Surveiller les tremblements de terre à faible coût grâce aux réseaux de fibres optiques

Des géophysiciens de l’ETH Zurich ont démontré que chaque onde d’un tremblement de terre de magnitude 3.9 est enregistrée dans le système de suppression du bruit des réseaux de fibres optiques. Cette méthode pourrait permettre de mettre en place des systèmes d’alerte précoce aux tremblements de terre et aux tsunamis à faible coût.

Une surveillance sismique dans les pays moins développés

Alors que les pays riches comme la Suisse disposent d’un réseau dense de stations de surveillance des tremblements de terre, ce n’est pas le cas dans les pays moins développés et au fond des océans du monde.

Les régions plus pauvres manquent d’argent pour le nombre nécessaire de capteurs, tandis que les océans nécessitent des systèmes complexes capables de mesurer de manière fiable les changements de pression minimaux à des profondeurs de milliers de mètres et de transmettre les signaux de données à la surface.

Utilisation secondaire des données de suppression du bruit

Des scientifiques de l’Institut de géophysique de l’ETH Zurich, en collaboration avec l’Institut fédéral suisse de métrologie (METAS), ont découvert une méthode étonnante et peu coûteuse qui permet des mesures précises des tremblements de terre même au fond de l’océan et dans les pays moins développés.

« Nous profitons d’une fonction que l’infrastructure existante de fibres optiques effectue déjà : nous obtenons les données de vibration du système actif de suppression du bruit, qui a pour tâche d’augmenter la précision des signaux dans la communication de données optiques », explique le professeur de géophysique Andreas Fichtner. Il suffit de stocker les données de suppression active du bruit et de les évaluer – pas besoin de dispositifs supplémentaires ou d’infrastructure coûteuse.

Comment le « bruit » des vibrations est éteint

Pour comprendre comment l’annulation active du bruit de phase (PNC) peut mesurer les tremblements sismiques, il est utile de la comparer avec les systèmes de suppression du bruit des casques haut de gamme d’aujourd’hui, qui font disparaître presque complètement le bruit ambiant pour les utilisateurs. Ces casques sont équipés de microphones qui captent le bruit externe. Ce signal est inversé et ensuite introduit dans les signaux audio pratiquement en temps réel. Le signal en phase inversée annule le bruit externe un à un, le rendant inaudible.

Dans le PNC d’un système de communication de données optiques, le «bruit ambiant» dans la fibre optique est déterminé en comparant le signal initialement transmis avec un signal partiel qui est réfléchi par le récepteur. La différence entre les deux signaux indique alors l’interférence à laquelle le signal lumineux a été exposé sur son chemin à travers la fibre optique. Tout comme avec la suppression du bruit dans les casques, cette interférence peut être annulée en utilisant un anti-signal approprié.

Les déformations causent des changements de fréquence minimaux

Dans la transmission de données optiques, le «bruit» est causé lorsque les fibres optiques sont perturbées par de simples micromètres. Cela se produit en réponse aux déformations de la surface de la Terre dues aux tremblements de terre, aux vagues d’eau, aux différences de pression de l’air et à l’activité humaine. Chaque déformation raccourcit ou allonge légèrement la fibre. Cela entraîne ce que l’on appelle un effet photo-élastique, qui fait fluctuer très légèrement la vitesse de la lumière dans la fibre.

Les changements de longueur de la fibre et les fluctuations de la vitesse de la lumière modifient la fréquence du signal lumineux d’un facteur minuscule. Ce phénomène est connu depuis plusieurs années et a déjà été utilisé dans des instruments spéciaux pour mesurer les vibrations.

Correspondance exacte avec le Service sismologique suisse

Ces changements peuvent être minuscules, mais ils donnent une image extrêmement claire des vibrations auxquelles les câbles de fibres optiques sont exposés pendant la période d’observation. « En utilisant le PNC de la liaison en fibre optique entre Bâle et le site de l’horloge atomique à METAS à Berne, nous avons pu suivre chaque onde d’un tremblement de terre de magnitude 3.9 en Alsace en détail », explique Andreas Fichtner. « Mais encore mieux, un modèle du tremblement de terre basé sur nos données correspondait également très précisément aux mesures prises par le Service sismologique suisse. »

Cette correspondance presque exacte montre que les données PNC peuvent être utilisées pour déterminer l’emplacement, la profondeur et la magnitude d’un tremblement de terre avec un haut degré de précision. « C’est particulièrement intéressant pour les alertes de tsunami complètes ou pour mesurer les tremblements de terre dans les régions moins développées du monde », précise le professeur de physique.

Le financement de l’ETH pour la recherche indépendante

Pour Fichtner, l’histoire de la façon dont la nouvelle méthode a été développée est également exemplaire. L’idée est née d’une discussion entre des chercheurs de l’ETH et un spécialiste de METAS. Dès que l’équipe ETH-METAS a reconnu le potentiel des données PNC, ils ont rapidement mis en œuvre l’idée.

« Pour que la science surprenante émerge, il faut qu’il y ait des fonds disponibles pour des activités de recherche qui ne poursuivent pas un objectif prédéfini », a t-il dit. « L’ETH est idéale pour ce type de projet. Contrairement à de nombreuses autres universités, j’ai des fonds illimités à ma disposition en tant que chercheur ici. »

En synthèse

Cette nouvelle méthode de surveillance des tremblements de terre à l’aide de réseaux de fibres optiques pourrait révolutionner la façon dont nous surveillons et réagissons aux tremblements de terre, en particulier dans les régions moins développées et les océans. En utilisant les données existantes de suppression du bruit, les chercheurs peuvent obtenir des informations précises sur les tremblements de terre sans avoir besoin d’équipements supplémentaires ou d’infrastructures coûteuses.

Pour une meilleure compréhension

Qu’est-ce que le système de suppression du bruit dans les réseaux de fibres optiques ?

C’est une fonction de l’infrastructure existante de fibres optiques qui permet d’augmenter la précision des signaux dans la communication de données optiques. Il est capable d’enregistrer les vibrations causées par les tremblements de terre.

Comment cette méthode peut-elle aider à surveiller les tremblements de terre ?

En stockant et en évaluant les données de suppression active du bruit, les chercheurs peuvent obtenir des informations précises sur les tremblements de terre sans avoir besoin d’équipements supplémentaires ou d’infrastructures coûteuses.

Qu’est-ce que l’annulation active du bruit de phase (PNC) ?

Le PNC est une méthode utilisée pour mesurer les tremblements sismiques. Il fonctionne de manière similaire aux systèmes de suppression du bruit des casques haut de gamme, en annulant le «bruit» ou les vibrations externes.

Qu’est-ce qui cause le « bruit » dans la transmission de données optiques ?

Le «bruit» est causé lorsque les fibres optiques sont perturbées par de simples micromètres. Cela se produit en réponse aux déformations de la surface de la Terre dues aux tremblements de terre, aux vagues d’eau, aux différences de pression de l’air et à l’activité humaine.

Quel est le potentiel de cette nouvelle méthode ?

Les données PNC peuvent être utilisées pour déterminer l’emplacement, la profondeur et la magnitude d’un tremblement de terre avec un haut degré de précision. Cela pourrait être particulièrement utile pour les alertes de tsunami complètes ou pour mesurer les tremblements de terre dans les régions moins développées du monde.

Principaux enseignements

Références

Noe S, Husmann D, Müller N. et al. Long-​range fiber-​optic earthquake sensing by active phase noise cancellation. Sci Rep 13, 13983 (2023). doi: external page10.1038/s41598-​023-41161-xcall_made