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Pour mieux comprendre des phénomènes encore mystérieux comme les séismes « lents », une équipe conçoit un instrument innovant : un extensomètre bon marché, capable de mesurer pour la première fois la déformation en 3D.

Instinctivement, les tremblements de terre renvoient à l’image d’une secousse brève et violente. Or tous les séismes ne ressemblent pas à ça : certains sont dits « lents ». Ils peuvent durer des mois voire des années, et passent complétement inaperçu auprès des populations. Découverts au début des années 2000, ces séismes difficiles à détecter sont encore mal compris. Il est pourtant crucial de connaitre l’ensemble des évènements se déroulant sur les failles pour mieux appréhender le risque de séisme. L’idée de Jean Chéry, chercheur CNRS à Géosciences Montpellier1 ? Concevoir un nouvel instrument pour mieux mesurer les séismes lents.

Ce scientifique touche-à-tout est autant à l’aise dans l’élaboration de modèles informatiques, l’écriture d’un livre ou en bricolage. Au milieu de son bureau, entouré d’étagères jonchées d’outils et pièces usinées, Jean Chéry nous raconte la genèse du projet : « Les scientifiques utilisent notamment des extensomètres pour caractériser les glissements lents. Mais les extensomètres existants sont chers et ne mesurent que partiellement la déformation du sol. » Invité en 2019 par un collègue en Chine, Jean Chéry lui propose de mettre au point un nouvel extensomètre. Grâce à des financements octroyés pour le projet X-Strain2, la preuve de concept voit le jour en laboratoire, puis le premier instrument est fabriqué.

_{Version préliminaire en aluminium du capteur de déformation © Jean Chéry}

Le principe de fonctionnement d’un extensomètre est plutôt simple : placé dans un forage, l’instrument mesure d’infimes changements de diamètre du trou de forage. Le problème des appareils existants ? Ils ne mesurent que les déformations horizontales. Or les déformations verticales pourraient fournir de précieuses informations sur les séismes lents, mais aussi les phénomènes hydrologiques et volcaniques. À cela s’ajoute le coût élevé des instruments du marché (environ 100 000€). À ce prix, difficile d’en déployer un grand nombre ! L’équipe du projet X-STRAIN s’est donc fixé quatre objectifs pour pallier ces inconvénients :

- Mesurer la déformation dans les directions horizontale et verticale ;
- Réduire les coûts de construction ;
- Améliorer la stabilité de la mesure ;
- Conserver une résolution suffisante – l’instrument doit mesurer des déformations équivalentes à un déplacement de 1mm sur une longueur de 1000km…

Des moulages décoratifs… à un instrument breveté

« C’est en aidant mon fils à créer des moulages en béton pour aménager son lieu de travail que j’ai eu l’idée du design de notre extensomètre », confie Jean Chéry en pointant du doigt une sphère de ciment fibré de 20 cm de diamètre. Rien à voir avec les extensomètres du marché qui prennent tous la forme d’un cylindre. « C’est ce design qui nous permet de mesurer la déformation dans les trois directions, explique Jean Chéry. Des capteurs parallèles aux arêtes d’un tétraèdre sont placés à l’intérieur de la sphère, et nous mesurons les changements de longueur des 6 arêtes. » Ce design original fait l’objet d’un brevet.3

De cette sphère grise s’échappent des fils jaune, rouge, vert : ces fibres optiques connectent les interféromètres installés au cœur du dispositif à un interrogateur. Développés par Han Cheng Seat et Michel Cattoen au LAAS4 et Guy Plantier à l’ESEO5, ces systèmes opto-électroniques mesurent les interférences optiques pour en déduire la déformation du trou de forage. Là encore, les choses ne sont pas simples : pour amplifier la résolution de l’instrument, Jean Chéry a dû faire preuve d’ingéniosité. Dans son bureau aux allures d’atelier industriel (et de bibliothèque !), il pointe cette fois une fraiseuse : « Pour réussir à mesurer de si petits changements de longueur, il a fallu mettre au point des amplificateurs de déformation, se souvient-il. Je me suis inspiré cette fois de systèmes utilisés dans l’aéronautique ou la chirurgie. » Résultat : de petites pièces noires en fibre de carbone au design bien précis sont intégrées elles aussi dans la sphère. Elles amplifient 30 fois la déformation réelle. « J’ai réalisé tout le développement mécanique ici dans mon bureau. »

Restait enfin un dernier obstacle à franchir : « Comme le forage est solidaire à la roche environnante – l’instrument est « couplé » à la roche, des déformations sont induites et brouillent le signal lointain, celui émis par les volcans ou les séismes. » Qu’à cela ne tienne, le chercheur aime les défis… « Nous avons inséré un tuyau à travers lequel nous envoyons de l’air avec une petite pompe. Cette méthode simple permet de mesurer la réponse des capteurs à cette pressurisation transitoire, de retrouver les propriétés de la roche encaissante, et ainsi de corriger ces perturbations. » Résultat : grâce à ces innovations faciles à mettre en œuvre, le prototype affiche un coût d’environ 20 000€, soit 5 fois moins que les instruments déjà commercialisés.

_{(a) Vérification du montage des capteurs dans la sphère de mesure transparente ; (b) moulage en ciment fibré englobant les capteurs et la sphère de mesure ; (c) extensomètre prêt à l’emploi avec la connexion optique et le tube de mise en pression © Jean Chéry}

Du Larzac à la Chine pour tester la fiabilité

En novembre 2023, accompagné de Martin Foin qui consacre sa thèse à l’extensomètre, la sphère grise quitte le bureau montpellierain direction le Larzac. Au sein de l’observatoire du Larzac6, l’équipe installe l’instrument dans un forage de 30 m de profondeur. « Il fonctionne depuis plus de 2 ans sans anomalie, il a démontré sa robustesse en environnement réel », commente Jean Chéry. Reste désormais à tester la fiabilité de l’instrument pour l’usage ciblé par l’équipe : mesurer les séismes lents sur des failles actives. C’est précisément l’objet du projet ANR X-Strain démarré en 2022 : il prévoyait d’installer six extensomètres autour de la faille sismique de Haiyuan en Chine. « Malheureusement, nous avons des problèmes administratifs et n’arrivons pas à obtenir d’autorisation pour accéder au site d’étude, déplore Jean Chéry. Nous cherchons actuellement d’autres failles actives sur lesquelles nous pourrions réaliser une expérience similaire. Cette dernière étape nous permettra de valider le bon fonctionnement de l’instrument pour des applications géophysiques. » Celles-ci s’annoncent variées : l’instrument pourrait ajouter à sa panoplie la surveillance des volcans et des systèmes géothermiques, fréquents générateurs de séismes.

_{Extensomètre inséré dans sa cage de centrage avant sa descente dans le forage de l’Observatoire du Larzac de l’OSU OREME (de gauche à droite Xiaojie Zhu, Han Cheng Seat et Martin Foin) © Jean Chéry}

Instruit par les résultats de la thèse de Martin Foin qui s’achève, Jean Chéry planche déjà sur de nouveaux prototypes qui corrigeront les défauts de jeunesse du premier instrument. Exit la sphère, il soulève cette fois un cylindre en fibre de verre : « Il est finalement plus commode d’insérer les 6 capteurs dans un cylindre, comme ce tube qui sert normalement à faire passer les axes d’hélices de bateau. De plus, en remplaçant le ciment par des billes de verre et de la résine époxy, on devrait fortement améliorer la stabilité de la mesure. » Il semblerait qu’il n’en ait pas fini de détourner des objets du quotidien pour fabriquer des instruments à la pointe de la technologie.

Pour en savoir plus :
Foin et al. (2025) https://doi.org/10.1109/TIM.2025.3546369 

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Ces recherches ont été financées en tout ou partie, par l’Agence Nationale de la Recherche (ANR) au titre de l'ANR X-Strain - AAPG2021. Cette communication est réalisée et financée dans le cadre de l’appel à projet Science Avec et Pour la Société - Culture Scientifique Technique et Industrielle pour les projets JCJC et PRC des appels à projets génériques 2021 (SAPS-CSTI JCJC et PRC AAPG 21).