Les câbles à fibres optiques détectent et caractérisent les tremblements de terre

2 août 2023

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par l'Institut de technologie de Californie

En Californie, des milliers de kilomètres de câbles à fibres optiques sillonnent l’État, fournissant ainsi Internet à la population. Mais ces câbles souterrains peuvent aussi avoir une fonction secondaire surprenante : ils peuvent détecter et mesurer les tremblements de terre. Dans une nouvelle étude menée à Caltech, des scientifiques rapportent avoir utilisé une section de câble à fibre optique pour mesurer les détails complexes d'un séisme de magnitude 6, en identifiant l'heure et l'emplacement de quatre aspérités individuelles, les zones « coincées » de la faille, qui ont conduit à la rupture. .

Depuis plusieurs années, le professeur de géophysique Zhongwen Zhan et son équipe visent à montrer que la réutilisation des câbles à fibres optiques est un moyen simple d'étendre considérablement notre capacité à mesurer l'activité sismique en produisant un réseau dense de sismomètres de fortune selon une méthode appelée détection acoustique distribuée.

La nouvelle étude, parue dans la revue Nature, a utilisé seulement une section de câble de 100 kilomètres pour comprendre précisément la mécanique complexe derrière un tremblement de terre particulier de 2021, suggérant que l'accès à davantage de câbles permettrait une meilleure compréhension de la physique des tremblements de terre et, à terme, une meilleure détection précoce des tremblements de terre. systèmes d’alerte.

"Si nous pouvons obtenir une couverture plus large pour mesurer l'activité sismique, nous pouvons révolutionner la façon dont nous étudions les tremblements de terre et fournir des alertes plus précoces", explique Zhan. "Bien que nous ne puissions pas prédire les tremblements de terre, la détection acoustique distribuée permettra de mieux comprendre les détails qui sous-tendent la rupture de la Terre."

Il existe environ 500 sismomètres répartis sur environ 56 500 milles carrés du sud de la Californie, et chacun coûte jusqu'à 50 000 dollars. D’un autre côté, utiliser des câbles à fibres optiques dans tout l’État pourrait équivaloir à le couvrir de millions de sismomètres.

Pour utiliser un câble à fibre optique comme sismomètre, des émetteurs laser sont placés à une extrémité du câble, projetant des faisceaux de lumière à travers les longs et minces brins de verre qui constituent l'âme du câble. Le verre présente de minuscules imperfections qui réfléchissent une infime partie de la lumière vers la source, où elle est enregistrée.

De cette manière, chaque imperfection agit comme un point de cheminement traçable le long du câble à fibre optique, qui est généralement enfoui juste sous le niveau du sol. Les ondes sismiques se déplaçant à travers le sol font légèrement bouger le câble, ce qui modifie le temps de trajet de la lumière vers et depuis ces points de cheminement. Ainsi, les imperfections le long du câble agissent comme des milliers de sismomètres individuels qui permettent aux sismologues d'observer le mouvement des ondes sismiques.

Dans cette nouvelle étude, l’équipe a examiné les signatures lumineuses traversant un tronçon de câble à fibre optique situé dans l’est de la Sierra Nevada lors du tremblement de terre de magnitude 6 d’Antelope Valley en 2021. La section de câble équivalait à 10 000 sismomètres et a permis de découvrir que le M6 était constitué d'une séquence de quatre ruptures plus petites. Ces soi-disant « sous-événements », comme les mini-séismes, ne pourraient pas être détectés par un réseau sismique conventionnel.

En collaboration avec le laboratoire de Nadia Lapusta, Lawrence A. Hanson, Jr., professeur de génie mécanique et de géophysique, l'équipe a pu créer un modèle précis du séisme M6 basé sur l'activité sismique mesurée. Le modèle a montré le timing des quatre sous-événements et a identifié leurs emplacements exacts sur la région de la faille.

"L'utilisation d'un câble à fibre optique comme série de sismomètres révèle des aspects de la physique des tremblements de terre qui ont longtemps fait l'objet d'hypothèses mais qui sont difficiles à imager", explique Zhan. "Par analogie, imaginez votre télescope de jardin de tous les jours. Vous pouvez voir Jupiter, mais vous ne pouvez probablement pas voir ses lunes ni aucun détail. Avec un télescope vraiment puissant, vous pouvez voir les moindres détails de la planète et des surfaces lunaires. Notre technologie est comme un puissant télescope pour les tremblements de terre.