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Towards urban-scale natural hazard analysis using fibre-optic telecom networks

English title Towards urban-scale natural hazard analysis using fibre-optic telecom networks
Applicant Fichtner Andreas
Number 190837
Funding scheme Spark
Research institution Institut für Geophysik ETH Zürich
Institution of higher education ETH Zurich - ETHZ
Main discipline Geophysics
Start/End 01.12.2019 - 30.11.2020
Approved amount 99'141.00
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Keywords (5)

Seismic Noise; Seismic Tomography; Distributed Acoustic Sensing; Natural Hazards; Seismology

Lay Summary (German)

Lead
Optische Messungen von Bodenbewegung zur verbesserten Abschätzung seismischer Gefährdung
Lay summary

Glasfasern sind ein zentrales Element unserer modernen Telekommunikationstechnologie. Kurze Laserpulse transmittieren enorme Datenmengen. Doch auf ihrem Weg von Sender zu Empfänger sammeln sie auch Informationen über die Glasfaser selbst. In der Tat, mikroskopische Verschiebungen der Faser verändern die Form der Laserpulse - ein Effekt, der mit modernen Interferometern messbar geworden ist.

Diese noch in der Entwicklung befindliche Technologie, auch als Distributed Acoustic Sensing (DAS) bekannt, erlaubt es nun, Bodenbewegungen zu registrieren, die von einem breiten Spektrum von Quellen erzeugt werden - zum Beispiel Erdbeben oder Hangrutsche. Folglich bieten existierende Telekommunikationsnetzwerke die Möglichkeit, Naturgefahren in städtischen Ballungsräumen besser abzuschätzen oder gar zu verringern.

Um diese Möglichkeiten besser zu erforschen, unternehmen wir, gemeinsam mit der Telekommunikationsfirma SWITCH ein Pilotexperiment in der schweizer Hauptstadt Bern. Ein insgesamt 6 km langes Glasfaserkabel, welches die Stadt durchzieht, misst die Bodenbewegung alle 5 Meter, in Echtzeit, nahezu 1000 mal pro Sekunde. Die gemessene Bodenbewegung wird grösstenteils von Verkehr, industriellen Installationen und Baustellen verursacht.

Auch wenn die Amplitude dieser Signale natürlich viel geringer ist, als die durch grosse Erdbeben erzeugte, so erlauben uns diese neuen Daten doch, die Struktur des Untergrundes sehr genau abzubilden. Dies ist essentiell, um die Bodenbewegung potentieller Erdbeben in der Zukunft genau abschätzen zu können. Im Falle eines erfolgreichen Experiments planen wir, dies auf seismisch stark gefährdete urbane Zentren wie Athen oder Istanbul zu übertragen.

Direct link to Lay Summary Last update: 01.12.2019

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Name Institute

Publications

Publication
Urban Distributed Acoustic Sensing Using In-Situ Fibre Beneath Bern, Switzerland
SmolinskiKrystyna, BowdenDaniel, PaitzPatrick, FichtnerAndreas (2020), Urban Distributed Acoustic Sensing Using In-Situ Fibre Beneath Bern, Switzerland, in EGU General Assembly 2020, EGU General Assembly 2020, Wien.

Collaboration

Group / person Country
Types of collaboration
Schweizer Erdbebendienst Switzerland (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
SWITCH Foundation Switzerland (Europe)
- Research Infrastructure
- Industry/business/other use-inspired collaboration

Scientific events

Active participation

Title Type of contribution Title of article or contribution Date Place Persons involved
AGU Fall Meeting Talk given at a conference Towards urban DAS for seismic hazard 07.12.2020 San Francisco (virtuell), United States of America Fichtner Andreas; Bowden Daniel;


Abstract

The understanding and mitigation of diverse natural hazards such as earthquake-induced ground motion, volcanic activity, and ground-water depletion, critically depend on detailed knowledge of the Earth's 3-D structure in the upper 10 - 1'000 m. However, our ability to image the shallow subsurface with sufficiently high resolution is strongly limited by the sparsity of seismic sensors in densely populated areas. Therefore, we aim to conduct fundamental research using a new fibre-optics-based measurement technology known as Distributed Acoustic Sensing (DAS), which has the potential to greatly improve effective seismic station coverage. Specifically, we propose a high-risk pilot experiment where we plan to use existing telecom cables beneath several Swiss cities in order to record and analyse seismic waves excited primarily by human activity.The innovation and unconventionality of this project largely derive from the unprecedented combination of methods, some of which are themselves still in their infancy: (1) the simultaneous operation of multiple DAS interrogators in telecom networks, to maximise coverage of densely populated areas, (2) seismic interferometry using DAS-recorded anthropogenic noise, and (3) noise tomography that accounts for spatio-temporally noise variable sources.This pilot project can have substantial socio-economic impact by stimulating larger-scale research into DAS-based imaging technologies for natural hazard analysis. Subsurface imaging and monitoring with telecom networks in densely populated areas could improve seismic building codes and earthquake preparedness, the anticipation of slope instabilities, the understanding and management of ground water depletion, or the prediction of volcanic eruptions near urban centres. DAS-based urban seismology would be especially beneficial for developing countries that tend to be more exposed to natural hazards, while having less economic resources for the deployment and maintenance of traditional seismic sensor arrays.
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