Des scientifiques du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du ministère de l'Énergie ont montré pour la première fois que la fibre noire - le vaste réseau de câbles à fibres optiques inutilisés installés dans tout le pays et dans le monde - peut être utilisée comme capteur pour détecter les tremblements de terre, la présence d'eaux souterraines, changements dans les conditions du pergélisol, et une variété d'autres activités souterraines.

Dans une paire d'articles récemment publiés, une équipe dirigée par le chercheur du Berkeley Lab, Jonathan Ajo-Franklin, a annoncé avoir combiné avec succès une technologie appelée « détection acoustique distribuée, " qui mesure les ondes sismiques à l'aide de câbles à fibres optiques, avec de nouvelles techniques de traitement pour permettre une surveillance sismique fiable, obtenir des résultats comparables à ce que les sismomètres conventionnels peuvent mesurer.

"Cela a un potentiel énorme parce que vous pouvez imaginer de longues étendues de fibres transformées en un réseau sismique massif, " dit Shan Dou, un boursier postdoctoral de Berkeley Lab. "L'idée est qu'en utilisant des fibres qui peuvent être enterrées longtemps sous terre, nous pouvons transformer le bruit de la circulation ou d'autres vibrations ambiantes en signaux sismiques utilisables qui peuvent nous aider à surveiller les changements près de la surface tels que le dégel du pergélisol et les fluctuations du niveau des eaux souterraines. »

Dou est l'auteur principal de "Distributed Acoustic Sensing for Seismic Monitoring of the Near Surface:A Traffic-Noise Interferometry Case Study, " qui a été publié en septembre dans Nature's Rapports scientifiques et vérifié la technique de surveillance de la surface proche de la Terre. Plus récemment, Le groupe d'Ajo-Franklin a publié une étude de suivi dirigée par l'étudiant diplômé de l'UC Berkeley, Nate Lindsey, "Observations du réseau de fibres optiques des champs d'ondes sismiques, " dans Lettres de recherche géophysique (GRL) , ce qui démontre la viabilité de l'utilisation de câbles à fibres optiques pour la détection des tremblements de terre.

Qu'est-ce que la fibre noire ?

La fibre noire fait référence au câble à fibre optique non utilisé, dont il y a surabondance grâce à une énorme ruée vers l'installation du câble au début des années 1990 par les entreprises de télécommunications. Tout comme les câbles étaient enterrés sous terre, la technologie de transmission des données s'est considérablement améliorée, de sorte que moins de câbles étaient nécessaires. Il existe désormais des corridors denses de fibres noires qui sillonnent tout le pays.

La détection acoustique distribuée (DAS) est une nouvelle technologie qui mesure les champs d'ondes sismiques en envoyant de courtes impulsions laser sur toute la longueur de la fibre. "L'idée de base est, la lumière laser est diffusée par de minuscules impuretés dans la fibre, " a déclaré Ajo-Franklin. " Lorsque la fibre est déformée, nous verrons des distorsions dans la lumière rétrodiffusée, et de ces distorsions, nous pouvons mesurer comment la fibre elle-même est comprimée ou tirée."

À l'aide d'une matrice de test qu'ils ont installée à Richmond, Californie - avec un câble à fibre optique placé dans une tranchée peu profonde en forme de L, un tronçon d'environ 100 mètres parallèle à la route et un autre perpendiculaire - les chercheurs ont vérifié qu'ils pouvaient utiliser les ondes sismiques générées par le trafic urbain, comme les voitures et les trains, pour imager et surveiller les propriétés mécaniques des couches de sol peu profondes.

Les mesures donnent des informations sur le degré de " spongieux " du sol à un moment donné, permettant d'inférer un grand nombre d'informations sur les propriétés du sol, comme sa teneur en eau ou sa texture. "Imaginez un moulant - il peut se comprimer ou se tortiller, " Ajo-Franklin a déclaré. "Ceux-ci correspondent à différentes façons dont vous pouvez presser le sol, et combien d'énergie il faut pour réduire son volume ou le cisailler."

Il a ajouté:"Ce qui est bien, c'est que vous effectuez des mesures sur chaque petite unité de fibre. Toutes les réflexions vous reviennent. En les connaissant toutes et en sachant combien de temps il faut à une lumière laser pour revenir et sur la fibre, vous pouvez vérifier ce qui se passe à chaque endroit. Il s'agit donc d'une mesure vraiment distribuée. »

Après avoir prouvé le concept dans des conditions contrôlées, l'équipe a déclaré s'attendre à ce que la technique fonctionne sur une variété de réseaux de télécommunications existants, et ils mènent actuellement des expériences de suivi à travers la Californie pour le démontrer. Des recherches en cours en Alaska explorent également la même technique pour surveiller la stabilité du pergélisol arctique.

Dou a ajouté :« Nous pouvons très bien surveiller la surface proche en n'utilisant que le bruit de la circulation. Il peut s'agir de fluctuations des niveaux d'eau souterraine, ou des changements qui pourraient fournir des alertes précoces pour une variété de géorisques tels que le dégel du pergélisol, formation de gouffre, et des glissements de terrain."

Utilisation de la fibre pour la détection des séismes

S'appuyant sur cinq années de recherche dirigée par le Berkeley Lab explorant l'utilisation du DAS pour la surveillance du sous-sol à l'aide de sources sismiques non sismiques, Le groupe d'Ajo-Franklin a maintenant repoussé les limites et a montré que le DAS est également un outil puissant pour la surveillance des tremblements de terre.

Dans l'étude GRL dirigée par Lindsey en collaboration avec Eileen Martin, étudiante diplômée de Stanford, l'équipe de recherche a pris des mesures à l'aide de la technique DAS sur des réseaux de fibres optiques à trois endroits - deux en Californie et un en Alaska. Dans tous les cas, Le DAS s'est avéré être aussi sensible aux tremblements de terre que les sismomètres conventionnels, malgré ses niveaux sonores plus élevés. En utilisant les baies DAS, ils ont assemblé un catalogue de produits locaux, régional, et les tremblements de terre lointains et a montré que les techniques de traitement pouvaient tirer parti des nombreux canaux de DAS pour aider à comprendre d'où provenaient les tremblements de terre.

Ajo-Franklin a déclaré que la fibre noire a l'avantage d'être presque omniprésente, alors que les sismomètres traditionnels, car ils sont chers, sont peu installés, et les installations sous-marines sont particulièrement rares. En outre, la fibre permet un échantillonnage spatial dense, ce qui signifie que les points de données ne sont distants que de quelques mètres, alors que les sismomètres sont généralement séparés de plusieurs kilomètres.

Lindsey a ajouté :« La fibre a beaucoup d'implications pour la détection des tremblements de terre, emplacement, et l'alerte précoce. La fibre sort dans l'océan, et c'est partout dans le pays, cette technologie augmente donc la probabilité qu'un capteur soit proche de la rupture lorsqu'un tremblement de terre se produit, ce qui se traduit par la recherche de petits événements, emplacements améliorés pour les tremblements de terre, et du temps supplémentaire pour l'alerte précoce."

Le document GRL note d'autres applications potentielles de l'utilisation de la fibre noire, y compris l'analyse des risques sismiques urbains, imagerie sismique globale, détection de volcan sous-marin offshore, surveillance des explosions nucléaires, et la caractérisation des microséismes.