Surveillance du sous-sol des réseaux de transports par mesure sismique passive sur fibre optique telecom – SITcomOptics
Surveillance du sous-sol le long des réseaux de transports par mesure sismique passive sur fibre optique télécom
Les géorisques du sous-sol peuvent être dévastateurs sur l'économie, notamment par l'effondrement soudain des matériaux superficiels sur lesquels repose les réseaux de transport (voies ferrées, route, etc) . A ce jour, il n'y a pas d'approches non-invasives qui surveillent à haut rendement et à bas coût le proche sous-sol, afin de prévenir ces risques dont l’occurrence augmente avec le changement climatique. Ce projet propose une solution innovante basée sur la fibre optique télécom existante.
Enjeux et objectifs
Parmi les géorisques du sous-sol, ceux liés aux karsts superficiels sous-couverture sont à l'origine de nombreux effondrements. Leur évolution peut être accélérée par les sollicitations hydriques exceptionnelles (crues, battements de nappe), dont l'intensité et la fréquence augmentent avec le dérèglement climatique. La prévention de ces risques d'effondrements est un enjeu contemporain majeur, notamment en milieu anthropisé le long des grandes infrastructures de transport (voies ferrées, route, etc). L'absence possible de signes précurseurs en surface nécessite l'investigation continue du proche sous-sol (0-50 m). Cela n'est pas rendu possible par les sondages géotechniques, qui sont ponctuels. L'utilisation de méthodes non invasives basées sur la géophysique est donc préconisée. Parmi elles, les méthodes sismiques passives (qui utilisent les vibrations sismiques ambiantes) sont sensibles à l'évolution des propriétés géomécaniques du sous-sol au cours du temps . Cependant, le déploiement de capteurs sismiques densément répartis sur de longues distances et sur de longue période de temps est un défi logistique. Récemment, il a été montré qu'une fibre optique de plusieurs dizaines de Km de longueur (< 50 Km) pouvait se transformer en une série de capteurs sismiques densément répartis (2-10 m), en ne branchant qu'un seul appareil de mesure à son extrémité (technologie DAS). L'utilisation de cette technologie sur les fibres optique télécom déjà existantes offre donc une solution nouvelle pour le déploiement de capteurs pérennes dans l'espace urbain. Malgré des résultats encourageant aux grandes échelles (observations sismologiques), la qualité de ces données reste bien inférieure à celles obtenues sur des capteurs conventionnels et sur des fibres optiques dédiées. L' utilisation des fibres optiques télécom pour l'investigation haute résolution du proche sous-sol est un donc sujet de recherche actif. L'objectif général de ce projet est d'évaluer dans quelle conditions l'utilisation des fibres optique télécom couplée à la technologie DAS et la méthode de sismique passive peut permettre de prévenir les effondrements liés au karst superficiel sous couverture le long des grandes infrastructures de transport. Pour ce faire, ce projet vise à réaliser des développements à la fois dans le système d'acquisition optique DAS, dans le traitement du signal sismique guidé par des outils de Machine Learning (ML), ainsi que dans la simulation numérique. Ces développements pourront s'appuyer sur plusieurs phases d'acquisition de données (dont une séquence longue de plusieurs mois) qui seront réalisée sur une voie ferrée équipée d'une fibre optique télécom (40 Km) soumis aux risques d'effondrement liés aux karst. Également, une plateforme de mesure équipée de fibres optique dédiées et de capteurs sismiques conventionnels (géophones) sera construite à proximité de la voie ferrée pour calibrer les mesures.
Sismique passive:
La méthode d'investigation géophysique proposée repose sur la sismique passive basée sur la reconstruction de la réponse impulsionnelle du sous-sol par interférométrie des vibrations sismiques ambiantes. Dans ce projets, des capteurs déployés en ligne sont utilisées pour réaliser des analyses multicanales des ondes de surface reconstruites par interférométrie. L'origine des vibrations sismiques ambiantes est le trafic ferroviaire et/ou routier.
DAS:
Les mesures de vibrations seront réalisées sur fibres optiques déployées à l'horizontale, à l'aide de la technologie DAS (Distributed Acoustic Sensing). Par contraste aux géophones trois composante qui réalisent des mesures ponctuelles de vitesse particulaire du signal sismique dans les 3 dimensions de l'espaces, la fibre optique mesure la déformation longitudinale. Les appareils de mesures DAS peuvent permettre de réaliser des mesures sismiques distribuées tous les 2 m jusqu'à 2 kHz sur des longueurs de 50 Km. Les quantités de données peuvent atteindre plusieurs Tb / jour ce qui représente un défi majeur.
Machine Learning (ML):
Dans ce contexte, ML peut permettre d'apporter des solutions intéressantes à la fois pour l'identification des signaux d’intérêt dans les données DAS (et ainsi réduire leur quantité), et pour augmenter la qualité des données (débruitage).
Simulation numérique:
L'utilisation de la simulation numérique est nécessaire pour comprendre les données sur les capteurs de déformation longitudinaux que sont les fibre optiques. L'évolution des mesures de déformation en fonction de l'évolution des propriétés géomécaniques dans un modèle numérique permettra d'évaluer la sensibilité de l'approche.
Campagne de mesures en environnement réel et contrôlé:
Le projet repose sur l'acquisition de données nouvelles le long d'une fibre optique télécom pilote de 40 Km en contexte ferroviaire. Pour calibrer ces mesures, une plateforme sur un linéaire de 500 m est construite dans le cadre du projet à proximité de la fibre pilote. Différentes fibres optiques avec différents types de couplage sol (en terre, et en gaine) et différents type de couplage câble (libre et serrée) sont installées sur la plateforme afin de réaliser des mesures en environnement contrôlé.
Construction plateforme de calibration :
Une plateforme de calibration (500 m) a été construite le long du linéaire pilote de 40 Km identifié au préalable du projet et qui est déjà équipé d'un câble télécom SNCF. Deux types de câbles à fibres optiques (un câble à fibre optique télécom SNCF , et un câble à fibre dédié à la mesure de vibrations) ont été installés dans différentes configuration de couplage avec le sol (directement enterré en terre et en gaine PEHD).
Phase d'acquisition de calibration :
Une phase d'acquisition de calibration de 5 jours a permis de récolter des données d'enregistrement de train, de bruit ambiant, et d'impact de source impulsionnelle contrôlée. Différentes configurations ont été testées en terme de longueur d'impulsion optique, longueur de jauge et pas d'échantillonnage spatial et temporel. Des acquisitions ont également été réalisées de manière synchrone sur le câble télécom SNCF existant. Pour calibration, 4 sismomètres large bande ont été déployé, ainsi qu'un ligne de géophone trois composantes.
Amélioration du banc de mesure DAS:
Également, une approche basée sur la diversité de polarisation a été implémenté en laboratoire sur un prototype du banc de mesures DAS de la SNCF. Les résultats montrent une amélioration significative du rapport signal à bruit à des fréquences qui sont celles des signaux sismiques générés par le passage des trains (quelques dizaines de Hz).
Le traitement des données issues de la phase de calibration vont permettre d'estimer les paramètres d'acquisitions optimaux pour lancer la phase d'acquisition de longue durée prévue dans le cadre du projet.
Le nouveau prototype de mesure DAS va être installé pour réaliser des mesures complémentaires sur la plateforme de calibration. En comparant avec les données acquises précédemment, le degré d'améliorations pourra être estimé sur des données réelles (enregistrement de train). Si les résultats sont concluant, le nouveau prototype sera utilisée pour réaliser l'acquisition longue durée.
A partir des premières données acquises lors de la phase d'acquisition de calibration, des algorithmes de machine learning spécifique vont être développés pour notamment identifier les fenêtre spatio-temporelle utilisables pour réaliser les mesures géophysiques à partir des données DAS sur fibre télécom.
Le changement climatique rend prioritaire la prévention des géorisques, et la surveillance du proche sous-sol en milieu urbain par de nouveaux capteurs est cruciale. La détection acoustique distribuée (DAS) est un progrès récent en optoélectronique, qui permet d'enregistrer les vibrations sismiques sur fibre optique (FO). Ceci, à son tour, peut être utilisé pour évaluer les géorisques du sous-sol. L’application de cette technologie sur des FO télécom déjà déployées en ville est attrayante, mais reste difficile. Ce projet vise à évaluer comment les FO télécom déjà existante peuvent être utilisées pour surveiller le proche sous-sol sous les installations de transport. Une étude combinant mesures DAS sur FO télécom dans un contexte ferroviaire, machine learning, traitement géophysique et modélisation physique est proposée. Le résultat de cette recherche permettra le développement de smart cities sûres et durables à partir de l'exploitation des infrastructures de communication existantes.
Coordination du projet
Adnand Bitri (BRGM)
L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.
Partenariat
brgm BRGM
LTCI Telecom Paris
ISTERRE Institut des Sciences de la Terre
LAGRANGE Université Côte d'Azur
SNCF RESEAU
Aide de l'ANR 709 133 euros
Début et durée du projet scientifique :
janvier 2023
- 48 Mois
