Des milliers de kilomètres de fibres optiques enterrées sillonnent la région de la baie de San Francisco en Californie, offrant un accès Internet haut débit et de la vidéo HD aux foyers et aux entreprises.

Biondo Biondi, professeur de géophysique à la Stanford's School of Earth, Sciences de l'énergie et de l'environnement, rêve de transformer ce réseau dense en un observatoire bon marché de « milliards de capteurs » pour surveiller et étudier en permanence les tremblements de terre.

Au cours de la dernière année, L'équipe de Biondi a montré qu'il est possible de convertir les tremblements de brins de fibres optiques perturbés en informations sur la direction et l'ampleur des événements sismiques.

Les chercheurs ont enregistré ces secousses sismiques dans une boucle de fibre optique de 3 miles installée sous le campus de l'Université de Stanford avec des instruments appelés interrogateurs laser fournis par la société OptaSense, qui est co-auteur de publications sur la recherche.

« Nous pouvons écouter en permanence - et bien entendre - la Terre en utilisant des fibres optiques préexistantes qui ont été déployées à des fins de télécommunications, " dit Biondi.

Actuellement, les chercheurs surveillent les tremblements de terre avec des sismomètres, qui sont plus sensibles que le réseau télécom proposé, mais leur couverture est clairsemée et ils peuvent être difficiles et coûteux à installer et à entretenir, surtout dans les zones urbaines.

Par contre, un observatoire sismique comme celui que propose Biondi serait relativement peu coûteux à exploiter. "Chaque mètre de fibre optique de notre réseau agit comme un capteur et coûte moins d'un dollar à installer, " a déclaré Biondi. " Vous ne pourrez jamais créer un réseau en utilisant des sismomètres conventionnels avec ce genre de couverture, densité et prix.

Un tel réseau permettrait aux scientifiques d'étudier les séismes, surtout les plus petits, plus en détail et localiser leurs sources plus rapidement qu'il n'est actuellement possible. Une plus grande couverture des capteurs permettrait également des mesures à plus haute résolution des réponses du sol aux secousses.

« Les ingénieurs civils pourraient tirer parti de ce qu'ils ont appris sur la façon dont les bâtiments et les ponts réagissent aux petits tremblements de terre du réseau d'un milliard de capteurs et utiliser ces informations pour concevoir des bâtiments capables de résister à de plus grandes secousses, " a déclaré Eileen Martin, un étudiant diplômé du laboratoire de Biondi.

De la rétrodiffusion au signal

Les fibres optiques sont de minces brins de verre pur de l'épaisseur d'un cheveu humain. Ils sont généralement regroupés pour créer des câbles qui transmettent des signaux de données sur de longues distances en convertissant les signaux électroniques en lumière.

Biondi n'est pas le premier à envisager d'utiliser des fibres optiques pour surveiller l'environnement. Une technologie connue sous le nom de détection acoustique distribuée (DAS) surveille déjà la santé des pipelines et des puits dans l'industrie pétrolière et gazière.

"Le fonctionnement du DAS est que lorsque la lumière se déplace le long de la fibre, il rencontre diverses impuretés dans le verre et rebondit, " dit Martin. " Si la fibre était totalement stationnaire, ce signal de « rétrodiffusion » aurait toujours le même aspect. Mais si la fibre commence à s'étirer dans certaines zones, en raison de vibrations ou de contraintes, le signal change."

Mise en œuvre antérieure de ce type de détection acoustique, cependant, Les fibres optiques devaient être fixées de manière coûteuse à une surface ou enrobées de ciment pour maximiser le contact avec le sol et assurer la meilleure qualité de données. En revanche, Le projet de Biondi sous Stanford - surnommé l'observatoire sismique à fibre optique - utilise les mêmes fibres optiques que les entreprises de télécommunications, qui se trouvent non sécurisés et flottant librement à l'intérieur de la tuyauterie creuse en plastique.

"Les gens ne croyaient pas que cela fonctionnerait, " a déclaré Martin. " Ils ont toujours supposé qu'une fibre optique non couplée générerait trop de bruit de signal pour être utile. "

Mais depuis que l'observatoire sismique à fibre optique de Stanford a été mis en service en septembre 2016, il a enregistré et catalogué plus de 800 événements, allant des événements artificiels et petits, à peine ressenti des tremblements locaux à puissants, des catastrophes meurtrières comme les récents tremblements de terre qui en ont frappé plus de 2, 000 miles au Mexique. Dans une expérience particulièrement révélatrice, le réseau souterrain a capté les signaux de deux petits tremblements de terre locaux d'une magnitude de 1,6 et 1,8.

"Comme prévu, les deux tremblements de terre avaient la même forme d'onde, ou motif, parce qu'ils sont originaires du même endroit, mais l'amplitude du plus gros tremblement de terre était plus grande, " Biondi a déclaré. "Cela démontre que l'observatoire sismique à fibre optique peut correctement distinguer les séismes de différentes magnitudes."

Surtout, le réseau a également détecté et distingué deux types différents d'ondes qui traversent la Terre, appelées ondes P et S. "L'un de nos objectifs est de contribuer à un système d'alerte précoce aux tremblements de terre. Cela nécessitera la capacité de détecter les ondes P, qui sont généralement moins dommageables que les ondes S mais arrivent beaucoup plus tôt, " dit Martin.

L'observatoire sismique à fibre optique de Stanford n'est que la première étape vers le développement d'un réseau sismique à l'échelle de la baie, Biondi a dit, et il y a encore beaucoup d'obstacles à surmonter, comme démontrer que le réseau peut fonctionner à l'échelle de la ville.