Les câbles de télécommunications sous-marins constituent un superbe réseau sismique

Sep 30, 2023

Les océans sont sillonnés par des câbles de télécommunications, comme l'illustre ce graphique prédisant les câbles à fibre optique qui seront opérationnels d'ici 2021, dont beaucoup (en jaune) appartiennent à des entreprises privées comme Google et Microsoft. Ces câbles pourraient servir un double objectif en tant que stations sismiques pour surveiller les tremblements de terre et les systèmes de failles sur les 70 % de la Terre recouverts d'eau. (Graphique avec l'aimable autorisation du New York Times)

Les câbles à fibres optiques qui constituent un réseau mondial de télécommunications sous-marines pourraient un jour aider les scientifiques à étudier les tremblements de terre en mer et les structures géologiques cachées profondément sous la surface de l'océan.

Dans un article paru cette semaine dans la revue Science, des chercheurs de l'Université de Californie à Berkeley, du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), du Monterey Bay Aquarium Research Institute (MBARI) et de l'Université Rice décrivent une expérience qui a transformé 20 kilomètres de fibre sous-marine -câble optique dans l'équivalent de 10 000 stations sismiques le long du fond de l'océan. Au cours de leur expérience de quatre jours dans la baie de Monterey, ils ont enregistré un séisme de magnitude 3,5 et une diffusion sismique à partir de zones de failles sous-marines.

Leur technique, qu'ils avaient précédemment testée avec des câbles à fibres optiques sur terre, pourrait fournir des données indispensables sur les tremblements de terre qui se produisent sous la mer, où peu de stations sismiques existent, laissant 70% de la surface de la Terre sans détecteurs de tremblement de terre.

"Il y a un énorme besoin de sismologie des fonds marins. Toute instrumentation que vous sortez dans l'océan, même si ce n'est que pour les 50 premiers kilomètres du rivage, sera très utile", a déclaré Nate Lindsey, étudiant diplômé de l'UC Berkeley et auteur principal. du papier.

Lindsey et Jonathan Ajo-Franklin, professeur de géophysique à la Rice University de Houston et chercheur au Berkeley Lab, ont mené l'expérience avec l'aide de Craig Dawe de MBARI, propriétaire du câble à fibre optique. Le câble s'étend sur 52 kilomètres au large jusqu'à la première station sismique jamais placée au fond de l'océan Pacifique, installée il y a 17 ans par MBARI et Barbara Romanowicz, professeure à l'UC Berkeley de la Graduate School du Département des sciences de la Terre et des planètes. Un câble permanent vers le nœud MARS (Monterey Accelerated Research System) a été posé en 2009, dont 20 kilomètres ont été utilisés dans ce test hors ligne pour la maintenance annuelle en mars 2018.

Les chercheurs ont utilisé 20 kilomètres (rose) d'un câble à fibre optique sous-marin de 51 kilomètres, normalement utilisé pour communiquer avec un nœud scientifique offshore (MARS, Monterey Accelerated Research System), comme réseau sismique pour étudier les zones de faille sous la baie de Monterey . Au cours du test de quatre jours, les scientifiques ont détecté un tremblement de terre de magnitude 3,5 à 45 kilomètres à Gilroy et ont cartographié des zones de failles jusqu'alors inexplorées (cercle jaune). (Photo de Nate Lindsey)

"Il s'agit vraiment d'une étude à la frontière de la sismologie, la première fois que quelqu'un utilise des câbles à fibres optiques offshore pour observer ces types de signaux océanographiques ou pour imager des structures de failles", a déclaré Ajo-Franklin. "L'un des points blancs du réseau sismographique mondial se trouve dans les océans."

Le but ultime des efforts des chercheurs, a-t-il dit, est d'utiliser les réseaux de fibres optiques denses autour du monde - probablement plus de 10 millions de kilomètres en tout, sur terre et sous la mer - comme mesures sensibles du mouvement de la Terre, permettant la surveillance des tremblements de terre dans les régions qui ne disposent pas de stations au sol coûteuses comme celles qui parsèment une grande partie de la Californie sujette aux tremblements de terre et de la côte du Pacifique.

"Le réseau sismique existant a tendance à avoir des instruments de haute précision, mais il est relativement clairsemé, alors que cela vous donne accès à un réseau beaucoup plus dense", a déclaré Ajo-Franklin.

La technique utilisée par les chercheurs est la détection acoustique distribuée, qui utilise un dispositif photonique qui envoie de courtes impulsions de lumière laser dans le câble et détecte la rétrodiffusion créée par la tension dans le câble causée par l'étirement. Grâce à l'interférométrie, ils peuvent mesurer la rétrodiffusion tous les 2 mètres (6 pieds), transformant efficacement un câble de 20 kilomètres en 10 000 capteurs de mouvement individuels.

L'observatoire câblé du Monterey Accelerated Research System (MARS), un nœud pour les instruments scientifiques au fond de l'océan à 891 mètres (2 923 pieds) sous la surface de la baie de Monterey, est relié au rivage par un câble sous-marin de 52 kilomètres (32 milles) qui transporte des données et de l'énergie. Environ 20 kilomètres de câble ont été utilisés pour tester la sismologie photonique sur le fond marin. (Copyright MBARI, 2009)

"Ces systèmes sont sensibles aux changements de nanomètres à des centaines de picomètres pour chaque mètre de longueur", a déclaré Ajo-Franklin. "C'est un changement d'une partie sur un milliard."

Plus tôt cette année, ils ont rapporté les résultats d'un essai de six mois sur terre utilisant 22 kilomètres de câble près de Sacramento mis en place par le ministère de l'Énergie dans le cadre de son banc d'essai de fibre noire ESnet de 13 000 milles. La fibre noire fait référence aux câbles optiques posés sous terre, mais inutilisés ou loués pour une utilisation à court terme, contrairement à l'Internet « éclairé » activement utilisé. Les chercheurs ont pu surveiller l'activité sismique et le bruit environnemental et obtenir des images souterraines à une résolution plus élevée et à une plus grande échelle que ce qui aurait été possible avec un réseau de capteurs traditionnel.

"La beauté de la sismologie à fibre optique est que vous pouvez utiliser les câbles de télécommunications existants sans avoir à installer 10 000 sismomètres", a déclaré Lindsey. "Il vous suffit de vous rendre sur le site et de connecter l'instrument à l'extrémité de la fibre."

Au cours de l'essai sous-marin, ils ont pu mesurer une large gamme de fréquences d'ondes sismiques à partir d'un tremblement de terre de magnitude 3,4 qui s'est produit à 45 kilomètres à l'intérieur des terres près de Gilroy, en Californie, et cartographier plusieurs zones de failles sous-marines connues et non cartographiées auparavant, faisant partie de la faille de San Gregorio. système. Ils ont également été en mesure de détecter des vagues océaniques à l'état d'équilibre - ce que l'on appelle des microséismes océaniques - ainsi que des vagues de tempête, qui correspondaient toutes aux mesures sismiques des bouées et des terres.

"Nous avons d'énormes lacunes dans les connaissances sur les processus au fond de l'océan et la structure de la croûte océanique, car il est difficile de mettre des instruments comme des sismomètres au fond de la mer", a déclaré Michael Manga, professeur de sciences de la Terre et des planètes à l'UC Berkeley. "Cette recherche montre la promesse d'utiliser des câbles à fibres optiques existants comme réseaux de capteurs pour imager de nouvelles façons. Ici, ils ont identifié des ondes précédemment hypothétiques qui n'avaient pas été détectées auparavant."

Selon Lindsey, les sismologues s'intéressent de plus en plus à l'enregistrement du champ de bruit ambiant de la Terre causé par les interactions entre l'océan et la terre continentale : essentiellement, les vagues qui clapotent près des côtes.

"En utilisant ces câbles à fibres optiques côtiers, nous pouvons essentiellement observer les vagues que nous avons l'habitude de voir du rivage cartographiées sur le fond marin, et la façon dont ces vagues océaniques se couplent à la Terre pour créer des ondes sismiques", a-t-il déclaré.

Pour utiliser les câbles à fibres optiques éclairés du monde, Lindsey et Ajo-Franklin doivent montrer qu'ils peuvent envoyer des impulsions laser via un canal sans interférer avec les autres canaux de la fibre qui transportent des paquets de données indépendants. Ils mènent actuellement des expériences avec des fibres allumées, tout en planifiant également une surveillance par fibre optique des événements sismiques dans une zone géothermique au sud de la mer de Salton, dans le sud de la Californie, dans la zone sismique de Brawley.

La recherche a été financée par le département américain de l'énergie par le biais du programme de recherche et développement dirigé par le laboratoire de Berkeley Lab, la National Science Foundation (DGE 1106400) et la David and Lucille Packard Foundation. L'analyse finale a été soutenue par le Laboratoire national des technologies énergétiques du ministère de l'Énergie dans le cadre du projet GoMCarb (DE-AC02-05CH11231).