Des millions de sismographes potentiels à notre portée grâce à la fibre optique

Imaginez des milliers de kilomètres de fibres optiques parcourant un état américain, capable non seulement de transmettre des données à des millions de foyers et d’entreprises, mais également de jouer un rôle crucial dans l’analyse des séismes. Dans un nouvelle étude, la Californie, un territoire qui se dresse sur la très active faille de San Andreas, envisage de mettre cette technologie à profit.

Des chercheurs du California Institute of Technology ont récemment démontré qu’une section de câble à fibre optique peut être employée pour analyser les détails d’un séisme de magnitude 6. Grâce à cette technologie, ils ont réussi à déterminer le moment et le lieu de quatre zones ‘coincées’ individuelles sur la faille – connues sous le nom d’aspérités – qui ont conduit à la rupture.

Le professeur de géophysique Zhongwen Zhan et son équipe s’efforcent depuis des années de recycler les câbles à fibre optique en sismographes grâce à une méthode appelée détection acoustique distribuée. Leur récente étude, basée sur l’analyse d’un séisme de 2021 à l’aide de seulement 100 km de câble, suggère que l’accès à davantage de câbles pourrait permettre une compréhension plus approfondie de la physique des séismes et contribuer à l’amélioration des systèmes d’alerte précoce.

« Si nous parvenons à étendre la couverture pour mesurer l’activité sismique, nous pouvons améliorer significativement notre étude des tremblements de terre et fournir des avertissements plus préventifs« , précise Zhongwen Zhan. « Bien que nous ne puissions prédire les tremblements de terre, la détection acoustique distribuée permettra une meilleure compréhension des détails sous-jacents au processus de rupture terrestre.« 

Des millions de sismographes potentiels à notre portée

Actuellement, la Californie du Sud compte environ 500 sismomètres répartis sur une superficie de 146 000 km², chaque unité coûtant jusqu’à 50 000 dollars. En utilisant les câbles à fibre optique, nous pourrions obtenir l’équivalent de l’implantation de millions de sismomètres sur l’ensemble de l’État.

Ce principe fonctionne ainsi : des émetteurs laser sont placés à une extrémité du câble, projetant des faisceaux de lumière à travers les fines fibres de verre qui composent le cœur du câble. De minuscules imperfections dans le verre renvoient une petite quantité de lumière vers la source, où elle est enregistrée. Chaque imperfection agit donc comme un point de repère traçable le long du câble.

Les câbles, généralement enfouis juste sous la surface du sol, se déplacent légèrement lorsqu’une onde sismique frappe durant un tremblement de terre. Cela modifie le temps de réflexion de chaque faisceau lumineux par rapport à chaque imperfection du câble. Par conséquent, chaque petit défaut agit comme un sismomètre individuel.

« L’utilisation des câbles à fibre optique comme une série de sismographes révèle des aspects de la physique des séismes qui étaient depuis longtemps supposés mais difficiles à visualiser« , conclut le professeur Zhan.

« Pour faire une analogie, imaginez votre télescope de jardin habituel. Vous pouvez voir Jupiter, mais probablement pas ses lunes ou aucun détail. Avec un télescope vraiment puissant, vous pouvez voir les détails fins des surfaces de la planète et des lunes. Notre technologie est comme un puissant télescope pour les tremblements de terre. »

En synthèse

Les chercheurs du California Institute of Technology font preuve d’une ingéniosité exceptionnelle en utilisant les câbles à fibre optique comme sismographes pour analyser les séismes. Ces câbles, autrefois considérés uniquement pour leur capacité à transmettre des données, pourraient désormais jouer un rôle déterminant dans notre compréhension de la physique des séismes et dans l’amélioration des systèmes d’alerte précoce.

Pour une meilleure compréhension

1. Qu’est-ce que la détection acoustique distribuée ?

La détection acoustique distribuée (DAD) est une méthode qui utilise les câbles à fibre optique pour détecter et analyser les vibrations acoustiques. Les impulsions lumineuses sont envoyées le long des fibres optiques et, grâce aux légères imperfections du câble, une partie de cette lumière est réfléchie. Les vibrations, comme celles causées par un tremblement de terre, modifient le temps que met cette lumière à être réfléchie, permettant ainsi de détecter et d’analyser ces vibrations.

2. Comment les câbles à fibre optique peuvent-ils être utilisés comme sismographes ?

Les câbles à fibre optique, une fois équipés d’émetteurs laser, peuvent être utilisés comme une série de sismographes. Les faisceaux de lumière sont projetés à travers les fibres de verre, et les imperfections dans le verre renvoient une petite quantité de lumière vers la source, où elle est enregistrée. Lorsqu’un séisme se produit, les câbles enfouis légèrement sous la surface du sol se déplacent, modifiant le temps qu’il faut pour que chaque faisceau de lumière soit réfléchi, permettant ainsi de détecter et d’analyser les vibrations sismiques.

3. Quels sont les avantages de l’utilisation de la fibre optique ?

Le principal avantage de l’utilisation de la fibre optique pour l’analyse des séismes est sa capacité à fournir des données plus détaillées et précises sur les séismes. Contrairement aux sismographes traditionnels, qui sont coûteux et espacés, les câbles à fibre optique permettent une couverture beaucoup plus large et dense. Cela pourrait conduire à une meilleure compréhension des tremblements de terre et à des systèmes d’alerte précoce améliorés.

4. Quelles sont les futures applications de cette technologie ?

Si les chercheurs peuvent obtenir un accès plus large à davantage de câbles, la détection acoustique distribuée pourrait révolutionner la façon dont nous étudions les tremblements de terre. Elle pourrait permettre une meilleure compréhension de la physique des séismes et contribuer à l’amélioration des systèmes d’alerte précoce. Par ailleurs, cette technologie pourrait être utilisée pour surveiller d’autres types de vibrations acoustiques, comme celles causées par le trafic ou l’activité industrielle.

L’étude a été publiée dans la revue Nature. L’article est intitulé « The break of earthquake asperities imaged by distributed acoustic sensing » (La rupture des aspérités des tremblements de terre imagée par la détection acoustique distribuée). Jiaxuan Li, chercheur associé postdoctoral en géophysique, est le premier auteur de l’étude. Outre Zhan, Li et Lapusta, les autres coauteurs sont Taeho Kim, étudiant diplômé, et Ettore Biondi, scientifique du DAS. Le financement a été assuré par la National Science Foundation.