En sismologie traditionnelle, les chercheurs qui étudient les mouvements du sol juste avant, pendant et après un séisme utilisent des capteurs dont l'installation souterraine coûte des dizaines de milliers de dollars. En raison du coût et de la main-d'œuvre que cela implique, seuls quelques capteurs sismiques ont été installés dans des zones reculées de Californie, ce qui complique la compréhension des impacts des futurs séismes, ainsi que des petits séismes qui se produisent sur des failles non répertoriées.
Des chercheurs du Laboratoire national Lawrence Berkeley (Berkeley Lab), rattaché au Département de l'Énergie des États-Unis, ont découvert une solution pour surmonter ces obstacles. Ils ont transformé une partie d'un réseau de fibre optique noire de près de 21 000 kilomètres, appartenant au Réseau des sciences de l'énergie (ESnet) du Département de l'Énergie, en un capteur d'activité sismique ultrasensible. Ce capteur pourrait potentiellement améliorer les performances des systèmes d'alerte précoce aux séismes actuellement en développement dans l'ouest des États-Unis. L'étude détaillant ces travaux, les premiers à utiliser un vaste réseau régional comme capteur sismique, a été publiée cette semaine dans la revue Nature Scientific Reports.
La fibre noire révolutionne la sismologie.
Selon Jonathan Ajo-Franklin, chercheur au Laboratoire de la Terre et de l'Environnement de Berkeley et responsable de l'étude, on compte environ 10 millions de kilomètres de câbles à fibre optique dans le monde, dont près de 10 % sont des fibres noires – vestiges de la bulle Internet, époque où les entreprises de télécommunications se sont empressées d'installer d'immenses réseaux souterrains pour répondre aux besoins de ce secteur en plein essor. Avec l'amélioration des technologies de transmission de données, le nombre de câbles nécessaires a diminué, laissant derrière lui un important stock de fibres noires, inexploitées et prêtes à être utilisées.
L'équipe d'Ajo-Franklin travaille sur ce type d'expérience depuis plusieurs années. En 2017, elle a installé un câble à fibre optique dans une tranchée peu profonde à Richmond, en Californie, et a démontré qu'une nouvelle technologie de détection, la détection acoustique distribuée (DAS), pouvait être utilisée pour imager le sous-sol superficiel. La DAS est une technologie qui mesure les champs d'ondes sismiques en envoyant de courtes impulsions laser le long de la fibre. Dans une étude ultérieure, eux et un groupe de collaborateurs ont démontré pour la première fois que les câbles à fibres optiques pouvaient être utilisés comme capteurs pour détecter les tremblements de terre.
Une équipe de recherche dirigée par Jonathan Ajo-Franklin du Berkeley Lab a mené ses expériences sur un segment de 32 kilomètres du réseau ESnet Dark Fiber ESB, long de 21 000 kilomètres, qui s'étend de West Sacramento à Woodland, en Californie. (Crédit : Ajo-Franklin/Berkeley Lab)
La présente étude utilise la même technique DAS, mais au lieu de déployer son propre câble à fibre optique, les chercheurs ont mené leurs expériences sur un segment de 32 kilomètres d'un banc d'essai ESnet Dark Fiber de près de 21 000 kilomètres, qui s'étend de West Sacramento à Woodland, en Californie. « Pour confirmer nos résultats de l'étude de 2017, nous savions qu'il nous faudrait réaliser les tests DAS sur un véritable réseau de fibre noire », explique Ajo-Franklin, qui dirige également le département de géophysique du Berkeley Lab.
« Lorsque Jonathan m'a parlé de l'utilisation de notre banc d'essai de fibre noire, j'ignorais même qu'il était possible d'utiliser un réseau comme capteur », explique Inder Monga, directeur exécutif d'ESnet et directeur de la division Réseaux scientifiques au Berkeley Lab. « Personne n'avait réalisé ce travail auparavant. Mais les possibilités étaient immenses, alors j'ai dit : “Bien sûr, allons-y !” »
Chris Tracy, d'ESnet, a travaillé en étroite collaboration avec les chercheurs pour mettre au point la logistique du déploiement. L'entreprise de télécommunications CenturyLink a fourni les informations relatives à l'installation de la fibre.
Grâce à la couverture régionale du banc d'essai d'ESnet, les chercheurs ont pu surveiller l'activité sismique et le bruit ambiant avec une précision accrue par rapport aux études précédentes.
« La couverture du banc d'essai de fibre noire d'ESnet nous a permis d'obtenir des images du sous-sol à une résolution et à une échelle supérieures à celles qu'aurait permis un réseau de capteurs traditionnel », explique Veronica Rodriguez Tribaldos, co-auteure et chercheuse postdoctorale au sein du laboratoire d'Ajo-Franklin. « Les réseaux sismiques conventionnels n'utilisent généralement que quelques dizaines de capteurs espacés de plusieurs kilomètres pour couvrir une zone aussi vaste, mais grâce au banc d'essai ESnet et au DAS, nous disposons de 10 000 capteurs alignés avec un espacement de deux mètres. Cela signifie qu'avec un seul câble à fibre optique, il est possible de recueillir des informations très détaillées sur la structure du sol pendant plusieurs mois. »
Exploration approfondie des données souterraines :
En combinant la technologie DAS et la fibre noire, des chercheurs du laboratoire de Berkeley ont pu détecter des séismes locaux et lointains, de Berkeley à Gilroy (Californie), jusqu'au Chiapas (Mexique).
Après sept mois d'utilisation de la technologie DAS pour enregistrer des données via le banc d'essai de fibre noire ESnet, les chercheurs ont démontré les nombreux avantages de l'utilisation de la fibre disponible dans le commerce. « En seulement 40 minutes d'écoute, cette technologie a le potentiel de réaliser une dizaine de choses simultanément. Nous avons pu capter des ondes de très basse fréquence provenant de séismes lointains, ainsi que les fréquences plus élevées générées par les véhicules à proximité », a déclaré Ajo-Franklin. Cette technologie a permis aux chercheurs de différencier le bruit d'une voiture ou d'un train en mouvement d'un séisme, et de détecter les séismes locaux et lointains, de Berkeley à Gilroy et jusqu'au Chiapas (Mexique). Elle peut également être utilisée pour caractériser la qualité des sols, fournir des informations sur les aquifères et être intégrée à des études géotechniques, a-t-elle ajouté.
Grâce à cette image détaillée du sous-sol, cette technologie offre un potentiel considérable pour les études en temps réel des propriétés des sols, a déclaré Rodríguez Tribaldos. Par exemple, en matière de surveillance environnementale, cet outil pourrait servir à détecter les changements à long terme des eaux souterraines, la fonte du pergélisol ou les modifications hydrologiques liées aux risques de glissements de terrain.
Les résultats de cette étude suggèrent également que les chercheurs n'auront peut-être plus à choisir entre la qualité des données et leur coût. « Les capteurs des téléphones portables sont peu coûteux et nous avertissent lorsqu'un séisme important se produit à proximité, mais ils ne peuvent pas enregistrer les vibrations infimes de la planète », explique Nate Lindsey, co-auteur de l'étude et doctorant à l'UC Berkeley, qui a dirigé le travail de terrain et l'analyse sismique de l'étude de 2017. « Dans cette étude, nous démontrons que les fibres optiques, peu onéreuses, captent ces infimes mouvements du sol avec une précision surprenante. ».
Avec 300 téraoctets de données brutes collectées pour l'étude, les chercheurs ont dû relever le défi de gérer et de traiter efficacement ce flux massif d'informations sismiques. Ajo-Franklin a exprimé l'espoir de créer un jour un portail de données sismologiques combinant ESnet comme capteur et mécanisme de transfert de données, avec une gestion de l'analyse et du stockage à long terme des données assurée par le centre de supercalculateurs du Berkeley Lab, le NERSC (National Center for Scientific Computing for Energy Research).
Monga a ajouté que même si le banc d'essai de fibre noire sera bientôt activé pour la prochaine génération d'ESnet, baptisée « ESnet 6 », certaines sections pourraient être utilisées en sismologie. « Bien qu'il soit totalement inattendu qu'ESnet, un réseau transatlantique dédié à la recherche, puisse être utilisé comme capteur sismique, cela correspond parfaitement à notre mission », a-t-il déclaré. « Chez ESnet, nous voulons permettre la découverte scientifique sans contraintes géographiques. »
Ces travaux de recherche ont été financés par le Fonds de recherche et développement mené par le laboratoire, des recherches antérieures ayant bénéficié du soutien du Programme de recherche stratégique sur la défense environnementale (SERDP) du département de la Défense des États-Unis.
ESnet, une infrastructure utilisateur du Bureau des sciences du département de l'Énergie des États-Unis, est un réseau non classifié à haute performance créé pour soutenir la recherche scientifique. Il est exploité par le laboratoire de Berkeley.
