Trois tours ordonnées de disques durs se tiennent sur le bureau de Shan Dou. Remplis en quelques mois seulement, ils contiennent environ 500 téraoctets de données sismiques. C’est une quantité énorme de données à collecter et à traiter - un peu plus que la quantité actuellement conservée dans le référentiel national de données sismiques, qui contient des archives remontant à 1970.
D'où viennent toutes ces informations? La réponse est sous vos pieds: la fibre optique.
Dou est chercheur postdoctoral au Lawrence Berkeley National Laboratory et s’emploie à utiliser les milliers de kilomètres de câbles à fibres optiques qui traversent le monde pour sensibiliser aux dangers naturels - surveillance des glissements de terrain, des affaissements dans le pergélisol, des gouffres et même des modifications du dioxyde de carbone injecté. Mais dans une nouvelle étude, basée sur les travaux fondamentaux de Dou et publiée le mois dernier dans la revue Geophysical Research Letters, les chercheurs se sont intéressés au potentiel et à la polyvalence des fibres pour détecter un risque particulier: les tremblements de terre.
Pour détecter les minuscules tremblements dans le sol, les chercheurs utilisent couramment des instruments sensibles appelés sismomètres. Mais chacune de ces unités peut être coûteuse à installer et difficile à entretenir. Et ils ne sont pas toujours utilisables, explique Nate Lindsey, étudiant au doctorat à l'Université de Californie, Seismological Lab de Berkeley et auteur principal de la nouvelle étude. "Il existe des zones où il peut être important d'installer un sismomètre - je pense au large, je pense aux zones urbaines - où c'est ... difficile du point de vue logistique et du point de vue de la sécurité", dit-il.
Nate Lindsey coupe un câble à la station de terrain de Richmond (avec la permission de Jonathan Ajo-Franklin) C'est là qu'interviennent la fibre optique et les montagnes de données. Des milliers de lignes de fibres optiques traversent notre pays, allant même jusque dans les océans. Donc, si les chercheurs peuvent exploiter ce système pour la surveillance des tremblements de terre, il fournit une quantité d'informations sans précédent, explique Dou, qui a travaillé avec Lindsey à l'UC Berkeley tout en terminant son doctorat.
L'idée est assez simple. De nombreuses entreprises de fibres optiques installent plus de câbles à fibres optiques que nécessaire, ce qui donne un système de «fibres noires» - fibres regroupées dans des conduits souterrains - pouvant être utilisé à des fins alternatives, telles que la détection des tremblements de terre. Mais chacune de ces lignes de fibres optiques est imparfaite. Lorsque vous transmettez une lumière aux faisceaux de fibres optiques individuels, ces imperfections dans la structure reflètent une fraction de la lumière. Les chercheurs peuvent apposer ce qu’on appelle un interféromètre laser à une extrémité de la ligne pour envoyer et mesurer les modifications de ces lueurs renvoyées, en discernant des compressions minimes ou des extensions des câbles dues aux vibrations du sol.
"Chaque mètre de fibre optique de notre réseau agit comme un capteur et coûte moins d'un dollar à installer", explique Biondo Biondi, géophysicien à Stanford et auteur du nouveau journal. «Vous ne serez jamais en mesure de créer un réseau utilisant des sismomètres classiques avec ce type de couverture, de densité et de prix.»
"C'est la beauté de la chose", explique Doug. "Nous n'avons rien de spécial à acheter, nous achetons simplement quelque chose qui est déjà largement disponible pour les télécommunications."
Mais trouver exactement comment utiliser ces fibres pour la détection des tremblements de terre demande un peu plus de travail. Une grande inconnue est la sensibilité. Cette utilisation de la fibre optique pour mesurer les vibrations dans le sol provient de l'industrie du pétrole et du gaz, qui utilisait les lignes pour surveiller les pipelines et les puits - en écoutant le grondement des véhicules qui approchaient. Mais à ces fins, les fibres optiques sont généralement «couplées» ou cimentées dans le sol, ce qui permet un transfert plus efficace des râles et tremblements de la Terre vers les fibres.
«Les gens ne croyaient pas que cela fonctionnerait», déclare Eileen Martin, étudiante de troisième cycle au laboratoire de Biondi et autre auteur du journal. «Ils ont toujours supposé qu'une fibre optique non couplée générerait trop de bruit de signal pour être utile.» Mais les premiers tests menés en collaboration entre Stanford, UC Berkeley et Berkeley National Lab sont prometteurs.
Les chercheurs de l’Université de Berkeley travaillent depuis cinq ans sur l’utilisation de la fibre optique pour surveiller le sous-sol. Ils ont enregistré des bruits ambiants tels que le passage de voitures avec les fibres pour étudier les modifications d’importantes caractéristiques, telles que la nappe phréatique. (En septembre, l’équipe a publié ce travail en collaboration avec des scientifiques du laboratoire de recherche et d’ingénierie des régions froides de l’armée américaine en Alaska et de l’Université Stanford dans la revue Scientific Reports . ) Pour la nouvelle étude sur le potentiel de la fibre optique pour la surveillance des tremblements de terre, les scientifiques ont comparé observations sismiques utilisant trois réseaux de fibres optiques différents, y compris des lignes enterrées de fibre optique près de Fairbanks, en Alaska, des lignes enterrées en forme de L à Richmond, en Californie, et une boucle en forme de 8 installée dans un conduit de télécommunication existant passant sous le campus de Stanford.
Jonathan Ajo-Franklin (à gauche) installe un réseau expérimental de tests de fibres optiques à la station de terrain de Richmond. (Gracieuseté de Jonathan Ajo-Franklin) L'équipe a enregistré une série d'événements dans les trois systèmes. Dans la seule boucle de Stanford, les chercheurs ont répertorié plus de 800 temblors depuis le début de la collecte des données en septembre 2016, en sélectionnant les signaux dans les données après le passage des événements. "Nous pouvons les voir du Mexique, d'Italie, d'Oklahoma ... ainsi que de minuscules adolescentes sur le campus de Stanford", a déclaré Biondi.
La carte montre l'emplacement d'une boucle de fibres optiques en forme de figure 8 de 3 km, installée sous le campus de Stanford dans le cadre de l'observatoire de sismique à fibres optiques. (Stamen Design et le Victoria and Albert Museum) Dans l'ensemble, les résultats sont encourageants. Comme le dit Biondi, "potentiellement toutes les pièces sont là", mais il faut encore beaucoup de travail pour mettre le système en action.
Actuellement, Lindsey et son équipe testent les capacités de la fibre optique dans 13 miles de fibre noire à Sacramento, en Californie, appartenant à la société Level 3 Communications, récemment rachetée par CenturyLink. Ils comparent leur signal mesuré aux sismomètres traditionnels.
"La comparaison est bonne", déclare Lindsey. "Il y a encore beaucoup de recherches à faire pour comprendre et clarifier les avantages et les inconvénients de la détection par fibre optique. Mais il y a un signal dans le capteur à fibre optique qui dépasse le niveau de bruit et qui est utile." Ils préparent un manuscrit sur ce projet à soumettre pour publication dans une revue à comité de lecture le mois prochain.
La sensibilité reste un sujet de préoccupation pour l'application généralisée de la détection des tremblements de terre par fibres optiques. "Pour le moment, les fibres ont tendance à avoir une sensibilité plus faible que les sismomètres conventionnels", explique Dou. Elle note que d’autres collègues étudient actuellement les moyens d’améliorer les capacités de détection par fibre optique. Il y a également beaucoup d'inconnues sur les conditions d'installation des réseaux de télécommunication existants. De petites modifications, telles que le nombre de câbles à fibres optiques dans un conduit, pourraient influer sur la détection et donc sur la capacité de la fibre à relayer des informations précises sur les séismes.
Il est tout aussi important de développer des méthodes pour traiter et analyser de telles quantités de données en temps réel. "C'est un formidable terrain de jeu de données", déclare Lindsey. "Mais j'attends avec impatience le jour où il ne faudra pas aux valises de disques durs des étudiants pour résoudre ce genre de problème."
Pour Clay Kirkendall, un chercheur de la Marine qui travaille avec des capteurs à fibres optiques depuis 20 ans, le coût du nouveau système reste une préoccupation. "Certes, les fibres sont déjà présentes et cela représente une grande partie du coût", déclare Kirkendall, qui ne faisait pas partie de l'étude. Mais vous avez toujours besoin d'un appareil qui réfléchisse les lignes et mesure le retour des signaux, et le fait de lésiner sur cet aspect du système pourrait sacrifier la sensibilité, dit-il. On ne sait pas exactement combien coûteront les interrogateurs laser de haute qualité pour le moment, mais Biondi espère que le coût de ces systèmes diminuera à mesure que la technologie progressera.
Si les chercheurs parviennent à résoudre ces problèmes, la fibre optique pourrait offrir une solution aux nombreux défis de la surveillance sismique. Cette technologie pourrait être particulièrement utile pour améliorer les systèmes qui avertissent les communautés des tremblements de terre à proximité de ne leur donner qu'une fraction de temps supplémentaire pour se préparer à la secousse. Les impacts positifs - et les échecs - de tels réseaux ont été soulignés plus tôt cette année dans la série de tremblements de terre au Mexique.
L'observatoire sismique sur fibres optiques a détecté avec succès le séisme d'une magnitude de 8, 2 qui a frappé le centre de Mexique le 8 septembre 2017. (Siyuan Yuan) Le système d'alerte sismique mexicain, ou SASMEX, est le premier système d'alerte précoce à informer le public des tremblements de terre en attente. Un réseau de sismomètres, l'instrument traditionnellement utilisé pour surveiller les tremblements de terre, les secteurs tachetés du pays, la surveillance des tremblements. Dès que ce réseau enregistre quelque chose d'assez grand pour un problème potentiel, l'avertissement est émis, ce qui peut donner de quelques secondes à une minute de notification de la secousse entrante.
Lindsey insiste sur le fait que l’idée n’est pas de remplacer les systèmes existants - "dans son meilleur état [la fibre optique] pourrait ne pas être aussi bon que le meilleur sismomètre", fait-il remarquer, mais plutôt de les améliorer. "Nous considérons que la sismologie par fibres optiques est un excellent moyen de compléter les techniques d'alerte précoce aux tremblements de terre, qui sont en train de se développer autour de la planète", a-t-il déclaré.
Bien qu'il reste encore beaucoup à faire pour que cela se produise, des équipes de chercheurs et de nombreuses universités sont en cause. "C’est vraiment collectivement une entreprise plus importante", a déclaré Dou, notant qu'une équipe de CalTech travaille sur des projets similaires en fibre noire.
"C'est un domaine en plein essor, et nous sommes simplement chanceux d'être à l'avant-garde", a-t-elle déclaré.
