Les câbles à fibres optiques qui constituent un réseau mondial de télécommunications sous-marines pourraient un jour aider les scientifiques à étudier les tremblements de terre en mer et les structures géologiques cachées profondément sous la surface de l'océan.

Dans un article paru cette semaine dans le journal Science , chercheurs de l'Université de Californie, Berkeley, Laboratoire national Lawrence Berkeley (Laboratoire Berkeley), Le Monterey Bay Aquarium Research Institute (MBARI) et l'Université Rice décrivent une expérience qui a transformé 20 kilomètres de câble à fibre optique sous-marin en l'équivalent de 10, 000 stations sismiques au fond de l'océan. Au cours de leur expérience de quatre jours dans la baie de Monterey, ils ont enregistré un séisme de magnitude 3,5 et une diffusion sismique à partir de zones de failles sous-marines.

Leur technique, qu'ils avaient préalablement testés avec des câbles à fibre optique à terre, pourrait fournir des données indispensables sur les tremblements de terre qui se produisent sous la mer, où il existe peu de stations sismiques, laissant 70 % de la surface de la Terre sans détecteurs de tremblement de terre.

"Il y a un énorme besoin de sismologie des fonds marins. Toute instrumentation que vous sortez dans l'océan, même si ce n'est que pour les 50 premiers kilomètres du rivage, sera très utile, " a déclaré Nate Lindsey, un étudiant diplômé de l'UC Berkeley et auteur principal de l'article.

Lindsey et Jonathan Ajo-Franklin, professeur de géophysique à la Rice University de Houston et chercheur invité au Berkeley Lab, a mené l'expérience avec l'aide de Craig Dawe de MBARI, qui possède le câble à fibre optique. Le câble s'étend sur 52 kilomètres au large jusqu'à la première station sismique jamais placée au fond de l'océan Pacifique, mis il y a 17 ans par MBARI et Barbara Romanowicz, un professeur UC Berkeley de la Graduate School du Département des sciences de la Terre et des planètes. Un câble permanent vers le nœud du système de recherche accélérée de Monterey (MARS) a été posé en 2009, Dont 20 kilomètres ont été utilisés dans ce test hors ligne pour maintenance annuelle en mars 2018.

"C'est vraiment une étude à la frontière de la sismologie, la première fois que quelqu'un utilise des câbles à fibres optiques offshore pour regarder ce type de signaux océanographiques ou pour imager des structures de failles, " a déclaré Ajo-Franklin. "L'un des points blancs du réseau sismographique mondial se trouve dans les océans."

Le but ultime des efforts des chercheurs, il a dit, est d'utiliser les réseaux denses de fibre optique à travers le monde - probablement plus de 10 millions de kilomètres au total, sur terre et sous la mer - en tant que mesures sensibles du mouvement de la Terre, permettant la surveillance des tremblements de terre dans les régions qui ne disposent pas de stations au sol coûteuses comme celles qui parsèment une grande partie de la Californie et de la côte du Pacifique, sujettes aux tremblements de terre.

"Le réseau sismique existant a tendance à disposer d'instruments de haute précision, mais est relativement clairsemée, alors que cela vous donne accès à un tableau beaucoup plus dense, " dit Ajo-Franklin.

Sismologie photonique

La technique utilisée par les chercheurs est la détection acoustique distribuée, qui utilise un dispositif photonique qui envoie de courtes impulsions de lumière laser le long du câble et détecte la rétrodiffusion créée par la tension dans le câble causée par l'étirement. Avec l'interférométrie, ils peuvent mesurer la rétrodiffusion tous les 2 mètres (6 pieds), transformer efficacement un câble de 20 kilomètres en 10, 000 détecteurs de mouvement individuels.

"Ces systèmes sont sensibles aux changements de nanomètres à des centaines de picomètres pour chaque mètre de longueur, " Ajo-Franklin a déclaré. "C'est un changement d'une partie sur un milliard."

Plus tôt cette année, ils ont rapporté les résultats d'un essai de six mois sur terre utilisant 22 kilomètres de câble près de Sacramento mis en place par le ministère de l'Énergie dans le cadre de ses 13, Banc d'essai de fibre noire ESnet de 000 milles. La fibre noire fait référence aux câbles optiques posés sous terre, mais inutilisés ou loués pour une utilisation à court terme, contrairement à l'Internet "éclairé" activement utilisé. Les chercheurs ont pu surveiller l'activité sismique et le bruit environnemental et obtenir des images souterraines à une résolution et à une échelle plus élevées qu'avec un réseau de capteurs traditionnel.

"La beauté de la sismologie à fibre optique est que vous pouvez utiliser les câbles de télécommunications existants sans avoir à en mettre 10, 000 sismomètres, " Lindsey a déclaré. "Vous venez de vous rendre sur le site et de connecter l'instrument à l'extrémité de la fibre."

Lors de l'essai sous-marin, ils ont pu mesurer une large gamme de fréquences d'ondes sismiques à partir d'un séisme de magnitude 3,4 qui s'est produit à 45 kilomètres à l'intérieur des terres près de Gilroy, Californie, et cartographier plusieurs zones de failles sous-marines connues et non cartographiées auparavant, partie du système de faille de San Gregorio. Ils ont également été en mesure de détecter des vagues océaniques à l'état stationnaire, appelées microséismes océaniques, ainsi que des ondes de tempête, tout cela correspondait aux mesures sismiques à la bouée et au sol.

« Nous avons d'énormes lacunes dans nos connaissances sur les processus au fond des océans et la structure de la croûte océanique, car il est difficile de placer des instruments comme des sismomètres au fond de la mer, " a déclaré Michael Manga, un professeur de science de la Terre et des planètes à l'UC Berkeley. "Cette recherche montre la promesse d'utiliser les câbles à fibres optiques existants comme réseaux de capteurs pour imager de nouvelles façons. Ici, ils ont identifié des ondes précédemment supposées qui n'avaient pas été détectées auparavant."

Selon Lindsey, les sismologues s'intéressent de plus en plus à l'enregistrement du champ de bruit ambiant de la Terre causé par les interactions entre l'océan et la terre continentale :essentiellement, vagues déferlant près des côtes.

« En utilisant ces câbles à fibre optique côtiers, nous pouvons essentiellement regarder les vagues que nous avons l'habitude de voir depuis le rivage mappées sur le fond marin, et la façon dont ces vagues océaniques se couplent à la Terre pour créer des ondes sismiques, " il a dit.

Pour utiliser les câbles à fibres optiques éclairés du monde, Lindsey et Ajo-Franklin doivent montrer qu'ils peuvent envoyer des impulsions laser via un canal sans interférer avec les autres canaux de la fibre qui transportent des paquets de données indépendants. Ils mènent maintenant des expériences avec des fibres allumées, tout en planifiant également la surveillance par fibre optique des événements sismiques dans une zone géothermique au sud de la mer de Salton en Californie du Sud, dans la zone sismique de Brawley.