Une nouvelle étude menée par un chercheur de l'Université du Michigan et des collègues de trois institutions démontre le potentiel d'utiliser les réseaux existants de fibres optiques enterrées comme observatoire peu coûteux pour surveiller et étudier les tremblements de terre.

L'étude fournit de nouvelles preuves que les mêmes fibres optiques qui fournissent l'Internet haut débit et la vidéo HD dans nos maisons pourraient un jour servir de capteurs sismiques.

"Les câbles à fibres optiques sont l'épine dorsale des télécommunications modernes, et nous avons démontré que nous pouvons transformer les réseaux existants en réseaux sismiques étendus pour évaluer les mouvements du sol pendant les tremblements de terre, " a déclaré le sismologue U-M Zack Spica, premier auteur d'un article publié en ligne le 12 février dans la revue Terre solide JGR .

L'étude a été menée à l'aide d'un prototype de matrice à l'Université de Stanford, où Spica a été boursier postdoctoral pendant plusieurs années avant de rejoindre récemment la faculté de l'UM en tant que professeur adjoint au Département des sciences de la Terre et de l'environnement. Les co-auteurs comprennent des chercheurs de Stanford, du Mexique et de Virginie.

"C'est la première fois que la sismologie à fibre optique est utilisée pour dériver une mesure standard des propriétés souterraines qui est utilisée par les ingénieurs sismiques pour anticiper la gravité des secousses, " a déclaré le géophysicien Greg Beroza, co-auteur de l'article et professeur Wayne Loel à la Stanford's School of Earth, Sciences de l'énergie et de l'environnement.

Pour transformer un câble à fibre optique en capteur sismique, les chercheurs connectent un instrument appelé interrogateur laser à une extrémité du câble. Il envoie des impulsions de lumière laser le long de la fibre. La lumière rebondit lorsqu'elle rencontre des impuretés le long de la fibre, créant un "signal de rétrodiffusion" qui est analysé par un appareil appelé interféromètre.

Les changements dans le signal de rétrodiffusion peuvent révéler comment la fibre s'étire ou se comprime en réponse à des perturbations passagères, y compris les ondes sismiques des tremblements de terre. La technique est appelée détection acoustique distribuée, ou DAS, et a été utilisé pendant des années pour surveiller la santé des pipelines et des puits dans l'industrie pétrolière et gazière.

La nouvelle étude en Terre solide JGR étend les travaux antérieurs avec la boucle d'essai de Stanford de 3 milles en produisant des cartes haute résolution du sous-sol peu profond, que les scientifiques peuvent utiliser pour voir quelles zones subiront les secousses les plus fortes lors des futurs tremblements de terre, dit Beroza.

En outre, l'étude démontre que les fibres optiques peuvent être utilisées pour détecter les ondes sismiques et obtenir des modèles de vitesse et des fréquences de résonance du sol, deux paramètres essentiels pour la prédiction des mouvements du sol et l'évaluation des risques sismiques. Spica et ses collègues disent que leurs résultats sont en bon accord avec une enquête indépendante qui a utilisé des techniques traditionnelles, validant ainsi la méthodologie de la sismologie à fibre optique.

Cette approche semble avoir un grand potentiel pour une utilisation dans les grands, des villes menacées par les tremblements de terre comme San Francisco, Los Angeles, Tokyo et Mexico, où des milliers de kilomètres de câbles optiques sont enterrés sous la surface.

"Ce qui est génial avec l'utilisation de la fibre pour cela, c'est que les villes l'ont déjà dans leur infrastructure, donc tout ce que nous avons à faire est d'y puiser, " dit Beroza.

Beaucoup de ces centres urbains sont construits sur des sédiments mous qui amplifient et prolongent les secousses sismiques. La géologie proche de la surface peut varier considérablement d'un quartier à l'autre, soulignant la nécessité de détails, informations spécifiques au site.

Pourtant, obtenir ce genre d'informations peut être un défi avec les techniques traditionnelles, qui impliquent le déploiement de grands réseaux de sismomètres - des milliers de tels instruments dans la région de Los Angeles, par exemple.

« En milieu urbain, il est très difficile de trouver un endroit pour installer des stations sismiques car l'asphalte est partout, " dit Spica. " De plus, beaucoup de ces terres sont privées et inaccessibles, et vous ne pouvez pas toujours laisser une station sismique seule à cause du risque de vol.

"La fibre optique pourrait un jour marquer la fin d'expérimentations aussi coûteuses et à grande échelle. Les câbles sont enfouis sous l'asphalte et sillonnent toute la ville, sans aucun des inconvénients des stations sismiques de surface."

La technique serait probablement assez peu coûteuse, également, dit Spica. Typiquement, les câbles à fibres optiques commerciaux contiennent des fibres inutilisées qui peuvent être louées à d'autres fins, y compris la sismologie.

Pour le moment, les sismomètres traditionnels offrent de meilleures performances que les systèmes prototypes utilisant la détection par fibre optique. Aussi, les sismomètres détectent les mouvements du sol dans trois directions, tandis que les fibres optiques ne détectent que le long de la direction de la fibre.

Le réseau de fibres optiques de 3 milles de Stanford et l'acquisition de données ont été rendus possibles grâce à un effort collectif des services informatiques de Stanford, Géophysique de Stanford, et OptaSense Ltd. Le soutien financier a été fourni par le projet d'exploration de Stanford, le département américain de l'Énergie et la bourse Schlumberger.

La phase suivante du projet implique une matrice de test beaucoup plus grande. Une boucle de 27 miles a été formée récemment en reliant des fibres optiques sur le campus historique de Stanford avec des fibres à plusieurs autres endroits à proximité.

Les autres auteurs du Terre solide JGR papier sont Biondo Biondi de Stanford, Mathieu Perton de l'Universidad Nacional Autónoma de México et Eileen Martin de Virginia Tech.