, C. (2018): Dynamic strain determination using fibre-optic cables allows imaging of seismological and structural features. Nature Communications, 9, 2509. DOI: doi.org/10.1038/s41467-018-04860-y

Autoren: P. Jousset (GFZ, Potsdam, Deutschland), G. Currenti (INGV, Catania, Italien), V. Parra (U. Jean Monnet, St. Etienne, Frankreich), M. Weber, C. Krawczyk T. Reinsch, Ch. Cunow (GFZ, Potsdam, Deutschland).

Wissenschaftlicher Kontakt:
Dr. Philippe Jousset
Helmholtz-Zentrum Potsdam
Deutsches GeoForschungsZentrum GFZ
Telegrafenberg
14473 Potsdam
Tel.: (+49) 0331/288-1299
E-Mail: philippe.jousset@gfz-potsdam.de

 

Finanzierung des Projekts:
Projekt INFRADAS (Expeditionsgeld GFZ) und Projekt FAME, vergeben im Rahmen des EUROVOLC-Projekts der EG (finanziert unter: H2020-EU.1.4.1.2, Projekt-ID: 731070).

Weitere Informationen:
Wenn ein Laserimpuls in eine Glasfaser eingebracht wird, wird ein Teil des Lichts aufgrund der zufälligen Inhomogenitätsverteilung im Glasfasermaterial elastisch gestreut (Rayleigh-Streuung). Die Position der streuenden Inhomogenität innerhalb der Faser kann basierend auf der Lichtgeschwindigkeit innerhalb der Faser berechnet werden (Optical Time Domain Reflectometry, OTDR). Wird ein kohärenter Laserpuls bei entsprechender optischer Verarbeitung in die Faser eingebracht, kann nicht nur die Amplitude, sondern auch die Phase der rückgestreuten Photonen analysiert werden (phase-OTDR). Für jeden Abschnitt der Faser ist die Phasendifferenz der an beiden Enden dieses Abschnitts gestreuten Photonen linear mit der Länge dieses Abschnitts verbunden. Modernste DAS-Systeme sind in der Lage, Frequenz, Amplitude, Phase und Lage dynamischer Störungen entlang der Sensorfaser zu quantifizieren. In einfachen Worten: Winzigste Änderungen der Länge des Kabels oder Formveränderungen ermöglichen es den Forschenden, Bewegungen des Bodens oder Erschütterungen im Untergrund aufzuzeichnen.

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