Chaque fibre de verre fine comme un cheveu dans un câble à fibre optique enterré contient de minuscules défauts internes - et c'est une bonne chose pour les scientifiques à la recherche de nouvelles façons de collecter des données sismiques dans des endroits allant d'un centre-ville urbain animé à un glacier éloigné.

Dans Lettres de recherche sismologique , Le sismologue du California Institute of Technology, Zhongwen Zhan, décrit l'intérêt croissant pour cette méthode, appelée détection acoustique distribuée, et ses applications potentielles. Son article fait partie de la série Emerging Topics de la revue, dans lequel les auteurs sont invités par les éditeurs de SRL à explorer les développements qui façonnent divers domaines de la sismologie et de la science des tremblements de terre.

DAS fonctionne en utilisant les minuscules défauts internes d'une longue fibre optique comme des milliers de capteurs sismiques le long de dizaines de kilomètres de câble à fibre optique. Un instrument à une extrémité envoie des impulsions laser le long d'un câble et collecte et mesure l'"écho" de chaque impulsion lorsqu'elle est réfléchie par les défauts internes de la fibre.

Lorsque la fibre est perturbée par des changements de température, déformation ou vibrations - causées par des ondes sismiques, par exemple, il y a des changements dans la taille, fréquence et phase de la lumière laser renvoyée à l'instrument DAS. Les sismologues peuvent utiliser ces changements pour déterminer les types d'ondes sismiques qui pourraient avoir poussé la fibre, ne serait-ce que de quelques dizaines de nanomètres.

La sensibilité des instruments DAS s'est nettement améliorée au cours des cinq dernières années, ouvrant de nouvelles possibilités pour leur déploiement, dit Zhan. "La sensibilité est de mieux en mieux, au point qu'il y a quelques années, si vous comparez les formes d'onde d'une section de fibre avec un géophone, ils se ressemblent beaucoup."

Leurs performances les rendent adaptés à une utilisation dans une variété d'environnements, surtout dans les endroits où il serait trop coûteux de mettre en place un réseau sismique plus sensible ou dense. Les chercheurs peuvent également exploiter les grandes quantités de fibres inutilisées ou « sombres » qui ont été mises en place précédemment par les entreprises de télécommunications et autres. Quelques brins d'un câble plus gros, dit Zhan, servirait les objectifs d'un sismologue.

Zhan a déclaré que l'industrie pétrolière et gazière a été l'un des principaux moteurs de la nouvelle méthode, car ils utilisaient des câbles de forage pour surveiller les changements de fluide dans les champs pétrolifères en eau profonde et pendant la fracturation hydraulique et l'injection d'eaux usées.

Les chercheurs du DAS pensent que la méthode est particulièrement prometteuse pour la surveillance sismique dans des environnements difficiles, comme l'Antarctique ou la lune. Avec un réseau régulier de sismomètres, les scientifiques « ont besoin de protéger et d'alimenter chaque nœud » d'instruments du réseau, Zhan a expliqué. "Où pour DAS, vous posez un long brin de fibre, qui est assez solide, et tous vos instruments sensibles ne sont qu'à une extrémité de la fibre."

"Vous pouvez imaginer que sur la lune ou sur une autre planète, avec un scénario de rayonnement élevé ou de température élevée, l'électronique pourrait ne pas survivre aussi longtemps dans cet environnement, " il a ajouté. " Mais la fibre peut. "

Les scientifiques utilisent déjà le DAS pour sonder les cycles de dégel et de gel dans le pergélisol et sur les glaciers, pour mieux caractériser leur mouvement dynamique des écoulements glaciaires et des glissements sur le substratum rocheux, ce qui pourrait aider les chercheurs à en savoir plus sur la façon dont la fonte des glaciers entraînée par le changement climatique contribue à l'élévation du niveau de la mer.

À l'heure actuelle, la portée de la plupart des systèmes DAS est de 10 à 20 kilomètres. Les chercheurs espèrent l'étendre dans un proche avenir à 100 kilomètres, Zhan a dit, ce qui pourrait être utile pour la couverture sismique dans les environnements de fond océanique, y compris les zones de subduction offshore.

DAS est également bien adapté pour une réponse rapide après les tremblements de terre, en particulier dans les zones où la fibre noire est nombreuse et les sismologues ont pris des dispositions pour utiliser la fibre au préalable. Après les tremblements de terre de Ridgecrest en 2019 dans le sud de la Californie, par exemple, Zhan et ses collègues se sont déplacés rapidement pour surveiller la séquence de répliques dans la région à l'aide du DAS. "Nous avons transformé environ 50 kilomètres de câble en plus de 6, 000 capteurs en trois jours, " il a dit.

Si les sismologues ont fait leur travail pour identifier et demander l'accès aux fibres à l'avance, Zhan a dit, un système DAS peut être déployé quelques heures après un séisme.

L'un des défis de l'utilisation de la fibre est de savoir exactement comment elle se trouve dans le sol. Avec la méthode DAS, les chercheurs savent à quelle distance se trouve un capteur particulier le long d'une fibre, mais si le câble à fibre optique est enroulé ou plié ou affaissé, les calculs pourraient être erronés. Pour y remédier, les sismologues effectuent parfois un « tap test » – qui cartographie les coups de masse le long du sol au-dessus du câble avec le GPS, tandis que les coups se répercutent sur la fibre pour créer une sorte d'image sonar de ses méandres.

Les capteurs DAS contiennent également plus de "bruit propre" (signaux sismiques de fond qui pourraient interférer avec l'identification d'un tremblement de terre) que les capteurs sismiques traditionnels, "mais franchement on ne sait pas exactement pourquoi, " a déclaré Zhan. Une partie du bruit pourrait provenir des impulsions laser d'interrogation, qui peut ne pas être stable, ou du câble lui-même. Certains câbles traînent dans leurs tunnels, et d'autres ont plusieurs connecteurs de fibre, ce qui pourrait produire une réflexion et une perte du signal lumineux.

"Alors qu'il en est encore à ses balbutiements, DAS s'est déjà montré comme le cœur de travail - ou peut-être les tympans - d'un nouvel outil d'écoute sismique précieux, " a conclu Zhan.