La fibre optique Internet pourrait fournir des informations précieuses sur les phénomènes géologiques | Université d’État de Penn

UNIVERSITY PARK, Pennsylvanie. Des câbles à fibres optiques passent sous presque tous les réseaux urbains des États-Unis et fournissent Internet et la télévision par câble à des millions de personnes, mais que se passerait-il si ces systèmes pouvaient également fournir des informations précieuses sur les événements dangereux tels que les tremblements de terre et les inondations ? Une équipe de chercheurs de Penn State a découvert qu’ils pouvaient faire exactement cela.

Les scientifiques utilisent la technologie de détection acoustique distribuée (DAS) à fibre optique pour transformer l’infrastructure de télécommunication existante déjà installée sous terre en une ressource précieuse pour surveiller les vibrations du sol.

Nous avons découvert que les fibres pouvaient capter une grande variété de vibrations de signaux, des orages aux pas humains en passant par les concerts de musique, a déclaré Tieyuan Zhu, professeur adjoint de géophysique à Penn State et chercheur principal du projet. Nous pouvons même distinguer la chanson spécifique lors d’un concert par les motifs des tons aigus et graves. C’est une belle démonstration de la sensibilité de ces capteurs.

Les dispositifs traditionnels de surveillance sismique, appelés géophones, sont difficiles à déployer dans les zones urbaines. L’obtention de l’autorisation et de l’espace pour installer des capteurs, la protection des capteurs contre le vol et le vandalisme, et les coûts élevés de leur maintenance rendent prohibitif l’obtention de données fiables à long terme, ont déclaré les scientifiques.

La technologie DAS permet aux scientifiques de se connecter à une fibre inutilisée, appelée fibre noire, ce qui réduit considérablement le coût et le temps d’installation qui entravent les dispositifs de surveillance sismique traditionnels. Une unité d’interrogateur laser doit simplement être branchée à une extrémité d’un tronçon de fibre pour commencer à collecter des données, ont déclaré les scientifiques.

Plusieurs expériences en Californie ont été menées par des équipes utilisant l’infrastructure de télécommunication existante, a déclaré Zhu. Mais déployer cette technologie sur la côte Est est important car nous avons ici une géologie très particulière.

Le sol et le substrat rocheux peu profond de la région des monts Allegheny créent des propriétés géophysiques complexes près de la surface. Le substrat rocheux sous-jacent peut se dissoudre lentement en raison de la circulation des eaux souterraines, qui peut former des gouffres et des cavernes. Surtout dans les zones urbaines, l’effondrement des gouffres et les problèmes de tassement peuvent menacer la sécurité humaine et les biens. De plus, les fortes variations saisonnières de température et de précipitations créent un environnement très différent de celui de la Californie.

Zhu et son équipe de recherche ont créé le projet Penn State Fiber-Optic for Environmental SEnsEing (FORESEE), le premier déploiement de la technologie DAS dans l’est des États-Unis. L’objectif de ce projet était de relever le défi de longue date de la surveillance en temps réel de changements physiques, chimiques et biologiques de l’environnement et du sous-sol dans les zones urbaines. FORESEE vise également à développer les réseaux de détection de fibres DAS pour transformer le campus du Penn State University Park et ses environs en un laboratoire vivant pour la collecte de données haute résolution sur les systèmes environnementaux, énergétiques et d’infrastructure. Les chercheurs rapportent leurs résultats dans Solid Earth.

L’équipe a eu accès à des câbles à fibres optiques sombres sous le campus et a converti le câble en 2 300 capteurs sismiques à l’aide de DAS. Ils ont ensuite enregistré en continu des données sur les vibrations du sol le long du tronçon de 3 miles à partir d’avril 2019. L’expérience a généré plusieurs dizaines de téraoctets de données, qui ont été stockées dans un serveur de stockage en réseau. Le serveur a ensuite été connecté à un réseau Internet, offrant aux scientifiques un accès aux données à distance en temps réel. La densité des enregistrements DAS a fourni une résolution extraordinaire qui a permis de mieux comprendre leur cause et a permis aux chercheurs de faire la distinction entre divers signaux, ont déclaré les scientifiques.

Les résultats préliminaires suggèrent que le DAS a la capacité de détecter les vibrations à large bande et de faire la distinction entre les signatures sismiques de différents tremblements de terre et les sources anthropiques d’événements tels que les explosions minières, les véhicules, les concerts de musique et les pas de marche.

Mais le DAS n’est pas sans limites. Les géophones traditionnels ont trois composants, deux capteurs horizontaux et un capteur vertical, leur permettant de capter les vibrations dans toutes les directions. La technologie DAS, cependant, ne peut détecter les vibrations qu’horizontalement car il n’y a pas besoin de capteurs verticaux dans les câbles à fibre optique destinés à Internet et au câble. Par conséquent, les données ne sont pas aussi complètes que les données des géophones traditionnels.

Nous savons que c’est une limitation, a déclaré Zhu. Espérons que dans les cinq prochaines années, cela pourra être surmonté grâce à la nouvelle technologie de la fibre optique.

En plus de ses utilisations géologiques, le DAS peut donner un aperçu des différents modèles d’activités humaines pertinentes pour la santé publique et l’urbanisme. La surveillance et la redirection du trafic qui ne nécessitent pas de données privées sur les téléphones portables, la détection des coups de feu, la surveillance de la pollution sonore industrielle et la surveillance des services d’eau souterraine peuvent toutes être améliorées grâce à l’utilisation de la technologie DAS, ont déclaré les scientifiques. La valeur du DAS a également été reconnue dans des environnements inaccessibles et difficiles, permettant des observations océaniques en mer et la capacité de surveiller la stabilité du pergélisol dans l’Arctique.

Maintenant que les chercheurs savent ce que la technologie peut faire, Zhu a déclaré que leur prochaine étape consiste à utiliser le DAS pour surveiller à long terme des événements plus petits, comme les mouvements souterrains qui conduisent à des gouffres et des inondations. Ils souhaitent également examiner les événements qui se produisent là où l’atmosphère rencontre la terre, car il n’existe actuellement aucun moyen de surveiller l’impact de l’énergie d’un orage sur la terre solide près de la surface.

Les réseaux DAS utilisant les fibres de télécommunication existantes peuvent jouer un rôle croissant dans le développement de villes résilientes et durables, a déclaré Zhu.

Parmi les autres chercheurs contributeurs figuraient Junzhu Shen, doctorant, et Sam Hone, étudiant diplômé, tous deux en géosciences à Penn State ; et Eileen R. Martin, professeure adjointe de mathématiques computationnelles à Virginia Tech.

Le département américain de l’énergie a partiellement soutenu ce travail.