Des chercheurs de Caltech ont mis au point une nouvelle méthode pour mesurer l’humidité du sol dans la région souterraine peu profonde située entre les aquifères de surface et souterrains. Cette région, appelée zone vadose, est essentielle pour que les plantes et les cultures puissent obtenir de l’eau par leurs racines.
Cependant, la mesure des fluctuations de cette humidité souterraine au fil du temps et entre les régions géographiques s’appuie traditionnellement sur l’imagerie satellite, qui ne fournit que des moyennes à faible résolution et ne peut pas pénétrer sous la surface. De plus, l’humidité dans la zone vadose change rapidement : un orage peut saturer une région qui s’assèche quelques jours plus tard.
La nouvelle méthode s’appuie sur une technologie sismique qui mesure normalement les secousses du sol lors des tremblements de terre. Cependant, elle peut également détecter les vibrations de l’activité humaine, comme la circulation. Lorsque ces vibrations traversent le sol, elles sont ralenties par la présence d’eau : plus il y a d’humidité, plus les vibrations se déplacent lentement. La nouvelle étude mesure la teneur en eau dans la zone vadose grâce aux grondements sismiques du trafic quotidien.
Cette recherche est le fruit d’une collaboration entre les laboratoires de l’hydrologue Xiaojing (Ruby) Fu, professeur adjoint de génie mécanique et civil, et du sismologue Zhongwen Zhan, professeur de géophysique. Un article décrivant ces travaux est paru dans la revue Nature Communications le 5 août.
La nouvelle méthode s’appuie sur une technique mise au point par le laboratoire Zhan, appelée détection acoustique distribuée (DAS). Grâce à cette technique, des lasers sont pointés vers des câbles à fibre optique souterrains inutilisés (comme ceux qui fournissent Internet).
Lorsqu’une onde sismique, ou tout autre type de vibration, traverse le câble, la lumière laser se courbe et se réfracte. La mesure des ondulations de cette lumière laser fournit aux chercheurs des informations sur l’onde qui passe, ce qui fait que le câble de 10 kilomètres équivaut à une ligne de milliers de capteurs sismiques classiques.
À la suite du tremblement de terre de magnitude 7,2 survenu en 2019 à Ridgecrest, en Californie, Zhan a installé un réseau DAS sur un câble voisin pour mesurer les répliques. En collaboration avec Fu, l’équipe a rapidement réalisé que le réseau pouvait également être utilisé pour mesurer l’évolution des vibrations souterraines quotidiennes en fonction de la teneur en eau du sol.
Pendant cinq ans, l’équipe a recueilli des données et créé des modèles pour illustrer la façon dont l’humidité dans la zone vadose varie au fil du temps. Ils ont constaté que pendant la sécheresse historique qui a sévi en Californie de 2019 à 2022, l’humidité dans la zone vadose a diminué de manière significative à un rythme de 0,25 mètre par an, dépassant la moyenne des précipitations.
« À partir des 20 premiers mètres de sol de la région de Ridgecrest, nous pouvons extrapoler à l’ensemble du désert de Mojave », explique Yan Yang, étudiant diplômé en géophysique et co-premier auteur de l’étude.
« Nous estimons que chaque année, la zone vadose de Mojave perd une quantité d’eau équivalente à celle du barrage Hoover. Au cours des années de sécheresse de 2019 à 2022, la zone vadose a été de plus en plus sèche. »
La capacité de mesurer l’humidité de la zone vadose en temps réel est essentielle pour gérer l’utilisation de l’eau et les efforts de conservation. L’équipe a ensuite l’intention de déployer la technologie dans d’autres régions que le désert.
« Nous savons que cette méthode fonctionne très bien pour ce site particulier », explique Fu. « De nombreuses autres régions intéressantes ayant le même climat pourraient avoir des processus hydrologiques différents, comme le centre de la Californie, où les exploitations agricoles prélèvent de l’eau, mais la région reçoit également de l’eau de fonte des neiges provenant des montagnes de la Sierra Nevada. »
Les instruments sismologiques n’ont jamais été utilisés pour mesurer l’humidité du sol à une si grande échelle pendant une période aussi longue et continue.
Plus d’information:
Détection sismique par fibre optique de la dynamique de l’humidité du sol dans la zone vadose, Nature Communications (2024).