Journal asmac No 2 - avril 2024

Point de mire: Système
Les séismes peuvent avoir des
conséquences désastreuses pour
l’homme, l’infrastructure et l’environnement.
Et il est impossible
de les prévoir avec précision. Pourtant,
grâce à l’étude des séismes, les sismologues
sont en mesure de développer des systèmes
d’alerte précoce, par exemple en mesurant
les mouvements de sol. Ces systèmes permettent
d’alerter des zones éloignées du
foyer sismique pour que la population
puisse se mettre à l’abri et les trains ralentir
ou s’arrêter à temps. Dans un pays développé
comme la Suisse, il va de soi que l’on entretient
un réseau dense de stations de mesure
sismiques. Pourtant, dans les pays
moins développés, il n’est souvent pas possible
d’assurer l’entretien coûteux de telles
infrastructures. Sans oublier la collecte de
données au fond des océans, dont la surface
couvre les deux tiers de la surface terrestre,
qui s’avère également très complexe
et onéreuse en ce qui concerne l’installation,
l’entretien et la transmission de données.
La mesure des séismes, un produit
dérivé surprenant
En collaboration avec l’Institut fédéral de
métrologie METAS, des chercheurs de
l’EPFZ ont trouvé une nouvelle méthode
qui produit des résultats surprenants: lors
de la réalisation d’un procédé dont le principal
objectif consiste à transmettre avec
précision des timbres temporels entre deux
laboratoires par une fibre optique [1], un résultat
collatéral inattendu a été découvert.
Le réseau de fibres optiques permet aussi de
saisir les mouvements de sol. La transmission
optique des données s’effectue au
moyen d’une technologie de suppression
active du bruit. Le bruit peut provenir de
différentes sources: outre l’activité humaine
(voitures, trains ou chantiers), il peut
aussi venir d’une source naturelle comme
les séismes. L’information sur le moment et
l’intensité de la suppression automatique
du bruit contient donc des données relatives
à la déformation microscopique de la
fibre optique qu’il suffit d’enregistrer et
d’analyser. Les installations existantes du
METAS le permettent sans investissements
supplémentaires.
Comment les fibres optiques
peuvent-elles saisir des mouvements
de sol?
La technologie dite «Active Phase Noise
Cancellation» (PNC) dans les réseaux de
fibres optiques est comparable aux systèmes
de réduction du bruit des écouteurs haut de
gamme. Dans ce cas, des microphones enregistrent
les bruits extérieurs. Pratiquement
en temps réel, un signal opposé est produit
qui se superpose à ces bruits extérieurs et les
supprime. Le résultat est une musique dont
la qualité est inaltérée.
La mesure du bruit ambiant dans la
fibre optique ne s’effectue évidemment
pas avec un microphone, mais se fonde sur
la comparaison avec un signal partiel réfléchi
par le récepteur [2]. S’il n’y a pas de
bruit ambiant, le signal initialement émis
est identique au signal réfléchi à l’autre
bout de la fibre. Les différences entre les
deux signaux sont le résultat de petites déformations
de la fibre que le signal lumineux
a «perçu» au cours de son trajet. Tout
comme pour la réduction du bruit dans les
écouteurs, le bruit ambiant peut être annulé
en temps réel par un contre-signal.
Sans appareil supplémentaire
L’influence des mouvements de sol sur les
impulsions laser dans une fibre optique est
un phénomène connu depuis quelques années.
Les déformations le long d’une fibre
optique peuvent être mesurées avec des interféromètres
laser développés à cet effet.
Cette technologie a été utilisée avec succès
pour mesurer des séismes dans différents
environnements: dans des villes [3], sur des
glaciers [4] et sur des volcans [5]. Dans le cas
de la suppression du bruit de la communication
par fibre optique de l’infrastructure
des horloges atomiques suisses étudiée par
les scientifiques de l’EPFZ et du METAS, un
tel instrument de mesure supplémentaire
n’est pas nécessaire. Les déformations résultant
des mouvements de sol le long des
123 kilomètres du câble à fibre optique
peuvent être lues à partir du bruit ambiant
de la transmission de données.
Les modèles numériques confirment
les observations
Bien que les changements de la longueur
des fibres optiques ne soient généralement
que de quelques micromètres, les
signaux sismiques dans le système PNC
sont clairement identifiables. Un câble de
télécommunication entre les laboratoires
à Bâle et Berne a saisi les ondes sismiques
d’un séisme de magnitude 3,9 à Mulhouse
en Alsace. Les mesures PNC correspondent
à la modélisation numérique du séisme et
également de manière extrêmement précise
aux mesures du Service sismologique
suisse [1].
Comme les mesures dans les modèles
numériques sont reproduisibles, les données
PNC permettent de déterminer avec
une grande précision aussi bien le lieu que
la profondeur et la force d’un séisme. Il
s’agit de paramètres essentiels pour l’alerte
précoce. A l’avenir, les données PNC pourraient
en particulier être collectées dans
des pays moins développés et dans les
fonds marins pour soutenir les systèmes
d’alerte précoce aux séismes et tsunamis.
La tomographie de la Terre
La méthode s’avère aussi prometteuse
dans d’autres domaines. L’analyse des données
PNC peut être utilisée pour «scanner»
la Terre, comme la tomographie en médecine.
C’est particulièrement utile. En effet,
les échantillons de projets de forage ne proviennent
souvent que de quelques kilomètres
de profondeur. Leur pertinence est
donc limitée compte tenu du rayon de la
Terre de 6371 kilomètres, et ils ne peuvent
pas être utilisés pour en apprendre davantage
sur l’intérieur de notre planète. Une
Photo: Adobe Stock
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