Mesurer les tremblements de terre et les tsunamis avec des réseaux de fibres optiques

Un réseau dense de stations de mesure sismiques est une évidence dans les pays riches comme la Suisse. Ce n'est pas le cas dans les pays moins développés et au fond des océans. Alors que dans les régions pauvres du monde, l'argent manque pour acheter le nombre nécessaire de capteurs, des systèmes complexes doivent être installés dans les océans pour mesurer de manière fiable les changements de pression minimaux à des milliers de mètres de profondeur et pour transmettre les signaux de données à la surface de la mer.

Utilisation secondaire des données de réduction du bruit

Des scientifiques:de l'Institut de géophysique de l'ETH Zurich, en collaboration avec l'Institut fédéral de métrologie METAS, viennent de trouver une méthode étonnante et peu co?teuse pour réaliser des mesures sismiques précises, même au fond des océans et dans les pays moins développés. "Nous utilisons une fonction de l'infrastructure à fibres optiques existante et obtenons les données sur les secousses à partir de la suppression active du bruit, qui, dans la communication optique des données, augmente la précision des signaux", explique le professeur de géophysique Andreas Fichtner. Les données de la réduction active du bruit doivent simplement être enregistrées et analysées. Pour cela, aucun appareil supplémentaire ni aucune infrastructure co?teuse ne sont nécessaires.

Le "bruit" des vibrations s'efface

Pour comprendre comment une Active Phase Noise Cancellation (PNC) peut mesurer les secousses telluriques, une comparaison avec les systèmes de réduction du bruit des casques haut de gamme actuels, qui font presque totalement dispara?tre le bruit ambiant pour les utilisateurs, est utile. Dans ce cas, des microphones enregistrent les bruits extérieurs. Pratiquement en temps réel, le signal opposé est injecté dans les signaux sonores. Ce contre-signal efface un à un les bruits extérieurs et les rend ainsi inaudibles.

Dans le PNC d'un système de communication de données optique, le "bruit ambiant" dans la fibre optique est déterminé en comparant le signal initialement émis avec un signal partiel réfléchi par le récepteur. La différence entre les deux signaux indique alors les perturbations auxquelles le signal lumineux a été soumis au cours de son trajet dans la fibre optique. Tout comme pour la réduction du bruit dans les écouteurs, ces perturbations peuvent être annulées par un contre-signal approprié.

Les déformations modifient la fréquence de manière minimale

Le "bruit" dans la transmission optique des données est d? à des déformations des fibres de l'ordre du micromètre. Elles sont la conséquence des déformations de la surface terrestre dues aux tremblements de terre, aux vagues d'eau, aux différences de pression atmosphérique et aux activités humaines. Chaque déformation raccourcit ou allonge légèrement la fibre. Cela entra?ne à son tour ce que l'on appelle un effet photoélastique, qui fait varier de manière minimale la vitesse de la lumière dans la fibre.

Tant les variations de la longueur des fibres que les fluctuations de la vitesse de la lumière modifient la fréquence du signal lumineux d'un facteur infime. Ce phénomène est connu depuis quelques années déjà et a déjà été utilisé jusqu'à présent avec des instruments de mesure spéciaux pour mesurer les secousses.

Dans le cas de la réduction du bruit de la communication par fibre optique de l'infrastructure des horloges atomiques suisses, étudiée par les scientifiques de l'ETH et de METAS, ces instruments de mesure supplémentaires sont superflus. Les déformations peuvent être simplement déduites de la correction des signaux temporels. Celle-ci corrige la longueur d'onde du signal dans le domaine du térahertz (10¹² vibrations par seconde) de quelques centaines de hertz à chaque fois et donc d'environ un dixième de milliardième.

Correspondance exacte avec le service sismologique

Même si les changements sont minimes, l'image qu'ils donnent des secousses auxquelles les c?bles à fibres optiques sont soumis pendant la période d'observation est très claire. "Dans le PNC de la liaison par fibre optique entre B?le et le site de l'horloge atomique à METAS à Berne, nous avons non seulement pu reproduire en détail chaque onde d'un séisme de magnitude 3,9 en Alsace", explique Fichtner : "Une modélisation du séisme sur la base de nos données correspondait également de manière extrêmement précise aux mesures du Service sismologique suisse".

Cette correspondance exacte montre que les données PNC permettent de déterminer avec une grande précision aussi bien le lieu que la profondeur et la force d'un séisme. "C'est très intéressant, notamment pour une alerte tsunami sans faille ou pour mesurer les séismes dans les régions moins développées du monde", explique Fichtner.

Les fonds de l'ETH pour la recherche libre portent leurs fruits

Mais pour Fichtner, l'histoire de la création de la nouvelle méthode est également exemplaire. L'idée est née d'une discussion entre les chercheurs de l'ETH et un spécialiste de METAS. Et l'équipe de l'ETH METAS a été aussi rapide à reconna?tre le potentiel des données PNC qu'à mettre en ?uvre l'idée. "Pour qu'une science surprenante puisse voir le jour, il faut que des fonds soient disponibles pour des activités de recherche qui ne suivent pas un objectif défini au préalable", souligne Fichtner : "L'ETH est idéale pour un tel projet. Contrairement à de nombreuses autres hautes écoles, je dispose ici, en tant que chercheur, de moyens non liés".