Il sera bientot possible de détecter les tremblements de terre

Parmi les pays disposant d’un réseau ferroviaire dense et moderne, le Japon est le plus susceptible d’être perturbé par des tremblements de terre. Le pays est en effet à la jonction de quatre plaques tectoniques et il subit chaque année un séisme parmi les plus violents de la planète. L’archipel s’attend d’ailleurs à vivre dans les trente ans à venir au moins un événement de magnitude 8 sur l’échelle de Richter, un niveau important qui aurait de graves conséquences.Tout système permettant de repérer des signes annonciateurs d’un séisme a donc l’attention des scientifiques nippons.

Le Shinkansen file sur les voies à 300 km/h. Nous sommes au Japon, le pays qui dispose du réseau le mieux organisé au monde pour les trains à grande vitesse. En 2004, un tremblement de terre a provoqué le déraillement d’un Shinkansen. On s’en est tiré à bon compte – il n’y a pas eu de blessés. Et ce type d’incident ne s’est pas reproduit depuis, car les chemins de fer japonais ont un système de détection des séismes qui permet d’arrêter les trains en circulation quand la terre tremble. Un séisme génère deux types d’ondes sismiques, les P [ondes de compression], les plus rapides et la plupart du temps inoffensives, sont les premières détectées ; elles précèdent toujours les S [ondes de cisaillement], puissantes et dangereuses. Mais, grâce à la détection des P, quand les S arrivent, le train a reçu l’information et il est alors prêt – sauf si l’épicentre est tout proche.

La densité des capteurs est cependant limitée, et donc la rapidité de la détection aussi. C’est encore plus vrai pour les pays moins développés, comme la Turquie ou l’Indonésie. Des chercheurs de la Fachhochschule Bielefeld et du Fraunhofer-Institut für Informations- und Datenverarbeitung (IITB) de Karlsruhe sont donc en train de plancher sur une nouvelle génération de système de détection. Intitulé Transport EWS, le projet, qui est dirigé par le Pr ­Eberhard Hohnecker, de l’université de Karlsruhe, fait appel à un système qui existe dans presque tous les pays, un système qui pourrait devenir le plus grand capteur sismique du monde : les voies de chemin de fer.

Le système existe déjà en Allemagne et en Espagne

Le principe est simple. Des capteurs posés sur les rails enregistrent les ondes P et les transmettent à un ordinateur central. Celui-ci détermine le lieu de l’épicentre, dresse des cartes des secousses et calcule l’arrivée des ondes sismiques S à différents endroits. A partir du moment où ces ondes possèdent une certaine amplitude, le système intervient dans le trafic ferroviaire. Si un rail risque de casser ou un tunnel de s’effondrer, le système arrête les trains ou les ralentit pour les faire passer en marche à vue. La force du séisme et son potentiel de destruction sont connus dans les trois secondes. Encore quelques secondes de plus et le système sait quels tronçons seront touchés et à quel moment.

L’ordinateur central pourrait ensuite déterminer en quelques minutes la portée des secousses au mètre près, puis, en comparant les données, dresser un catalogue des dommages probables sur le réseau ferré et mettre au point un plan d’urgence. Ce serait de la “sismologie en temps réel”, selon les termes du Pr Friedemann Wenzel, un géophysicien de l’université de Karlsruhe qui participe au projet. En procédant à des affinements constants, on pourrait imaginer parvenir à un réseau neuronal, capable d’apprendre et produisant des analyses de plus en plus précises des dégâts. C’est l’IITB de Karlsruhe qui met au point le système d’information et de communication nécessaire à cela. Pour le Pr Hohnecker, la sismologie ferroviaire sera peut-être présente dans toutes les zones du globe menacées par les tremblements de terre – de la ­vallée du Rhin supérieur, qui est peu touchée, à certaines régions très menacées de l’Indonésie. Ce système d’alerte et d’analyse ne pourra cependant être mis sur pied du jour au ­lendemain. Même si les rails sont déjà là, il faut installer les capteurs. Le projet fait appel à des rails spéciaux. Le plus simple est de les installer aux endroits où le réseau nécessite réparation ou prolongation.

Le rail ne peut donner correctement l’alarme que s’il peut distinguer nettement les signaux d’un séisme d’autres signaux perturbateurs, par exemple les secousses provoquées par les trains ou les véhicules et les machines agricoles qui se trouvent à proximité des voies. Pour obtenir cette sélectivité, il faut entre autres des rails composés d’un nombre réduit d’éléments et de joints. Les chercheurs ont donc conçu l’Embedded Rail System (ERS – rail noyé). Celui-ci équipe déjà les lignes de banlieue de plusieurs communes et certaines grandes lignes d’Espagne et des Pays-Bas.

“Une voie ferrée normale comprend 55 000 pièces au kilomètre, le lit de ballast comptant pour un élément, explique Eberhard Hohnecker. L’ERS n’en comprend que trois : les rails, la résine élastique de fixation, les capteurs, plus la dalle de béton – il n’y a pas de ballast.” Ce système permet de distinguer correctement les ondes sismiques, qui atteignent au maximum 30 Hz, des vibrations d’un train, qui font plusieurs centaines de hertz. La structure du système n’est qu’un aspect du problème.

Les capteurs proprement dits sont extrêmement difficiles à réaliser, déclare le Pr Franz Quante, de la Fachhochschule Bielefeld, qui s’occupe de la partie capteurs du projet ERS. On fait aujourd’hui essentiellement appel à des accéléromètres – ils sont bon marché et robustes. Ils sont fabriqués selon la méthode photochimique qui sert également pour les puces, c’est-à-dire sur des matériaux semi-conducteurs. Chaque appareil est constitué d’une petite masse et d’un ressort qui modifient leurs propriétés électriques en cas de contrainte mécanique. Plus cette modification est forte, plus l’accélération est rapide.

Le gros problème, c’est que “même les ondes S destructrices générées par un séisme très violent ne présentent qu’une petite accélération – 1 g, soit l’accélération de la Terre. Un train en circulation présente une accélération bien plus grande et peut donc masquer fortement le signal du tremblement de terre”, explique Quante. On devrait pouvoir parvenir à exploiter la nette différence des fréquences des ondes sismiques et des trains et la contrainte provoquée par les mouvements de la Terre. Pour le moment, la technique de mesure est encore à 50 % “aveugle” à cause des trains en circulation. Car les trains peuvent atteindre une longueur de 700 mètres et leurs signaux perturbateurs se font sentir avant et après leur passage.

Les rails détecteraient de multiples événements

Ce qui est encore plus difficile, c’est de détecter les ondes P, qui arrivent plus tôt et sont moins puissantes, avec des accéléromètres. Ces ondes ne présentent que quelques millièmes de l’accélération de la Terre et sont donc difficiles à distinguer du bruit de fond. Pour ne rien arranger, les séismes se déclenchant de façon différente dans la structure interne de la Terre, les signaux sont chaotiques. “Les signatures des ondes P n’ont pas d’‘empreintes digitales’ reconnaissables”, confie Franz Quante. On peut quand même les identifier au fait que les ondes P d’un tremblement de terre donné arrivent en des lieux différents avec la même structure de signal.

Ce système pourrait aussi permettre de détecter d’autres phénomènes. Si par exemple de fortes pluies emportent les voies, l’incident produit des vibrations, les rails se courbent ou se cassent, et ces événements sont détectables. Il en va de même si la chute d’un rocher endommage un rail. Même le dépôt d’un bloc de béton à des fins terroristes génère en principe un signal détectable. En cas de grosse chaleur, il peut aussi arriver que les joints des rails se brisent.

Tout cela pourrait être repéré si on pouvait mettre sur pied un système suffisamment sensible. “Le rail noyé se surveillerait tout seul et réagirait à toutes les perturbations possibles”, déclare le Pr Hohnecker.

Le système pourrait également repérer automatiquement la circulation sur les voies de personnes non autorisées. Cela ne fonctionne cependant pas encore. “Nous entendons les signaux provoqués par les véhicules sur les chemins de campagne et les chemins de dépannage jusqu’à 500 mètres des voies mais nous ne pouvons pas encore distinguer clairement ce que signifie chaque signal”, reconnaît Hohnecker. Des recherches sur les secousses provoquées par les animaux et les hommes sont en cours, et en Autriche on étudie les signaux sismiques provoqués par les chutes de pierres et les glissements de terrain. Les chercheurs s’apprêtent d’ailleurs à tester l’identification de divers signaux sur un tronçon de la Deutsche Bahn équipé de rails noyés dans le sud-est de l’Allemagne, en utilisant les données des services sismographiques du Land de Bade-Würtemberg.

dans Die Welt