Quand les fibres optiques remplacent les sismomètres

Une équipe internationale de physiciens utilise les fibres optiques pour localiser les séismes. En installant un laser et un détecteur de lumière aux extrémités des millions de kilomètres de fibres déjà déployées pour la télécommunication sous les océans, les chercheurs pourraient enfin mesurer les séismes sous-marins et améliorer leur compréhension de la structure terrestre.

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Quand les fibres optiques remplacent les sismomètres

La fibre optique comme sismomètre, il fallait y penser ! L’idée vient d’une équipe internationale de physiciens, menée par Giuseppe Marra du National Physics Laboratory en Angleterre, qui publient ce mois-ci leurs résultats dans la revue Science. Les océans sont l’un des points d’orgue de la recherche en sismologie. « Les ondes sismiques sont comme des rayons X, elles nous permettent d’étudier l’intérieur de la Terre et son comportement dynamique », explique Giuseppe Marra. Mesurées par les sismomètres, elles fournissent de précieuses informations aux géophysiciens qui améliorent leur compréhension de notre planète. Or les sismomètres utilisés par les chercheurs sont installés sur terre, et sporadiquement au fond des océans, qui recouvrent pourtant plus de 70% de la surface terrestre. Question de coût, puisqu’un réseau global de sismomètres sous-marins couterait de 700 millions à 1 milliard de dollars. De précieuses informations sont donc perdues : « La plupart des séismes sous-marins de magnitude 4 ou moins ne sont pas enregistrés, sauf s’ils sont près des côtes », détaille le physicien. Avec un réseau de plus d’un million de kilomètres de fibres optiques déjà déployé pour la télécommunication dans les fonds sous-marins, le matériel fait rêver les géophysiciens. Et à l’aide d’une innovation utilisant des lasers de métrologie dans les fibres optiques, les physiciens espèrent rendre bientôt réelle la détection à grande échelle des séismes sous-marins.

La découverte était plutôt inattendue pour les physiciens du Laboratoire National de Physique. En août 2016, alors qu’ils réalisent des expériences de métrologie sur une fibre optique, ils observent une fluctuation de la lumière laser circulant dans celle-ci. Un séisme de magnitude 6 a lieu à 1 400 kilomètres de là, dans le centre de l’Italie. « Au passage d’une onde sismique, la fibre se déforme et on observe un léger changement de phase du signal optique, développe le physicien. C’est ce qui nous permet de détecter les séismes. » Pour les expériences, un laser stabilisé par une cavité en verre à ultra-faible expansion est placé à l’extrémité d’une paire de fibre optique. Ces lasers utilisés en métrologie fournissent une lumière stable à travers toute la fibre. A l’autre extrémité, les deux câbles sont connectés et le signal réalise donc un aller-retour (en 50 millisecondes pour une fibre de 5 000 kilomètres par exemple). Un détecteur optique placé à côté du laser récupère les signaux de départ et d’arrivée. A l’aide de techniques d’interférométrie développées pour la recherche sur les horloges atomiques, il mesure alors les retards de propagation à une échelle de quelques femtosecondes (10-15 secondes), soit des déplacements de la fibre de quelques micromètres. Et lorsque les chercheurs comparent ces déplacements mesurés par fibre optique aux sismogrammes, la ressemblance est frappante ! Pour le moment, ils sont capables d’enregistrer des séismes distants de 25 à 18 500 kilomètres, sur des fibres dont la longueur varie de 75 à 535 kilomètres.

Deux paires suffisent à localiser l’épicentre

Pour aller plus loin, les chercheurs déterminent également, en laboratoire, l’épicentre (le foyer) du séisme. Deux paires de fibres optiques suffisent : lorsque l’onde sismique atteint une paire, l’enregistrement de la perturbation, à chaque extrémité cette fois, permet de mesurer la distance de l’évènement. Ils sont capables d’identifier la position de la perturbation au kilomètre près, sur une fibre enroulée d’une centaine de kilomètres. Par simple calcul géométrique, deux paires de fibres suffisent à retrouver l’épicentre, et un nombre plus important augmentera la précision. La principale limite à cette technique est de distinguer le signal sismique du « bruit » ambiant. En mer, les navires de transport ou encore les vagues perturbent le signal laser. « La gamme de fréquence qui nous intéresse pour les séismes est de 0,1 à 20 Hz, précise Giuseppe Marra. La plupart du bruit créé par l’activité humaine est supérieur à 20 Hz. Et pour ceux dans la gamme des séismes, nous avons montré qu’il était tout de même possible de détecter des tremblements de terre. » Une contrainte qui limite quand même la détection des séismes les plus faibles.

D’après leur étude, cette technique pourra être utilisée pour les fibres déployées à terre, et en mer. « Pour une implémentation à grande échelle, un laser et un détecteur seront installés à chaque extrémités de la fibre pour localiser le séisme. » Une solution bien plus économique que le déploiement de sismomètres marins : « Nous estimons que le système coûtera environ 50 000 $ à chaque extrémité. » Travaillant actuellement sur l’ingénierie, ils affirment que la technologie existe déjà, et espèrent pouvoir la déployer dans les prochaines années. Un nouvel outil prometteur face à l’explosion de l’utilisation la fibre optique dans le monde.

© G. Marra et al., 2018
En installant un laser stabilisé et un détecteur optique, les physiciens enregistrent les séismes à partir des fibres optiques déjà déployées pour les télécommunications.

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