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Forschung per Glasfaserkabel : Lichtblicke für die Erdbebenforschung

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Für die Erforschung untermeerischer Erdbeben kündigt sich eine Revolution an: Glasfaserkabel (hier künstlerisch illustriert) könnten Seismometer ersetzen. Bild: dpa

Daran, wie Erdbebenforscher die Bewegung des Erdbodens aufzeichnen, hat sich in den vergangenen hundert Jahren wenig verändert. Nun könnte eine neue Technologie Teile der Seismologie revolutionieren.

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          Die genaue Messung der von seismischen Wellen verursachten Bodenerschütterungen ist physikalisch alles andere als einfach. Weil sich bei einem Erdbeben die Erdkruste großräumig bewegt, fehlt es in der Regel an einem für präzise Messungen üblichen, festen Referenzsystem. Deshalb kommt in der Seismologie auch heute noch ein vor mehr als hundert Jahren entwickeltes Messverfahren zum Einsatz. Dabei wird die wahre Bodenbewegung berechnet, indem die Reaktion einer trägen Masse auf die von einer seismischen Welle ausgelöste Bodenschwingung ermittelt wird.

          Während beispielsweise die trägen Massen in den vom Göttinger Geophysiker Emil Wiechert zu Anfang des vorigen Jahrhunderts entwickelten Seismographen noch bis zu mehreren Tonnen wogen, kommen heutige Seismometer mit Massen von nur wenigen Dutzend Gramm aus. Doch trotz Miniaturisierung, moderner Aufnehmer und elektronischer Rückkopplung ist das seismologische Messprinzip seither weitgehend gleich geblieben. Das scheint sich aber nun grundlegend zu ändern. Offenbar sind nämlich die heute zur Übertragung von Daten, Fernsehbildern oder Telefongesprächen fast überall eingesetzten Glasfaserkabel äußerst empfindliche Seismometer.

          Glasfaser als Bewegungsdetektor

          Diese auf den ersten Blick eigentümlich anmutende Eigenschaft von Lichtleitern wurde vor einigen Jahren von Mitarbeitern von Ölexplorationsunternehmen entdeckt. Sie benutzten ein Glasfaserkabel, um die von Geophonen erfassten seismischen Messdaten aus einem Bohrloch an die Erdoberfläche zu übertragen. Dabei stellten sie fest, dass der Lichtleiter selbst auf die Erschütterungen des Bodens reagierte. Mittlerweile ist die physikalische Ursache für dieses Verhalten bekannt. Die Glasfaser wird nämlich mechanisch von den seismischen Bodenbewegungen leicht gestreckt, zusammengedrückt oder verformt. Diese kleinsten Bewegungen machen auch jene Verunreinigungen mit, die trotz aller Sorgfalt bei der Herstellung in jedem Lichtleiter enthalten sind. Strahlt man einen Laser in das Kabel, so führen diese Bewegungen der im Kabel enthaltenen Partikeln zu Variationen bei der Streuung des Laserlichtes. Sie gehen rhythmisch mit der seismischen Bodenbewegung einher und können mit interferometrischen Methoden gemessen werden.

          Forscher bei der Bergung eines Seismometers vor Hawaii.
          Forscher bei der Bergung eines Seismometers vor Hawaii. : Bild: Horst Rademacher

          Mittlerweile untersuchen Erdbebenkundler an mehreren Forschungseinrichtungen, darunter auch an der Eidgenössischen Technischen Hochschule in Zürich und an der Universität im kalifornischen Berkeley, ob sich diese Eigenschaft der Glasfaserkabel zuverlässig für seismologische Messungen einsetzen lässt. Eine internationale Forschergruppe um Philippe Jousset und Thomas Reinsch vom Geoforschungszentrum (GFZ) in Potsdam hat nun eine umfangreiche Studie vorgelegt, in der seismische Aufzeichnungen in einem Lichtleiter mit den von herkömmlichen Seismometernetzen erfassten Messungen verglichen werden. Die Gruppe benutzte dazu ein 15 Kilometer langes Glasfaserkabel, das seit 1994 Teil des isländischen Telekommunikationsnetzes ist.

          Neue Entdeckungen mit neuer Technologie

          Wie die Forscher jetzt in „Nature Communications“ schreiben, stellte sich dabei heraus, dass mit diesem Kabel seismische Wellen und die von Vulkanen ausgehenden Bodenerschütterungen über einen breiten Frequenzbereich ebenso zuverlässig wie mit herkömmlichen Seismometern gemessen werden konnten. Dabei hat der Lichtleiter zusätzlich noch einen gewaltigen Vorteil. Mit den klassischen Seismometern können nur jene Bodenerschütterungen erfasst werden, die genau am Aufstellungsort des Messinstrumentes auftreten. Ein Glasfaserkabel wird aber auf seiner gesamten Länge von den seismischen Wellen verformt. Das Kabel in Island agierte demnach wie ein 15 Kilometer langes, kontinuierliches Seismometer. Deshalb konnten die Forscher bei der genauen Auswertung der mit dem Lichtleiter gemessenen Bodenbewegungen sogar neue Erdbebenverwerfungen und bisher unbekannte vulkanische Gänge entdecken.

          Welche Möglichkeiten in dieser neuen seismischen Messtechnik stecken, erläuterte unabhängig von den GFZ-Mitarbeitern eine britisch-italienische Forschergruppe um Giuseppe Marra vom englischen National Physical Laboratory in Teddington jetzt in „Science“. Nach ihrer Meinung könnte diese Technik vor allem die Untersuchung von untermeerischen Erdbeben regelrecht revolutionieren. Gegenwärtig gibt es nämlich nur sehr wenige der extrem teuren und technisch äußerst komplexen Ozeanbodenseismometer. Dafür sind aber heutzutage mehr als eine Million Kilometer Glasfaserkabel auf dem Boden der Weltmeere verlegt, und jährlich kommen mehr als 100 000 Kilometer hinzu.

          Selbst wenn nur ein kleiner Teil dieser Lichtleiter für die Erdbebenkunde genutzt werden könnte, würden sich viele der bisherigen weißen Flecken auf der seismischen Landkarte füllen lassen. Marras Gruppe zeichnete sowohl mit an Land verlegten Lichtleitern als auch mit zwischen Sizilien und Malta installierten Unterseekabeln zahlreiche Erdbeben zuverlässig auf.

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