En sismologie traditionnelle, des chercheurs qui étudient le mouvement de la terre dans les instants précédents, pendant, et après un tremblement de terre, s'appuyer sur des capteurs dont la fabrication et l'installation sous terre coûtent des dizaines de milliers de dollars. Et en raison des dépenses et du travail impliqués, seuls quelques capteurs sismiques ont été installés dans les régions reculées de la Californie, ce qui rend difficile la compréhension des impacts des futurs séismes ainsi que des petits séismes se produisant sur des failles non cartographiées.

À présent, des chercheurs du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du département américain de l'Énergie ont trouvé un moyen de surmonter ces obstacles en transformant des parties d'un 13, Banc d'essai de 1000 milles de long de "fibre noire, " câble à fibre optique inutilisé appartenant au DOE Energy Sciences Network (ESnet), en un capteur d'activité sismique hautement sensible qui pourrait potentiellement augmenter les performances des systèmes d'alerte précoce aux tremblements de terre actuellement en cours de développement dans l'ouest des États-Unis. L'étude détaillant les travaux, la première à utiliser un grand réseau régional comme capteur de tremblement de terre, a été publiée cette semaine dans Nature's Rapports scientifiques .

Secouer la sismologie avec la fibre noire

Selon Jonathan Ajo-Franklin, un scientifique du domaine des sciences de la Terre et de l'environnement du Berkeley Lab qui a dirigé l'étude, il y a environ 10 millions de kilomètres de câbles à fibres optiques dans le monde, et environ 10 pour cent de cela se compose de fibres noires.

Le groupe Ajo-Franklin travaille à ce type d'expérience depuis plusieurs années. Dans une étude de 2017, ils ont installé un câble à fibre optique dans une tranchée peu profonde à Richmond, Californie, et a démontré qu'une nouvelle technologie de détection appelée détection acoustique distribuée (DAS) pouvait être utilisée pour l'imagerie du sous-sol peu profond. Le DAS est une technologie qui mesure les champs d'ondes sismiques en envoyant de courtes impulsions laser sur toute la longueur de la fibre. Dans une étude de suivi, eux et un groupe de collaborateurs ont démontré pour la première fois que les câbles à fibres optiques pouvaient être utilisés comme capteurs pour détecter les tremblements de terre.

La présente étude utilise la même technique DAS, mais au lieu de déployer leur propre câble à fibre optique, les chercheurs ont mené leurs expériences sur un segment de 20 milles du 13, Banc d'essai de fibre noire ESnet de 1 000 km de long qui s'étend de West Sacramento à Woodland, Californie. "Pour vérifier davantage nos résultats de l'étude 2017, nous savions que nous aurions besoin d'exécuter les tests DAS sur un véritable réseau de fibre noire, " dit Ajo-Franklin, qui dirige également le département de géophysique du Berkeley Lab.

"Lorsque Jonathan m'a approché pour utiliser notre banc d'essai de fibre noire, Je ne savais même pas qu'il était possible" d'utiliser un réseau comme capteur, dit Inder Monga, Directeur exécutif d'ESnet et directeur de la division des réseaux scientifiques au Berkeley Lab. "Personne n'avait fait ce travail auparavant. Mais les possibilités étaient énormes, alors j'ai dit, 'Sûr, faisons cela!"

Chris Tracy d'ESnet a travaillé en étroite collaboration avec les chercheurs pour comprendre la logistique de la mise en œuvre. L'entreprise de télécommunications CenturyLink a fourni des informations sur l'installation de la fibre.

Étant donné que le banc d'essai ESnet a une couverture régionale, les chercheurs ont pu surveiller l'activité sismique et le bruit environnemental avec plus de détails que les études précédentes.

« La couverture du banc d'essai de la fibre noire ESnet nous a fourni des images souterraines à une résolution plus élevée et à une échelle plus grande que ce qui aurait été possible avec un réseau de capteurs traditionnel, " a déclaré la co-auteur Verónica Rodríguez Tribaldos, chercheur postdoctoral dans le laboratoire d'Ajo-Franklin. "Les réseaux sismiques conventionnels n'utilisent souvent que quelques dizaines de capteurs espacés de plusieurs kilomètres pour couvrir une zone aussi vaste, mais avec le banc d'essai ESnet et le DAS, nous en avons 10, 000 capteurs en ligne avec un espacement de deux mètres. Cela signifie qu'avec un seul câble à fibre optique, vous pouvez collecter des informations très détaillées sur la structure du sol pendant plusieurs mois. »

Creuser profondément pour les données sous terre

Après sept mois d'utilisation du DAS pour enregistrer des données via le banc d'essai de fibre noire ESnet, les chercheurs ont prouvé que les avantages de l'utilisation d'une fibre commerciale sont multiples. "Juste en écoutant 40 minutes, cette technologie a le potentiel de faire environ 10 choses différentes à la fois. Nous avons pu capter des ondes à très basse fréquence provenant de tremblements de terre lointains ainsi que des fréquences plus élevées générées par des véhicules à proximité, " a déclaré Ajo-Franklin. La technologie a permis aux chercheurs de faire la différence entre une voiture ou un train en mouvement par rapport à un tremblement de terre, et pour détecter les séismes locaux et lointains, de Berkeley à Gilroy au Chiapas, Mexique. La technologie peut également être utilisée pour caractériser la qualité des sols, fournir des informations sur les aquifères, et être intégré aux études géotechniques, il ajouta.

Avec une telle image détaillée du sous-sol, la technologie a le potentiel d'être utilisée dans des études en accéléré des propriétés du sol, dit Rodriguez Tribaldos. Par exemple, en surveillance environnementale, cet outil pourrait être utilisé pour détecter les changements à long terme des eaux souterraines, la fonte du pergélisol, ou les changements hydrologiques impliqués dans les risques de glissement de terrain.

Les résultats de la présente étude suggèrent également que les chercheurs n'auront peut-être plus à choisir entre la qualité des données et le coût. "Les capteurs de téléphones portables sont peu coûteux et nous indiquent quand un grand tremblement de terre se produit à proximité, mais ils ne pourront pas enregistrer les fines vibrations de la planète, " a déclaré le co-auteur Nate Lindsey, un étudiant diplômé de l'UC Berkeley qui a dirigé les travaux sur le terrain et l'analyse des tremblements de terre pour l'étude de 2017. "Dans cette étude, nous avons montré que les fibres optiques bon marché captent ces petits mouvements du sol avec une qualité surprenante. »

Avec 300 téraoctets de données brutes collectées pour l'étude, les chercheurs ont été mis au défi de trouver des moyens de gérer et de traiter efficacement la « lance à incendie » des informations sismiques. Ajo-Franklin a exprimé l'espoir de créer un jour un portail de données sismologiques qui associe ESnet en tant que capteur et mécanisme de transfert de données, avec analyse et stockage de données à long terme gérés par l'installation de supercalcul de Berkeley Lab, NERSC (Centre national de calcul scientifique pour la recherche énergétique).

Monga added that even though the Dark Fiber Testbed will soon be lit for the next generation of ESnet, dubbed "ESnet 6, " there may be sections that could be used for seismology. "Although it was completely unexpected that ESnet—a transatlantic network dedicated for research—could be used as a seismic sensor, it fits perfectly within our mission, " he said. "At ESnet, we want to enable scientific discovery unconstrained by geography."