Les sismologues de Caltech travaillant avec des experts en optique de Google ont développé une méthode pour utiliser les câbles de télécommunication sous-marins existants pour détecter les tremblements de terre. La technique pourrait conduire à l'amélioration des systèmes d'alerte aux tremblements de terre et aux tsunamis dans le monde entier.

Un vaste réseau de plus d'un million de kilomètres de câbles à fibres optiques se trouve au fond des océans de la Terre. Dans les années 1980, les entreprises de télécommunications et les gouvernements ont commencé à poser ces câbles, dont chacun peut s'étendre sur des milliers de kilomètres. Aujourd'hui, le réseau mondial est considéré comme l'épine dorsale des télécommunications internationales.

Les scientifiques ont longtemps cherché un moyen d'utiliser ces câbles immergés pour surveiller la sismicité. Après tout, plus de 70 pour cent du globe est recouvert d'eau, et il est extrêmement difficile et coûteux à installer, surveiller, et exécutez des sismomètres sous-marins pour suivre les mouvements de la terre sous les mers. Ce qui serait idéal, les chercheurs disent, est de surveiller la sismicité en utilisant les infrastructures déjà en place au fond de l'océan.

Les efforts antérieurs visant à utiliser des fibres optiques pour étudier la sismicité reposaient sur l'ajout d'instruments scientifiques sophistiqués et/ou sur l'utilisation de fibres dites « noires, " câbles à fibres optiques qui ne sont pas activement utilisés.

Maintenant Zhongwen Zhan (Ph.D. '13), professeur assistant de géophysique à Caltech, et ses collègues ont trouvé un moyen d'analyser la lumière traversant les fibres « éclairées », en d'autres termes, câbles sous-marins existants et fonctionnels - pour détecter les tremblements de terre et les vagues océaniques sans avoir besoin d'équipement supplémentaire. Ils décrivent la nouvelle méthode dans le numéro du 26 février de la revue Science .

"Cette nouvelle technique peut vraiment convertir la majorité des câbles sous-marins en capteurs géophysiques de plusieurs milliers de kilomètres de long pour détecter les tremblements de terre et éventuellement les tsunamis à l'avenir, " dit Zhan. " Nous pensons qu'il s'agit de la première solution de surveillance de la sismicité au fond des océans qui pourrait être mise en œuvre dans le monde entier. Il pourrait compléter le réseau existant de sismomètres au sol et de bouées de surveillance des tsunamis pour rendre la détection des tremblements de terre et des tsunamis sous-marins beaucoup plus rapide dans de nombreux cas. »

Les réseaux câblés fonctionnent grâce à l'utilisation de lasers qui envoient des impulsions d'informations à travers des fibres de verre regroupées dans les câbles pour fournir des données à des débits supérieurs à 200, 000 kilomètres par seconde aux récepteurs à l'autre extrémité. Pour utiliser au mieux les câbles, c'est-à-dire pour transférer autant d'informations que possible à travers eux - l'une des choses que les opérateurs surveillent est la polarisation de la lumière qui voyage à l'intérieur des fibres. Comme toute autre lumière qui passe à travers un filtre polarisant, la lumière laser est polarisée, c'est-à-dire son champ électrique oscille dans une seule direction plutôt que dans n'importe quelle direction. Le contrôle de la direction du champ électrique peut permettre à plusieurs signaux de traverser la même fibre simultanément. A la réception, les appareils vérifient l'état de polarisation de chaque signal pour voir comment il a changé le long du chemin du câble pour s'assurer que les signaux ne sont pas mélangés.

Dans leur travail, les chercheurs se sont concentrés sur le câble Curie, un câble de fibre optique sous-marin qui s'étend sur plus de 10, 000 kilomètres le long de la bordure orientale de l'océan Pacifique de Los Angeles à Valparaiso, Chili. (Bien que Zhan dise que la technique pourrait être utilisée sur plusieurs des centaines de câbles sous-marins qui sillonnent le monde.)

Sur terre, toutes sortes de perturbations, tels que les changements de température et même les coups de foudre, peut modifier la polarisation de la lumière traversant les câbles à fibres optiques. Parce que la température dans l'océan profond reste presque constante et parce qu'il y a si peu de perturbations là-bas, le changement de polarisation d'un bout à l'autre du câble Curie reste assez stable dans le temps, Zhan et ses collègues ont trouvé.

Cependant, pendant les tremblements de terre et lorsque les tempêtes produisent de grosses vagues océaniques, la polarisation change soudainement et de façon spectaculaire, permettant aux chercheurs d'identifier facilement de tels événements dans les données.

Actuellement, lorsque des tremblements de terre se produisent à des kilomètres au large, cela peut prendre quelques minutes pour que les ondes sismiques atteignent les sismomètres terrestres et encore plus longtemps pour que les ondes de tsunami soient vérifiées. Grâce à la nouvelle technique, toute la longueur d'un câble sous-marin agit comme un seul capteur dans un endroit difficile à surveiller. La polarisation peut être mesurée jusqu'à 20 fois par seconde. Cela signifie que si un tremblement de terre frappe près d'une zone particulière, un avertissement pourrait être envoyé aux zones potentiellement affectées en quelques secondes.

Au cours des neuf mois de tests rapportés dans la nouvelle étude (entre décembre 2019 et septembre 2020), les chercheurs ont détecté environ 20 tremblements de terre modérés à importants le long du câble Curie, y compris le séisme de magnitude 7,7 qui a eu lieu au large de la Jamaïque le 28 janvier, 2020.

Bien qu'aucun tsunami n'ait été détecté au cours de l'étude, les chercheurs ont pu détecter les changements de polarisation produits par les houles océaniques originaires de l'océan Austral. Ils pensent que les changements de polarisation observés lors de ces événements ont été causés par des changements de pression le long du fond marin alors que de puissantes vagues traversaient le câble. "Cela signifie que nous pouvons détecter les vagues de l'océan, il est donc plausible qu'un jour on puisse détecter les vagues du tsunami, " dit Zhan.

Zhan and his colleagues at Caltech are now developing a machine learning algorithm that would be able to determine whether detected changes in polarization are produced by earthquakes or ocean waves rather than some other change to the system, such as a ship or crab moving the cable. They expect that the entire detection and notification process could be automated to provide critical information in addition to the data already collected by the global network of land-based seismometers and the buoys in the Deep-ocean Assessment and Reporting of Tsunamis (DART) system, operated by the National Oceanic and Atmospheric Administration's National Data Buoy Center.

Le nouveau Science paper is titled "Optical polarization-based seismic and water wave sensing on transoceanic cables."