Fibre

Les câbles à fibres optiques constituent le vaste système nerveux souterrain qui répond à notre demande croissante de services Internet et de communications à haut débit. Cependant, les signaux dans les câbles peuvent occasionnellement subir des vibrations dues aux voitures qui passent au-dessus de leur tête, aux constructions à proximité ou même aux tremblements de terre. Les chercheurs ont déjà proposé d’exploiter ces perturbations pour convertir des milliers de kilomètres de câbles souterrains en réseaux sismiques sensibles.

Dans une nouvelle étude, des chercheurs du California Institute of Technology montrent que les câbles à fibres optiques détectent non seulement les séismes, mais peuvent également mesurer les nuances et la complexité des événements sismiques. Dans un cas, en utilisant un câble de 100 kilomètres, les chercheurs ont pu déterminer l'heure et l'emplacement de quatre mini-séismes plus petits qui constituaient un séisme de magnitude 6.

"Ce travail ne consiste pas seulement en une détection, il va au-delà de la détection", déclare Jiaxuan Li, chercheur postdoctoral en géophysique à Caltech et co-auteur de l'article publié le 2 août dans Nature. "Nous imaginons les détails du processus de rupture d'un tremblement de terre."

« Nous pourrions transformer ces réseaux [de fibres] très denses en réseaux sismiques que nous pourrions utiliser pour l’alerte précoce. »—Jiaxuan Li, Caltech

En exploitant davantage de câbles et en obtenant encore plus de données, les sismologues pourraient mieux comprendre les tremblements de terre. Et même s'il est peu probable qu'un ensemble de câbles à fibres optiques prédise les tremblements de terre avant qu'ils ne se produisent, les chercheurs pourraient utiliser cette technique pour aider à développer de meilleurs systèmes d'alerte précoce qui sauveraient des vies, dit Li.

La Californie subit généralement deux ou trois tremblements de terre chaque année, suffisamment graves, c'est-à-dire d'une magnitude de 5,5. ou plus – pour causer des dommages modérés aux structures. Il existe plus de 700 sismomètres dans tout l’État. Chacun coûte jusqu'à 50 000 dollars américains et le réseau de détecteurs est coûteux à entretenir.

Avoir un capteur aussi proche que possible d’une source sismique est important pour une détection précoce. Cela n'est pas possible avec des sismomètres coûteux, explique Li. Les câbles à fibres optiques, en revanche, sont déjà posés dans le sol et s'entrecroisent partout, offrant ainsi un réseau de capteurs sismiques dense et peu coûteux. « Nous disposons d'un réseau de fibre optique très étendu dans les villes et entre les villes », explique-t-il. « Nous pourrions transformer ces réseaux très denses en réseaux sismiques que nous pourrions utiliser pour l’alerte précoce. »

Li et ses collègues ont utilisé une technique appelée détection acoustique distribuée (DAS), qui, bien que nouvelle dans le monde de la sismologie, est déjà utilisée pour surveiller les défauts des pipelines et des câbles électriques. La méthode consiste à envoyer des impulsions de lumière laser sur des fibres optiques et à mesurer l'intensité des signaux réfléchis par les imperfections de la fibre. Un léger étirement ou contraction de la fibre (par exemple, suite à un tremblement de terre) peut modifier les signaux réfléchis.

En fonction du temps de retour de l'impulsion, vous pouvez déterminer avec précision quand et où la perturbation s'est produite le long du câble. Étant donné que la lumière est réfléchie par des milliers de points d’imperfection le long des fibres, un tronçon de câble long de plusieurs kilomètres peut faire office de milliers de sismomètres. Cela signifie beaucoup plus de données sismiques, conduisant à une résolution plus élevée, ce qui permet de localiser avec précision l'emplacement d'une activité sismique plus faible.

Les chercheurs de Caltech ont converti des câbles optiques préexistants en un réseau DAS. Les sociétés de télécommunications installent généralement plus de fibre que ce dont elles ont besoin, et l’équipe de recherche exploite une partie de cette fibre « sombre » inutilisée. Avec l'autorisation de la California Broadband Cooperative, l'équipe a installé un émetteur-récepteur DAS à une extrémité d'un câble à fibre optique le long de la frontière entre la Californie et le Nevada.

Dans leur étude, les chercheurs ont analysé les signaux lumineux de deux sections de 50 kilomètres de câble à fibre optique qui ont enregistré le séisme de magnitude 6 d’Antelope Valley en 2021. Les sections de câbles à fibres optiques étaient situées au nord et au sud de la ville d'Old Mammoth. Au total, les 100 km de câble ont fourni des données équivalentes à celles de 10 000 sismomètres.