Comment les câbles à fibre optique pourraient vous avertir d'un tremblement de terre

Jul 07, 2023

Matt Simon

Le séisme de magnitude 7,8 qui a frappé la Turquie et la Syrie lundi est un rappel brutal qu'au fond, la planète Terre cache encore des secrets. Les scientifiques savent très bien que les failles sont sujettes aux tremblements de terre, mais ils ne peuvent pas dire quand un agitateur frappera ni quelle sera sa taille. S'ils le pouvaient, le nombre de morts ne s'élèverait pas à plus de 20 000 jusqu'à présent - et les sauveteurs se démènent toujours pour trouver des survivants.

Pourtant, ces dernières années, les scientifiques ont fait des progrès dans le développement de systèmes d'alerte précoce aux tremblements de terre, dans lesquels des sismomètres détectent les débuts de grondements et envoient des alertes directement sur les téléphones des gens. Cette alarme ne survient pas des jours ou des heures avant le tremblement de terre, mais quelques secondes. Les frappes sismiques de la planète sont tout simplement trop soudaines pour que les scientifiques fournissent des délais d'avertissement substantiels.

Une nouvelle technique, cependant, pourrait un jour renforcer ces systèmes d'alerte précoce, offrant plus de temps aux gens pour se préparer aux tremblements de terre à venir, même si cela serait toujours de l'ordre de quelques secondes, selon la proximité d'une personne avec l'épicentre. . C'est ce qu'on appelle la détection acoustique distribuée, ou DAS. Bien que le domaine en soit encore à ses balbutiements, le DAS pourrait puiser dans les câbles à fibres optiques enfouis sous nos pieds en tant que réseau tentaculaire et ultra-sensible pour détecter les ondes sismiques. Ces câbles sont utilisés pour les télécommunications, mais ils peuvent être réutilisés pour détecter les tremblements de terre et les éruptions volcaniques car le mouvement du sol perturbe légèrement la lumière traversant le câble, créant un signal distinct.

Le DAS ne peut pas prédire les tremblements de terre ; il détecte juste les premiers tremblements. "Aucun système, qu'il s'agisse d'un sismomètre ou d'un câble à fibre optique, ne peut détecter les choses avant qu'elles ne se produisent au niveau du capteur", explique le géoscientifique Philippe Jousset du Centre de recherche allemand pour les géosciences, qui a utilisé le DAS pour détecter l'activité volcanique sur l'Etna en Italie. "Nous devons avoir le capteur le plus près possible d'une source afin de pouvoir détecter tôt. Il y a beaucoup de câbles partout. Donc, si nous pouvions les surveiller tous en même temps, nous obtiendrions des informations dès que quelque chose se passe." ."

Lorsqu'une faille se rompt, elle déclenche différents types d'ondes sismiques. Les principales, les ondes P, voyagent à 3,7 miles par seconde. Ce ne sont pas super dommageables pour les maisons et autres infrastructures. Les ondes secondaires, ou ondes S, sont beaucoup plus dommageables, se déplaçant à 2,5 miles par seconde. Encore plus destructrices sont les ondes de surface, qui se déplacent à peu près à la même vitesse que les ondes S ou peut-être un peu plus lentement. Ceux-ci se déchirent le long de la surface de la Terre, entraînant une déformation spectaculaire du sol. (Elles sont particulièrement destructrices parce que leur énergie est concentrée sur un plan relativement plat le long de la surface, alors que les ondes P et S se propagent de manière plus tridimensionnelle sous terre, distribuant leur énergie.)

Les systèmes d'alerte précoce aux tremblements de terre existants, comme ShakeAlert de l'United States Geological Survey, utilisent des sismomètres pour exploiter les différentes vitesses des ondes sismiques. ShakeAlert se compose d'environ 1 400 stations sismiques à travers la Californie, l'Oregon et Washington, avec des plans pour en ajouter près de 300 autres. Ceux-ci surveillent les ondes P à déplacement rapide, qui préviennent des ondes S et des ondes de surface plus dommageables en cours de route. Si un tremblement de terre frappe et qu'au moins quatre stations distinctes détectent l'événement, ce signal est envoyé à un centre de données. Si les algorithmes du système déterminent que le tremblement sera supérieur à une magnitude 5, il déclenchera une alerte d'urgence qui sera envoyée aux téléphones portables des résidents locaux. (Grâce à un partenariat ShakeAlert avec Google, il est envoyé aux utilisateurs d'Android si la magnitude est supérieure à 4,5.)

Jérémy Blanc

Emilie Mullin

Chevalier

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Tout ce transfert de données via les équipements de télécommunications modernes se produit à la vitesse de la lumière - environ 186 000 miles par seconde - ce qui est beaucoup, beaucoup plus rapide que les ondes sismiques destructrices. Mais le nombre d'avertissements reçus par un résident dépend de sa distance par rapport à l'épicentre. S'ils sont juste au-dessus, il n'y a tout simplement pas assez de temps pour recevoir l'alerte avant qu'ils ne se sentent tremblants. Pensez-y comme à un orage : plus vous êtes proche de l'éclair, plus tôt vous entendez le tonnerre.

"Tout se passe très vite", déclare Robert-Michael de Groot, membre de l'équipe des opérations ShakeAlert au USGS Earthquake Science Center. "Si vous êtes assez loin, vous aurez peut-être quelques secondes. Et c'est mieux qu'avant l'existence de l'alerte précoce en cas de tremblement de terre, où le seul signal que vous saviez que quelque chose se passait était que le sol tremblait."

Avec ces quelques secondes, les gens peuvent rassembler leurs enfants et se mettre sous une table. ShakeAlert dépasse fondamentalement le tremblement de terre, du moins les fragments que les humains ressentent à la surface comme des secousses intenses. "C'est une course", dit de Groot. "Les gens peuvent ressentir une bosse ou quelque chose comme ça, mais ensuite, lorsque la forte secousse arrive, j'espère que l'alerte aurait été délivrée et que les gens auraient été en position."

DAS fonctionne sur le même principe que ShakeAlert, mais au lieu de sismomètres surveillant les ondes P, il utilise de vastes étendues de câbles à fibres optiques. Les scientifiques peuvent obtenir l'autorisation de connecter un appareil appelé interrogateur à des câbles inutilisés. (Les entreprises de télécommunications déposaient souvent plus que ce dont elles avaient besoin.) Cet appareil déclenche des impulsions laser sur le fil et analyse de minuscules morceaux de lumière qui rebondissent lorsque la fibre est perturbée. Parce que les scientifiques connaissent la vitesse de la lumière, ils peuvent identifier les perturbations en fonction du temps qu'il a fallu au signal pour revenir à l'interrogateur.

Au lieu de prendre des mesures sismiques en un seul point, comme le fait un sismomètre, le DAS ressemble plus à une chaîne longue de plusieurs kilomètres qui forme un capteur de tremblement de terre géant. S'il y a un tas de câbles qui zigzaguent à travers une région, tant mieux. "L'un des grands avantages du DAS est en fait que beaucoup de ces câbles sont déjà là, donc ils sont facilement disponibles", explique Sunyoung Park, sismologue à l'Université de Chicago.

Le DAS peut également être en mesure de collecter des données là où il n'y a pas de stations sismiques appropriées, comme les zones rurales qui ont des câbles à fibre optique qui s'étendent en dessous. Parce que ces câbles sont également sous la mer - longeant les côtes et reliant les continents à travers les océans - ils peuvent également y capter des tremblements de terre. Pour ces portées plus longues, les chercheurs utilisent des "répéteurs", des appareils déjà placés tous les 40 miles environ le long des câbles qui amplifient les signaux. Dans ce cas, au lieu d'analyser la lumière qui rebondit sur un interrogateur, ils analysent le signal qui atteint chaque répéteur.

L'année dernière, des scientifiques ont décrit comment ils ont utilisé un câble allant du Royaume-Uni au Canada pour détecter des tremblements de terre jusqu'au Pérou. La technique était si sensible que le câble captait même le mouvement des marées, ce qui signifie qu'il pourrait potentiellement être utilisé pour détecter également les tsunamis engendrés par des tremblements de terre sous-marins.

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Et le mois dernier, dans la revue Scientific Reports, une équipe distincte de chercheurs a décrit comment ils ont utilisé des câbles sous-marins au large des côtes du Chili, de la Grèce et de la France pour détecter les tremblements de terre. Ils ont comparé ces données aux données des sismomètres qui surveillaient les mêmes événements, et elles correspondaient bien. "Nous pouvons, en temps réel pendant que le tremblement de terre se produit, analyser les signaux enregistrés à l'aide de fibres optiques et estimer la magnitude du tremblement de terre", explique Itzhak Lior, sismologue à l'Université hébraïque d'Israël et auteur principal de l'article. "Ce qui change la donne ici, c'est que nous pouvons estimer la magnitude tous les 10 mètres le long de la fibre."

Parce qu'un sismomètre traditionnel mesure en un seul point, il peut être perturbé par un bruit de données localisé, comme celui causé par les gros véhicules qui passent. "Si vous avez des fibres, vous pouvez en fait distinguer assez facilement un tremblement de terre du bruit, car un tremblement de terre est enregistré presque instantanément sur des centaines de mètres", explique Lior. "S'il s'agit d'une source de bruit locale, comme une voiture ou un train ou autre, vous ne le voyez que sur quelques dizaines de mètres."

Fondamentalement, le DAS augmente considérablement la résolution des données sismiques. Cela ne veut pas dire que ce serait un remplacement pour ces instruments très précis, plutôt un complément à eux. L'idée générale est simplement de rapprocher davantage de détecteurs sismiques des épicentres des tremblements de terre, améliorant ainsi la couverture. "En ce sens, peu importe que vous disposiez de sismomètres ou de DAS", explique Lior. "Plus vous êtes proche du tremblement de terre, mieux c'est."

Et la recherche DAS a quelques défis à relever, notamment que les câbles à fibres optiques n'ont pas été conçus pour détecter l'activité sismique, ils ont été conçus pour transporter des informations. "L'un des problèmes avec les câbles DAS est qu'ils ne sont pas nécessairement ce que nous appelons" bien couplés "au sol", explique Park, ce qui signifie que les lignes peuvent simplement être posées de manière lâche dans la tuyauterie, tandis qu'un sismomètre approprié est finement réglé et situé pour détecter les grondements. Les scientifiques étudient comment la collecte de données d'un câble pourrait changer en fonction de la façon dont il est posé sous terre. Mais comme il existe tant de kilomètres de fibre optique, en particulier dans les zones urbaines, les scientifiques ont de nombreuses options. "Puisque c'est si dense, vous avez beaucoup de données avec lesquelles jouer", déclare Park.

Un autre obstacle, explique le géophysicien Ariel Lellouch, qui étudie le DAS à l'Université de Tel Aviv, est que le fait de tirer constamment des impulsions laser sur la fibre optique et d'analyser ce qui revient aux interrogateurs crée une énorme quantité d'informations à analyser. "La simple quantité de données que vous acquérez et le traitement signifient que vous devrez probablement en faire beaucoup sur place", déclare Lellouch. "Cela signifie que vous ne pouvez pas vous permettre de télécharger toutes les données sur Internet, puis de les traiter dans un emplacement centralisé. Parce qu'au moment où vous les téléchargez, le tremblement de terre aurait été bien loin de vous."

À l'avenir, ce traitement pourrait en fait se produire dans les interrogateurs eux-mêmes, créant ainsi un réseau de détecteurs fonctionnant en continu. La même fibre optique qui vous apporte Internet pourrait bien vous apporter de précieuses secondes d'avertissement supplémentaire pour vous préparer à un tremblement de terre.