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Pour la première fois  une mission 
spatiale va donner accès aux profondeurs de Mars

Le décollage, en mai 2018, de la mission InSight permettra aux géophysiciens d'accomplir un très vieux rêve : celui de pouvoir enfin poser sur Mars un sismomètre, pour étudier les séismes qui secouent encore les terres désolées de la planète rouge et accéder par là même aux secrets cachés dans les profondeurs de son sous-sol.

Le secret d'un destin hors du commun

L'atterrisseur InSight (© NASA/JPL)L'atterrisseur InSight, avec ses deux panneaux solaires déployés. Le sismomètre est ici déposé au sol, et rattaché à la sonde par un câble flexible (© NASA/JPL).

Si la surface de la planète rouge est de mieux en mieux connue, grâce aux satellites qui tournoient sans cesse autour de l'astre et aux sondes qui s'y sont posées, l'intérieur de Mars reste une terra incognita, un territoire que les instruments des missions passées n'ont pas encore exploré.

C'est pourtant dans les profondeurs de la planète que gisent quelques-unes des réponses à l'énigme que nous pose Mars : pourquoi cette planète, qui a été si semblable à la Terre il y a 3 à 4 milliards d'années, a connu un destin aussi dramatique. Ce monde autrefois hospitalier, qui possédait un champ magnétique protecteur, une atmosphère épaisse, une activité volcanique intense, et où l'eau liquide pouvait s'épancher librement à la surface, est aujourd'hui une planète désertique et glaciale, figée dans une torpeur que plus rien ne viendra briser. En comparaison, notre planète a connu un destin absolument hors du commun. Pourquoi une telle différence ?

La capacité d'une planète à devenir habitable et à le rester est intrinsèquement liée à la chaleur qu'elle garde dans ses profondeurs, et donc à la puissance de son moteur thermique.

Grâce à un outil extrêmement puissant, la sismologie, discipline qui étudie les caractéristiques des ondes sismiques émises par les tremblements de Terre et la manière dont ces dernières se propagent jusqu'au centre de la Terre, les géophysiciens sont patiemment parvenus à décrypter ce qui se cache sous nos pieds, depuis environ un siècle. Petit à petit, nous avons découvert que notre planète possède, exactement comme un abricot, une croûte (sa peau), un manteau (sa chair) et un noyau.

Composé de métal dont la partie externe est en fusion, le noyau est parcouru par des courants électriques qui génèrent en retour un champ magnétique. C'est ce dernier qui protège notre monde des rayonnements et particules mortels émis par le soleil. Quant au manteau, les roches dont il est composé sont suffisamment chaudes pour être visqueuses et se déplacer avec des vitesses de l'ordre du centimètre par an. Animé par la chaleur interne de la planète, il est le siège de mouvements lents mais très puissants, qui parviennent à faire bouger les continents et les océans.

Sismologie martienne : une chance tous les 20 ans

Inévitablement, après avoir déposé des sismomètres sur la Lune, le regard des géophysiciens s'est tourné vers Mars, bien plus intéressante, car plus proche de la Terre.

Hélas, orientées vers la recherche de traces de vie, fossiles ou non, les missions spatiales n'ont laissé que peu de marge aux géophysiciens, et les places étaient très chères pour les sismomètres.

A l'heure actuelle, deux sismomètres seulement ont pu être déposés sur Mars. Il y a quarante ans, les sondes Viking sont effectivement parvenues à placer des instruments capables d'enregistrer des données sismiques au sol, mais les conditions opérationnelles n'ont hélas pas permis d'effectuer des mesures probantes.

En 1996, vingt années après cette première tentative, un nouvel essai a eu lieu avec la sonde russe Mars 96. A la consternation des équipes impliquées, cette dernière n'est malheureusement pas parvenue à quitter l'orbite terrestre.

En 2018, un peu plus de vingt années après Mars 96, ce sera au tour de la sonde InSight de reprendre le flambeau. Son objectif : poser sur la planète Mars un sismomètre unique, aussi perfectionné que résistant, dont les mécanismes délicats devraient permettre d'enregistrer pour la première fois l'activité sismique de l'astre rouge.

Dessin d'artiste de l'atterrisseur InSight (© IPGP/Manchu/Bureau 21).Contrairement aux sondes Viking de 1976, InSight dispose d'un bras robotique permettant de déployer le sismomètre au sol, de manière à améliorer son efficacité. L'instrument, déjà protégé par des couches de matériaux isolants, s'apprête ici à être recouvert par un large bouclier, qui le protégera des vents et des variations de température. Sur Terre, les sismomètres sont obligatoirement enterrés dans des caves sismiques, une solution qui n'est bien sûr pas encore envisageable sur Mars (© IPGP/Manchu/Bureau 21).

Un mécanisme d'horlogerie d'une précision étourdissante

Fruit de vingt années d'efforts et d'acharnement, SEIS, le sismomètre d'InSight, est un véritable bijou de technologie. Un mécanisme d'horlogerie unique au monde, spécialement conçu pour fonctionner dans l'environnement hostile martien.

Sa sensibilité est mille fois supérieure à celle du sismomètre des sondes Viking, et contrairement à ce dernier qui était resté fixé sur l'atterrisseur, il sera placé directement au contact du sol par un bras robotique.

Disposant de multiples couches de protection thermique, qui atténueront au maximum les formidables écarts de température qui existe sur Mars entre le jour et la nuit, il écoutera patiemment, durant deux années terrestres, le moindre soubresaut de la surface martienne. Rien ou presque ne pourra lui échapper. Jugez plutôt : SEIS est tellement sensible qu'il est capable de mesurer des déplacements infinitésimaux à l'échelle atomique. Si le sol bouge sur une distance inférieure à la dimension de l'atome d'hydrogène,  ce mouvement sera néanmoins enregistré par l'instrument !

De la solitude d'un sismomètre

La résistance et la robustesse sont des qualités indispensables à tous les instruments dont le destin est d'être envoyé sur Mars. De son côté, SEIS va devoir faire face à un autre challenge au cours de sa mission : une immense solitude.

Contrairement aux sismomètres terrestres qui fonctionnent en réseau, et qui se viennent mutuellement en aide lorsqu'il s'agit de localiser un séisme, SEIS demeurera inexorablement seul sur la plaine équatoriale d'Elysium, son site d'atterrissage, pour au moins deux années. Le rover de la mission ExoMARS, qui sera équipé d'un sismomètre réalisé par l'agence spatiale russe, l'IKI, ne partira effectivement qu'en 2020.

Pourtant, en mettant en oeuvre des techniques sophistiquées de traitement des données et en utilisant plusieurs astuces, les géophysiciens parviendront à réaliser avec une seule station d'écoute ce qui nécessitait auparavant des dizaines de sismomètres.

Absence de séismes : les deux jokers d'InSight

Vue du dessus du pont scientifique de la sonde InSight (© NASA/JPL-Caltech/Lockheed Martin)Vue du dessus du pont scientifique de la sonde InSight. On distingue en particulier le capteur de pression ultra-sensible (en blanc), la protection thermique hexagonale du sismomètre SEIS, et les deux boites de protection rouges qui protègent les capteurs TWINS de la station météo (© NASA/JPL-Caltech/Lockheed Martin).Et si Mars demeure silencieuse ? Si plus rien ne vient troubler la surface et les profondeurs de cet astre dans son incessant parcours autour du soleil ?

Dans ce cas de figure, prévu par les scientifiques, le sismomètre SEIS d'InSight parviendra néanmoins à remplir sa mission grâce à trois alliés : les impacts de météorites, les marées de la lune martienne Phobos, et les soubresauts de l'atmosphère.

En chutant régulièrement des profondeurs de l'espace sur la surface rouillée de la planète rouge, les météorites forment des cratères, en dégageant une quantité considérable d'énergie lors de leur impact. Une partie de cette dernière est libérée sous la forme d'une onde de choc, à laquelle SEIS prêtera une oreille très attentive.

Guidée par les indications fournies par le sismomètre, les caméras à très haute résolution de la sonde américaine Mars Reconnaissance Orbiter (MRO) et de la sonde Trace Gas Orbiter du programme ExoMARS pourront ensuite rechercher et photographier l'impact, ce qui permettra en retour d'affiner considérablement les données de SEIS.

Le second joker d'InSight, c'est la lune martienne Phobos. Sur Terre, la force d'attraction de notre satellite la Lune est responsable du phénomène des marées, qui s'exerce surtout sur les masses liquides des océans et des mers, et qui fait la joie de nombreux vacanciers. De son côté, Mars ne possède que deux très petits satellites, mais leur masse parvient néanmoins à déformer la surface solide de la planète rouge, certes de façon extrêmement subtile, mais tout de même détectable pour la plus proche des deux, Phobos.

En accumulant des données sur une année terrestre, le sismomètre SEIS va permettre de mesurer le bombement de la croûte induit par la lune Phobos, ce qui donnera en retour accès à la nature du noyau métallique martien. Liquide ou solide, ce dernier sera obligé de livrer son secret, et ce même en l'absence de séismes.

Enfin, la surface de Mars et son atmosphère sont animées en permanence de vents, de tourbillons, de turbulences, qui génèrent sans cesse des variations de pression au niveau du sol. Ces turbulences seront aux séismes ce qu’un balai serait à une baguette de tambour : la source de frémissements continus qui finissent par faire bourdonner et vibrer la planète, même en l'absence de séismes. Cette excitation bien particulière de l'astre par son atmosphère permettra là aussi de sonder sa structure interne.

La sonde InSight à la surface de Mars, avec ses instruments déployés (© David Ducros).La sonde InSight à la surface de Mars, avec ses instruments déployés (© David Ducros).

InSight : un observatoire géophysique complet

Dans sa quête des secrets enfouis dans les profondeurs de Mars, le sismomètre SEIS sera accompagné par plusieurs autres instruments. La sonde InSight est effectivement un observatoire géophysique complet, et dispose ainsi d'une station météorologique, d'un pénétrateur dédié à la mesure du flux de chaleur sortant du sol, et d'un magnétomètre. Les signaux radios seront même mis à contribution pour déterminer en détail la manière dont la planète Mars tourne sur elle-même, et déterminer avec une précision digne d'un GPS la position de la station par rapport à la Terre.

InSight n'offre rien de moins qu'une plongée dans les profondeurs insondables de la planète Mars, et par extension, un voyage vers le coeur des mondes planétaires qui orbitent depuis des milliards d'années autour de notre étoile le soleil, et qui accompagnent depuis toujours la Terre dans son immense voyage cosmique.

Dernière mise à jour : 26 février 2018

Un instrument sensible à de très petits déplacements du sol

Un sismomètre est un appareil sensible aux vibrations, qui repose sur le principe du pendule : une masse lourde et inerte, qui va de part son poids présenter une certaine résistance ou inertie au mouvement (et que les géophysiciens appellent masse d'épreuve), est reliée à un bâti par une suspension ou ressort qui permet un mouvement. Lorsqu'une secousse se produit, la masselotte, excitée par l'énergie reçue, va se mettre à vibrer.

Qu'est ce qui bouge vraiment ? Tout est une question de point de vue !

Cette vision du fonctionnement du sismomètre, ou la masse mobile bouge, est valable si l'on considère que la potence à laquelle est accrochée la masse, et qui est au contact du sol, ne bouge pas. Hors, lorsqu'un tremblement de terre se produit, ou qu'une secousse a lieu à la suite d'un choc quelconque, c'est bien le sol, et donc la potence qui vacille !

En changeant notre point de vue et en nous plaçant au niveau de la masse, on peut donc considérer que lorsqu'un ébranlement se produit, la masse, inerte à cause de son poids, va bouger avec un certain retard, tandis que la potence va se déplacer en suivant les mouvements du sol.

En plus de la masse, du ressort et de la potence, sur un sismomètre un dispositif doit permettre d'enregistrer à chaque instant le déplacement de la masse par rapport au bâti : c'est une partie centrale du capteur sismique, et la différence entre plusieurs technologies de sismomètres : certains mesurent la vitesse de la masse, d'autres son déplacement. Dans les deux cas, l'enregistrement produit, qui montre l'évolution du mouvement du sol en fonction du temps, s'appelle un sismogramme.

Une technique plus simple encore pour représenter ce signal consiste à accrocher sur le pendule un stylet, qui vient toucher un tambour rotatif sur lequel une feuille de papier a été fixée. On a alors un sismographe, qui dessine directement le signal plutôt que de l'enregistrer sous une forme numérique.

Pendule simple et pendule inversé

Principe de fonctionnement d'un sismomètre (© Adobe Stock).Principe de fonctionnement d'un sismomètre (© Adobe Stock).

Les premiers sismomètres mis au point par l'homme étaient basés sur un pendule simple : la masse mobile est suspendue verticalement par l'intermédiaire d'une suspension fixée en hauteur à un socle.

Pour augmenter la sensibilité, ce type de dispositif a ensuite été monté à l'envers, d'où le nom de pendule inversé. Sur une surface basse, on fixe une suspension en haut de laquelle est accrochée une masse.

Intuitivement, on comprend rapidement que ce montage, contrairement au premier, est naturellement instable, et que la moindre perturbation peut conduire la masse à quitter sa position d'équilibre et à verser soit vers la gauche, soit vers la droite, à cause de la gravité qui l'attire vers le sol.

L'instabilité inhérente au pendule inversé permet cependant à ce dernier de réagir à la moindre sollicitation, même la plus infime. Comme vous pourrez le découvrir plus loin, le sismomètre SEIS de la sonde InSight s'appuie sur le principe du pendule inversé.

Création du sismogramme

Le sismomètre fournit des données sous la forme d'un sismogramme : il s'agit d'un enregistrement de l'ampleur des déplacements du sol en fonction du temps construit en mesurant régulièrement le décalage existant entre la position de la masse mobile et de la potence sur laquelle cette dernière est fixée, et ce par rapport à une position d'équilibre, c'est à dire lorsque l'appareil est au repos et qu'aucune perturbation ne se produit.

Historiquement, les premiers sismogrammes ont été créés par le biais de moyens élémentaires. Une pointe métallique, fixée sur la masse mobile, laissait une empreinte de son déplacement sur un papier recouvert de noir de fumée. Plus tard, la pointe a été remplacée par un stylet à encre, devant lequel défilait un ruban de papier enregistreur monté sur un tambour rotatif. Aujourd'hui, à l'ère de l'informatique, les sismomètres fournissent des signaux numériques enregistrés par des ordinateurs. Les sismomètres déposés sur la Lune par les missions Apollo étaient d’ailleurs parmi les premiers de ce genre, car même au début des années 1970, la plupart des stations terrestres étaient encore équipées de sismographes.

Les capteurs modernes dont le rôle est de suivre le déplacement de la masse mobile peuvent réaliser trois types de mesures : mesures du changement de position de la masse par rapport à une position zéro (déplacement), mesure de la vitesse de la masse (c'est à dire du déplacement en fonction du temps), et enfin mesure de l'accélération (c'est à dire les variations de la vitesse en fonction du temps).

Enregistrement d'un signal sismique (© Adobe Stock).Enregistrement d'un signal sismique (© Adobe Stock).

Certains types de capteurs sont plus appropriés que d'autres par rapport à la mesure que l'on souhaite réaliser. Ainsi, les capteurs qui reposent sur le principe de l'induction sont bien adaptés aux mesures de vitesse, tandis que des capteurs capacitifs s'avèrent idéaux pour des mesures de position de la masse mobile. Le sismomètre SEIS d'InSight utilise un capteur capacitif extrêmement sensible.

Nombre d'axes

Les mouvements du sol pouvant se produire dans les trois dimensions de l'espace (une verticale et deux horizontales), leur enregistrement nécessite de trois pendules distincts. C'est la seule manière de pouvoir documenter un événement sismique dans sa globalité.

Les sismomètres évolués disposent donc généralement de 3 axes, un pour chaque direction de l'espace. Sur des sismomètres très simples, à un seul axe, ce sont les mouvements verticaux du sol qui sont généralement privilégiés, tandis que les mouvements horizontaux de la surface sont ignorés, car non mesurés.

Le sismomètre martien SEIS qui équipe la sonde InSight est un instrument trois axes. Détail intéressant, les trois axes du sismomètre ne sont pas alignés avec l'horizontale et la verticale, contrairement à ce que l'on pourrait logiquement penser.

Si chaque axe de SEIS fait un angle de 90° avec les autres, l'ensemble est incliné de 30,5° environ par rapport à l'horizontale. Les raisons de cette inclinaison sont multiples et parfois complexes, mais disons pour simplifier qu'une telle configuration permet de minimiser l'effet du bruit.

La sensibilité d'un sismomètre dépend du rapport existant entre d'une part le signal sismique que l'on souhaite enregistrer, et d'autre part les perturbations diverses et variées qui viennent parasiter ce signal. Ce bruit, qui peut parfois empêcher toute mesure, est similaire au phénomène de neige que l'on peut observer sur l'écran d'un téléviseur.

L’angle de 30.5° des pendules VBB d’InSight correspond à un angle où la composante verticale est mesurée avec la meilleure sensibilité relativement au bruit propre de l’instrument. Le rapprocher de l’horizontale diminuerait l’amplitude de l’accélération verticale, alors que l’éloigner augmenterait le bruit propre de l’instrument, ce dernier oscillant de plus en plus rapidement et perdant alors sa sensibilité longue période.

De l'importance d'une bonne installation

L'une des problématiques qui se pose lors du déploiement d'un sismomètre est de s'assurer que ce dernier suive du mieux possible une vibration, y compris quand cette dernière s'étale sur de longues périodes de temps, comme des minutes voire même des heures.

Appareils par définition extrêmement sensibles, les sismomètres enregistrent effectivement tout ce qui se passe autour d'eux, que ces événements soient ou non de nature sismique. Or la moindre dérive, quelque soit sa nature, peut empêcher un sismomètre de continuer à suivre et à épouser une vibration, surtout si cette dernière est à longue période (l'enregistrement d'événements très brefs posant bien moins de problème).

Les géophysiciens accordent donc une grande importance à l'installation des sismomètres. Un appareil, aussi sensible soit-il, ne donnera pas de bons résultats s'il a été installé à la légère.

Les sismomètres sont donc généralement installés sur des surfaces très dures, comme des dalles de granite ou de béton. La surface doit être la plus plate et la plus horizontale possible.

Dans l'idéal, le lieu d'installation doit aussi être très silencieux. Installer un sismomètre au bord d'une route ou à proximité d'une station de métro n'est pas une bonne idée. La température est également un facteur très important. Cette dernière doit être aussi stable que possible. Toute variation de température risque effectivement d'avoir un effet sur la mécanique des sismomètres, et en particulier sur la force générée par le ressort sur la masse mobile.

Sur Terre, les sismomètres sont donc dans la mesure du possible installés dans des galeries ou des puits d'anciennes mines, à des centaines de mètres sous la surface. Dans ces endroits privilégiés, ces instruments trouvent des conditions idéales de fonctionnement.

Les sources de bruits parasites, qui se propagent aussi très facilement au voisinage de la surface, comme le brouhaha continuel des activités humaines, le ressac des océans et les turbulences atmosphériques sont réduites à leur minimum. Quant à la température, elle est incroyablement, et naturellement, stable. Le site le plus calme d'Europe se trouve en forêt noire, dans une ancienne galerie de mine. A cet endroit, la température ne varie que de quelques millièmes de degrés par an !

Lorsqu'il est bien positionné, un sismomètre peut ressentir et suivre n'importe quelle onde sismique, que cette dernière soit très brève, ou qu'elle se déroule au contraire sur des intervalles de temps importants (minutes ou heures).

Les sources d'ondes sismiques

La raison d'être d'un sismomètre est d'enregistrer des ondes sismiques. Sur notre planète, les ondes sismiques proviennent principalement des tremblements de terre, qui secouent régulièrement et parfois fortement certaines régions du globe, et qui peuvent occasionner de sérieux dégâts en fonction de l'énergie qu'elles transportent.

En dehors des grands tremblements de Terre qui font régulièrement la une des journaux, la surface terrestre est aussi animée en permanence par de très petits mouvements, que nous ne détectons pas mais qui laissent leur empreinte sur les sismogrammes.

Notre planète peut effectivement se comporter comme une cloche, et à l'occasion de certains événements se mettre à résonner rythmiquement. La Terre produit alors sa propre musique, une mélodie tellurique imperceptible pour nos oreilles, mais que les sismomètres les plus sensibles sont parfaitement en mesure d'enregistrer.

Qu'il s'agisse des ondes sismiques libérées lors des grands séismes qui secouent certaines régions actives du globe ou des oscillations imperceptibles de la planète, les géophysiciens utilisent chaque occasion pour approfondir notre connaissance des profondeurs de la Terre.

Un sismomètre peut effectivement être vu comme le stéthoscope d'un médecin. En déterminant la manière dont les ondes sismiques se propagent à l'intérieur de notre planète, en suivant les réflexions et les réfractions qui se produisent au hasard des rencontres avec les matériaux qui composent l'intérieur planétaire, roches ou métaux, il devient possible de s'en faire une image.

Sondage passif et actif

Quand l'étude d'une région particulière du sous-sol est nécessaire, par exemple pour des besoins de prospection pétrolière, l'homme ne peut pas toujours compter sur un tremblement de terre qui arriverait au bon moment. Les séismes ne se produisent effectivement pas à la demande.

Deux solutions existent alors : soit écouter pendant de longues périodes, en espérant que quelques séismes surviennent pour générer des ondes sismiques et alimenter les sismomètres (c'est la solution retenue par la mission InSight, dont la durée est de deux années terrestres), soit provoquer ses propres secousses. La première est une technique d'écoute passive, alors que la seconde est qualifiée d'actives.

Sur Terre, les prospecteurs génèrent régulièrement des ondes sismiques artificielles grâce à différents moyens ou dispositifs, depuis des explosions de dynamite jusqu'à la mise à feu de canon à air comprimé, en passant par des camions équipés de lourdes plaques vibrantes. Cette technique fut aussi utilisée sur la Lune, et des charges explosives furent ainsi activées, créant des ondes sismiques enregistrées par plusieurs géophones installés à la surface par les astronautes des missions Apollo 14, 16 et 17.

Dans le domaine spatial, les géophysiciens disposent de moyens encore plus amusants de faire du bruit : ils peuvent effectivement volontairement envoyer sur une trajectoire de collision l'étage supérieur d'une fusée, une fois que cette dernière a joué son rôle, ou, dans le même ordre d'idée, provoquer le crash d'une sonde devenue obsolète à la surface d'une planète.

Sur Mars, ces techniques un peu brutales ne sont cependant pas utilisables, les scientifiques ayant effectivement le souci d'éviter toute contamination de la surface par des objets n'ayant pas été au préalable stérilisés. InSight et son sismomètre SEIS n'auront donc pas d'autre choix que de compter sur une certaine chance, même si le pénétrateur de l’expérience HP3 permettra de réaliser une petite expérience de sismologie active, pas assez puissante toutefois pour pouvoir sonder le sol au-delà de quelques dizaines de mètres de profondeur.

Dernière mise à jour : 7 novembre 2016

Brève histoire de la sismologie

Si le sismomètre martien SEIS est une merveille de technologie, tout comme la sonde spatiale InSight qui va le déposer à la surface de Mars, les données que les scientifiques comptent acquérir sur l'intérieur de la planète rouge seront peut-être très différentes de celles que les géophysiciens recueillent aujourd'hui quotidiennement sur Terre. 

Enregistrement sismique sur noir de fumée (collection IPGP).Enregistrement sismique sur noir de fumée (© collection IPGP).

Les profondeurs de Mars sont pour l'instant encore inconnues, et ce malgré l'armada d'explorateurs robotiques que l'homme envoie vers cette planète depuis maintenant cinquante ans. La sismologie est effectivement le parent pauvre de l'étude de Mars, focalisée dès le départ vers la recherche de traces de vie et l'habitabilité (et ce contrairement à la Lune). Le seul sismomètre ayant jamais fonctionné sur la planète rouge, celui de l'atterrisseur Viking 2, avait été envoyé il y a 40 ans, et n'a fourni aucun résultat probant. Ce qui explique pourquoi, contrairement à la surface de Mars qui est de mieux en mieux connue et caractérisée d'un point de vue topographique, géologique et climatique on ignore tout ou presque de l'intérieur de la planète.

Avec la mission InSight, nous sommes donc dans une situation paradoxale :  celle d'un engin robotique ultrasophistiqué et bardé de capteurs, dont l'objectif est de réaliser des expérimentations scientifiques qui, sur Terre, ont eu lieu il y a un siècle, entre la fin du 19e siècle et le premier quart du 20eme siècle.

L'origine des séismes dans l'antiquité

Dans l'Antiquité, les tremblements de Terre étaient mis sur le compte de vents fait prisonniers des profondeurs de la planète et tentant désespérément de sortir à force de circuler avec fureur dans un labyrinthe intérieur. Cette théorie, dite pneumatique, céda du terrain face à une autre qui reposait sur de brusques et violentes émissions de vapeur d'eau, suite au réchauffement de poches d'eau par la chaleur interne de la Terre.

Gravure représentant l'éruption du volcan Saint Rose sur l'île de la Réunion (© droits réservés)Gravure représentant l'éruption du volcan Saint Rose sur l'île de la Réunion (© droits réservés).

Des tempêtes ardentes, embrasements souterrains ou explosions telluriques, alimentés par la combustion de substances sulfureuses ou bitumeuses, furent ensuite évoquées à la Renaissance. L'idée était séduisante, car elle permettait de faire le lien avec les volcans, vus alors comme des soupapes de sécurité de la planète. Au 18e siècle, l'électricité, qui fit une apparition fracassante dans les moeurs, fut ensuite rendue brièvement responsable des secousses de notre planète, provoquées dès lors par des accumulations de charge dans des cavités souterraines.

Il faudra attendre le 19eme siècle pour que la tectonique face son entrée sur scène, et apporte une réponse définitive aux questions des savants. Les séismes tirent leur origine de la rupture violente de masses rocheuses, soumises en profondeur à des contraintes mécaniques fortes. En craquant, les matériaux rocheux libèrent des ondes sismiques, qui se déplacent à la vitesse du son dans les roches, typiquement à plusieurs kilomètres par seconde, voire une dizaine de kilomètres par seconde en profondeur. Ces ondes se propagent à la fois à l'intérieur de la planète mais aussi en surface. Ce sont surtout ces dernières qui provoquent des dégâts considérables dans les zones habitées.

Le premier sismomètre

Historiquement, le premier appareil conçu pour étudier les tremblements de Terre est sorti de l'imagination d'un savant chinois, Zhang Heng.

Son sismoscope, un vase métallique naturellement orné de dragons, pouvait simplement indiquer la direction dans laquelle un séisme avait eu lieu, mais il témoignait de l'intuition et de l'ingéniosité de son inventeur, et permettait de savoir vers où faire partir les secours après une secousse violente.

Le premier véritable sismographe à proprement parler, c'est à dire capable d'enregistrer le passage des ondes sismiques sous la forme d'un sismogramme, fut mis au point par l'italien Nicola Zupo en 1784. Il s'agissait d'un pendule vertical composé d'une masse sphérique en plomb sur laquelle était fixée une pointe. Cette dernière enregistrait les déplacements de la masse mobile dans de la cendre, lorsque celle-ci était excitée par un séisme.

A partir de là, au fil du 19eme et 20eme siècle, de nombreux modèles de sismomètre furent mis au point avec plusieurs innovations : tambour avec papier défilant, pendules horizontaux pour étudier les mouvements du sol dans un axe autre que vertical, pendules inversés pour améliorer la sensibilité, etc.

Pour tous ces instruments, une masse retenue par un ressort ou une liaison similaire bouge, et son déplacement est interprété pour en déduire celui du sol. Ce principe de base est toujours utilisé par le sismomètre de la sonde InSight, mais avec de multiples améliorations, ce qui lui confère une sensibilité qui n’a bien sûr plus rien à voir avec celle de ses honorables ancêtres.

Premier enregistrement d'un séisme

Premier enregistrement d'un séisme terrestre par Ernst von Rebeur-Pacshwitz le 17 avril 1889 (© droits réservés)Premier enregistrement d'un séisme terrestre par Ernst von Rebeur-Pacshwitz le 17 avril 1889 (© droits réservés).Le premier enregistrement d'un séisme eu lieu le 17 avril 1889 à Postdam en Allemagne, lorsque Ernst von Rebeur-Pacshwitz mesura par l'intermédiaire de son sismographe d'importants mouvements du sol, qu'il mit en relation avec un tremblement de Terre de forte magnitude à Tokyo, ville située à presque 9000 kilomètres de distance à vol d'oiseau. En comparant les signaux enregistrés simultanément à Wilhemshaven, le scientifique effectue une première estimation de la vitesse de déplacement des ondes sismiques : environ 7 km/s.

En 1897, le géologue britannique Richard Dixon Oldham parvint à caractériser les trains d'ondes sismiques. Il définit les ondes P (qui arrivent en premier), suivies des ondes S (qui arrivent en seconde position), et enfin les ondes de surface, différentes des deux premières, qui voyagent à l'intérieur de la Terre, dans le volume du globe terrestre.

En 1906, en analysant les temps de propagation d'ondes sismiques générées par de multiples séismes, Oldham conclut que la Terre possède un noyau dont la taille devrait être inférieure à 0,4 fois son diamètre, soit environ 5100 kilomètres (le noyau métallique de la Terre mesure en réalité 6960 kilomètres).

C'est la première fois dans l'histoire que les ondes sismiques étaient mises à profit pour sonder l'intérieur de la planète Terre. La sismologie comporte effectivement deux volets complémentaires : l'étude des séismes en tant que tel (localisation, magnitude), et l'utilisation des ondes sismiques pour jeter un oeil sur les profondeurs d'une planète et même d'une étoile, et qui sont totalement inaccessibles par ailleurs. En 1906, le noyau terrestre est donc identifié, mais ces dimensions sont encore floues, pour ne rien dire de sa composition.

La structure de la Terre

En 1909, en étudiant les sismogrammes d'un tremblement de terre survenu à Zagreb et en notant une brusque accélération des ondes P, le météorologue puis sismologue croate Andrija Mohorovicic découvre une discontinuité dans la partie supérieure du globe terrestre.

Voyage au centre de la Terre (© droits réservés)Voyage au centre de la Terre (© droits réservés)Appelée Moho en son honneur, cette frontière dont la profondeur moyenne est de 35 kilomètres (5 à 10 km sous les océans et 20 à 90 km sous les continents) délimite deux enveloppes majeures de notre planète : la croûte en haut et le manteau en bas.

Le Moho est la discontinuité physique de notre globe la moins profonde que l'on connaisse. Néanmoins, malgré plusieurs tentatives de forage sur mer comme sur terre, nous ne l'avons encore jamais atteinte directement, et seules les ondes sismiques nous ont permis de la toucher de manière indirecte. Voilà qui met les points sur les i aux rêveurs qui aspirent un jour à voyager dans le manteau et le noyau terrestre. Excepté dans les romans (comme Voyage au centre de la Terre) ou les films hollywoodiens (comme The Core), hormis la sismologie, point de salut !

Le noyau terrestre est de nouveau mis à l'honneur lorsque l'allemand Beno Gutenberg met en évidence grâce à la propagation des ondes sismiques une discontinuité entre la partie basse du manteau terrestre et le noyau. Cette dernière, située à 2900 kilomètres de profondeur, porte aujourd'hui le nom de discontinuité de Gutenberg et permet de délimiter avec précision le volume occupé par le noyau de la Terre.

L'interface entre le manteau et le noyau joue un rôle essentiel dans le dynamisme géologique de la notre planète, puisque c'est de cet endroit que partent des panaches mantelliques qui parviennent parfois à remonter jusqu'à la surface, en déclenchant des manifestations volcaniques de grandes ampleurs.

Les marées terrestres

En 1926, en étudiant non pas des séismes mais les marées terrestres, provoquées par l'attraction gravitationnelle de la Lune sur les mers et les océans, le géophysicien britannique Jeffreys émet l'idée que le noyau de la Terre posséderait une rigidité toute relative, et qu'il pourrait être ... liquide !

Enfin, la dernière grande découverte relative à la structure interne de la Terre a lieu en 1936, lorsqu'en interprétant des sismogrammes, la sismologue danoise Inge Lehmann met en évidence l'existence de la graine, la partie centrale et solide du noyau métallique terrestre, séparé de la partie externe liquide par une discontinuité (dite de Lehmann).

En ce qui concerne notre planète, la boucle est alors d'une certaine manière bouclée. Et l'histoire peut donc recommencer, cette fois ci sur Mars.

Mesure de l'épaisseur de la croûte martienne et détermination de son éventuelle stratification (arrangements en couches de densité distincte), caractérisation de la composition minéralogique du manteau, détermination précise du rayon du noyau, et de son état (liquide et/ou solide), voici quelques-uns des objectifs majeurs de la mission InSight. Comme nous pouvons le voir, ceux-ci correspondent aux grandes étapes de la découverte de la structure interne de la Terre que nous venons de passer brièvement en revue, et là encore, séismes et marée seront utilisés pour recommencer la succession des découvertes des pionniers de la sismologie.

De part son apport, InSight ne sera donc rien de moins qu'un événement historique dans le domaine de la géophysique.

L'histoire continue sur Mars

Les obstacles qu'il est nécessaire de franchir pour pouvoir effectuer sur Mars ce que les géophysiciens sont parvenus à réaliser courant du 20e siècle sur Terre sont nombreux, et n'ont cessé de mettre à rude épreuve les membres de l'équipe instrumentale de SEIS.

Au 17e siècle, les savants pensaient que la Terre était creuse et abritait de multiples foyers ardents. Ceux-ci alimentaient de nombreuses bouches volcaniques tout autour du Monde. L'une des plus belles représentations de ces enfers telluriques est due à Athanasius Kircher. C'est le Pyrophylaciorum.Au 17e siècle, les savants pensaient que la Terre était creuse et abritait de multiples foyers ardents. Ceux-ci alimentaient de nombreuses bouches volcaniques tout autour du Monde. L'une des plus belles représentations de ces enfers telluriques est due à Athanasius Kircher. C'est le Pyrophylaciorum (© droits réservés).L'unique sismomètre d'InSight, SEIS, sera effectivement bien isolé sur la planète rouge, alors que sur Terre, les sismologues ont très rapidement pu bénéficier de réseaux de plusieurs dizaines, centaines puis milliers de stations d'écoute, réseaux qui n'ont donc jamais cessé de s'agrandir.

Aujourd'hui, la Terre est auscultée en permanence par plus de 20 000 sismomètres déployés tout autour du globe, et dont la grande majorité renvoie des données en temps réel. Dès la fin du 19e siècle, Rebeur Paschwitz avait compris l'intérêt fondamental qu'il y avait à étudier un séisme depuis plusieurs endroits du globe terrestre.

Les avancées effectuées dans le traitement des signaux, et l'emploi d'astuces qui s'appuient en partie sur la petite taille du globe martien vont cependant permettre à SEIS de réaliser des mesures que l'on pensait encore récemment hors de portée.

Une autre particularité étonnante du sismomètre SEIS d'InSight tient dans le fait que cet instrument a été conçu pour être non seulement très sensible, mais aussi très résistant.

En termes de sensibilité, SEIS n'a pas à rougir d'une comparaison avec les standards terrestres. Il est également des milliers de fois plus sensible que les sismomètres déposés sur Mars par les sondes Viking, et des dizaines de fois plus sensible que ceux amenés sur la Lune par les astronautes des missions Apollo.

La nature spatiale du sismomètre d'InSight exige cependant qu'il soit ultra-résistant, pour pouvoir survivre à toutes les agressions qui caractérisent ce domaine bien particulier : vibrations et chocs durant le lancement et la phase d'atterrissage, vide, températures glaciales ou au contraire très élevées, niveau délétère de radiations pendant son voyage vers Mars, etc.

Les secousses phénoménales encaissées par la sonde lors du décollage ou de l'arrivée sur Mars apparaissent en particulier contradictoires avec les exigences de sensibilité, qui sont d'autant plus importantes dans le cas d'une planète faiblement active d'un point de vue sismique, comme peut l'être Mars.

Pourtant, les ingénieurs ont relevé les uns après les autres la plupart des défis qui se sont présentés à eux, et livreront à la NASA en milieu d'année 2017 un bijou de technologie qui devrait révolutionner nos connaissances des profondeurs de la planète rouge, et écrire un nouveau chapitre dans l'histoire de la sismologie.

Dernière mise à jour : 18 septembre 2017

Un séisme génère plusieurs types d'ondes sismiques, qui ont chacune des caractéristiques différentes

Qu'est-ce qu'un séisme?

Un séisme est un événement géologique au cours duquel des contraintes plus ou moins fortes déclenchent une rupture au sein d'un matériau rocheux, ce qui conduit à une brusque libération d'énergie.

Une partie significative de l'énergie d'un séisme va se dégager sous la forme d'ondes sismiques, qui vont se propager dans toutes les directions de l'espace à l'intérieur du globe terrestre, mais aussi à sa surface.

Formation d'un séisme (© IPGP/David Ducros)Formation d'un séisme (© IPGP/David Ducros).

Ces ondes sont similaires à celles aux rides qui se forment lorsque l'on s'amuse à lancer un galet dans une mare ou un lac : elles naissent en un point, puis s'étalent en surface en créant une multitude de rides, dont la hauteur (l'amplitude) va progressivement en décroissant. Lorsqu'un séisme se produit, des rides similaires apparaissent autour du foyer. Cependant, contrairement à notre exemple, elles ne se déplacent par sur un plan, mais dans les trois dimensions de l'espace.

Le front d'ondes généré par un séisme va immédiatement rencontrer du matériel rocheux, qui va alors se déformer, mais de manière temporaire. Lorsque l'onde sismique s'éloigne, les matériaux déformés retrouvent leur état d'équilibre. A proximité de la source, celui-ci peut être différent de la situation avant le séisme, en raison de la déformation générée par la faille qui a joué. Mais à plus grande distance, la position d'équilibre des matériaux est quasiment la même qu'avant le séisme. Dans le langage des géophysiciens, cette déformation réversible est qualifiée d'élastique.

Représentation schématique d'une onde sismique (© IPGP/David Ducros).Représentation schématique d'une onde sismique. Notion d'amplitude, de période, fréquence, et de direction de propagation  (© IPGP/David Ducros).

Les ondes sismiques sont classées en deux grandes familles : celles qui voyagent à l'intérieur d'une planète, et qui sont parfois en position de traverser le globe terrestre de part en part, noyau métallique y compris, et celles qui circulent uniquement en surface, sans volonté aucune de s'enfoncer dans le sous-sol.

Onde de volume et onde de surface (© IPGP/David Ducros).Onde de volume et onde de surface (© IPGP/David Ducros).

Ondes de volume P et S

Principe de propagation d'une onde P (IPGP/David Ducros).Principe de propagation d'une onde P (IPGP/David Ducros).

Dans la catégorie des ondes sismiques dites de volume, capables de se propager dans les profondeurs d'un globe planétaire, comme la Terre ou Mars, les géophysiciens distinguent deux types : les ondes P ou primaires, appelées ainsi parce qu'elles arrivent en premier sur les sismomètres lorsqu'un séisme se produit, et les ondes S ou secondaires, qui voyagent derrière les ondes P, et qui parviennent donc toujours en seconde position aux stations d'écoute.

Si les ondes P parviennent toujours en pôle position sur les sismomètres, c'est qu'elles sont les plus rapides. Elles se déplacent en effet assez vite (de 6 à 14 kilomètres par seconde en moyenne), et peuvent traverser n'importe quel matériau, que celui-ci soit solide ou liquide. Plus le milieu est dense, plus leur vitesse s'accélère. Au contraire, plus la densité diminue, comme à proximité de la surface, et plus elles ralentissent.

Les ondes S sont plus lentes que les ondes P (de 4 à 6 kilomètres par seconde en moyenne), et surtout elles détestent les liquides, qu'elles ne peuvent traverser. La partie externe du noyau métallique de la Terre, qui est liquide, constitue donc pour elles une barrière infranchissable.

En mesurant la vitesse des ondes P et S associées à un séisme, et en calculant le temps qui sépare l'arrivée du front d'onde P du front d'onde S au niveau d'une station sismique donnée, il est possible d'estimer la distance qui sépare la dite station du foyer sismique. En combinant les données enregistrées par au moins trois stations sismiques, l'épicentre peut être de plus localisé avec précision.

Principe de propagation d'une onde S (IPGP/David Ducros).Principe de propagation d'une onde S (IPGP/David Ducros).

Les ondes sismiques P et les ondes sismiques S ne déforment pas les roches de la même façon. Lorsqu'un matériau rocheux voit arriver sur lui un front d'onde P, il va subir une déformation de type compression/extension, avant de retrouver sa forme initiale.

Le cycle de dilatation/compression auquel les roches sont soumises prend place parallèlement à la direction de propagation de l'onde. Une fois celle-ci passée, le matériel reprend sa forme initiale. Il est possible d'observer facilement l'effet de la propagation d'une onde P en étirant puis en lâchant (prudemment !) un ressort. La vague qui parcourt les différents anneaux du ressort est une onde de compression/dilatation, donc de type P.

Au contraire, les ondes S provoquent des cisaillements, qui ont lieu perpendiculairement à la direction dans laquelle l'onde voyage. Pour en simuler une, il suffit de se procurer une couverture ou d'un tapis que l'on souhaite dépoussiérer : les ondes S sont identiques à la vague qui se déplace sur le tapis lorsque celui-ci est vivement secoué à une extrémité.

Ondes de surface

Principe de déplacement d'une onde de surface (© IPGP/David Ducros)Principe de déplacement d'une onde de surface (© IPGP/David Ducros).

La seconde famille d'ondes est celle des ondes dites de surface. Comme leur nom l'indique, ces ondes ne circulent qu'en surface, en suivant le sol. Elles sont un peu moins véloces que les ondes de volume S dont nous venons de parler (jusqu'à 4 km/s seulement en moyenne), mais possèdent des amplitudes plus grandes. Elles peuvent occasionner des dégâts très importants sur leur passage, et ce sont elles qui sont responsables des destructions massives qui accompagnent souvent les séismes les plus violents.

Là encore, les géophysiciens en distinguent deux types principaux : les ondes de Rayleigh, et les ondes de Love.

Onde de Rayleigh (© IPGP/David Ducros).Onde de Rayleigh (© IPGP/David Ducros).

L'onde de Rayleigh se déplace de façon complexe. Sur Mars, elles seront mises à profit par la sonde InSight pour localiser les séismes, ce qui est impossible pour un réseau sismique constitué d'une seule station qui n'écouterait que les ondes de volume.

Contrairement aux réseaux d'écoutes terrestres, constitués de milliers de stations, le sismomètre SEIS déposé au sol par InSight sera effectivement seul sur la planète rouge. Grâce aux ondes de Rayleigh, en particulier celles qui seront suffisamment énergétiques pour pouvoir faire un tour complet de la planète, SEIS pourra déterminer la vitesse de propagation sans avoir besoin de connaître la position du séisme. La stratégie sera tout simplement de détecter la première arrivée de l'onde de surface, puis de mesurer à nouveau celle-ci après qu'elle ait effectué un tour complet de la planète. La circonférence de Mars étant connue, la différence entre les deux temps de passe permettra de calculer la vitesse de propagation de l'onde de surface de Rayleigh.

Onde de Love (© IPGP/David Ducros).Onde de Love (© IPGP/David Ducros).

Quant aux ondes de surface de Love, elles ressemblent en un peu plus simple aux ondes de volume secondaires (ondes S). Sur Terre, les ondes de Love sont responsables de la majeure partie des dégâts causés par des tremblements de terre violents. La façon dont elles se déplacent leur confère une grande capacité de nuisance, en particulier pour tous les bâtiments et édifices non conçus pour résister aux secousses sismiques.

Ondes courte période et onde longue période

En plus de leur classification en ondes de volume et en ondes de surface, les ondes sismiques sont aussi caractérisées par leur période, qui peut être longue ou courte.

Pour comprendre cette notion, nous pouvons essayer de nous représenter une onde sismique comme une vague parcourant le sol. A l'arrivée de l'onde, la surface du sol se déforme et se met à monter, jusqu'à parvenir à un point d'amplitude maximal, ou elle va alors commencer à redescendre, pour finalement retrouver son niveau initial et sa planéité.

 Onde sismique de haute fréquence (© IPGP/ETHZ).Onde sismique de haute fréquence (© IPGP/ETHZ).

Pour une onde à courte période (que les géophysiciens qualifient aussi de haute fréquence), la montée et la descente vont se produire rapidement, par exemple en moins d'une seconde. Au contraire, pour une onde à longue période (appelée aussi basse fréquence), le sol va monter lentement, par exemple durant une minute, puis redescendre tout aussi lentement, là aussi sur une minute.

Onde sismique de fréquence moyenne (© IPGP/ETHZ).Onde sismique de fréquence moyenne (© IPGP/ETHZ).

Pour pouvoir mesurer avec précision ces deux types d'ondes, à courte et longue période, les géophysiciens mettent en oeuvre des sismomètres adaptés, dits à courtes ou longues périodes. Plus un sismomètre est sensible à une large gamme de périodes, plus sa bande passante est élevée, et il est alors appelé "large bande" par les sismologues.

Onde sismique de basse fréquence (© IPGP/ETHZ).Onde sismique de basse fréquence (© IPGP/ETHZ).

De manière à maximiser le retour scientifique, le sismomètre d'InSight embarque deux types de sismomètre. L'un, qui constitue le coeur de l'instrument SEIS, est un sismomètre très large bande. Surtout sensible aux ondes de longue période, il est couplé avec un second sismomètre à courte période (SP), qui étend donc ses capacités d'écoute dans le domaine des ondes courtes.

Echographie planétaire

Propagation des ondes sismiques à l'intérieur du globe martien (© IPGP/David Ducros).Propagation des ondes sismiques à l'intérieur du globe martien (© IPGP/David Ducros).

Les ondes sismiques présentent un intérêt majeur en géologie. A l'image du stéthoscope qu'un médecin utilise pour écouter l'activité des organes internes d'un patient, ou de l'échographie, capable de fournir une image d'un nourrisson dans le ventre de sa mère, l'écoute des vibrations émises par la Terre par le maillage très dense des réseaux de sismomètre permet de pénétrer dans l'intimité profonde de notre planète, un domaine par ailleurs inaccessible de façon directe.

Les ondes sismiques générées par un séisme se comportent comme des rayons lumineux. Lorsqu'elles frappent un milieu donné, elles peuvent en effet être réfléchies dans une autre direction, un peu comme face à un miroir, ou réfractées, c'est à dire à la fois déviées et ralenties.

Emises à partir du point central d'un séisme, le foyer, les ondes vont partir dans toutes les directions et adopter des trajectoires plus ou moins complexes. En fonction des structures géologiques qu'elles vont rencontrer sur leur passage et que l'on peut voir comme autant d'obstacles, elles vont arriver avec des temps d'arrivée variables sur les multiples stations sismiques réparties à la surface de notre globe.

Un dépouillement minutieux des données recueillies permet aux géophysiciens de retracer leur parcours, et de comprendre ce qui s'est trouvé sur leur chemin dans les profondeurs du globe. C'est ainsi que l'on a découvert que la Terre, loin d'être une boule rocheuse homogène, possédait une structure interne complexe, avec du centre vers la périphérie, un noyau métallique (dont une partie est liquide), un manteau visqueux et enfin une croûte rocailleuse très fine.

Dernière mise à jour : 17 avril 2018

Les premières expériences de sismologie planétaire eurent lieu sur notre satellite la Lune

  • Une sonde Ranger (© NASA)Une sonde Ranger (© NASA).

    La sismologie planétaire a pris son envol au début des années 60, avec le programme américain Ranger, qui consistait à envoyer vers la lune, sur une trajectoire de collision, une série de sondes chargées de photographier la surface. Pour pouvoir accomplir leur mission, les engins étaient bardés d'appareils photos, mais des sismomètres avaient été montés sur la seconde série de sondes, Ranger 3, 4 et 5.

    La manière brutale qu'avaient les sondes Ranger d'aborder la Lune ne semble à priori pas compatible avec la dépose d'un sismomètre, appareil par définition très sensible au moindre choc. Les ingénieurs de la NASA avaient néanmoins conçu une sphère en bois de balsa capable de survivre à l'impact avec le sol de la Lune, et sous la protection de laquelle ils avaient placé un sismomètre.

    Pour la NASA, le programme Ranger fut un échec sérieux, puisque sur les 9 sondes lancées depuis la Terre, aucune ne put réussir sa mission, à cause de divers dysfonctionnements, que ce soit lors du lancement, ou durant la phase de guidage vers la Lune.

    Équipée d'un sismomètre, Ranger 3 rata sa cible suite à son lancement le 26 janvier 1962 et se perdit dans les confins de l'espace. Ranger 5 connut le même sort neuf mois plus tard. Quant à Ranger 4, un dysfonctionnement dans son ordinateur de bord priva le vaisseau de l'usage de ses panneaux solaires et de ses capacités de navigation, et la sonde s'écrasa sur la Lune sans qu'aucune donnée ne puisse être obtenue.

    Dernière mise à jour : 31 juillet 2017

  • Modèle d'une sonde lunaire Surveyor (© NASA)Modèle d'une sonde lunaire Surveyor (© NASA).

    Pour les scientifiques intéressés par l'activité sismique lunaire, la suite logique au programme Ranger aurait été d'embarquer des sismomètres sur les sondes du programme Surveyor.

    Ce dernier devait impérativement réussir, la NASA n'ayant plus droit à l'erreur après la débâcle des Ranger. Un sismomètre fut donc mis au point par des ingénieurs, mais ce dernier finit par être annulé, mettant un frein temporaire aux ambitions des géophysiciens.

    Dernière mise à jour : 25 octobre 2016

  • Portrait de l'astronaute Buzz Aldrin durant la mission Apollo 11 (© NASA)Portrait de l'astronaute Buzz Aldrin durant la mission Apollo 11 (© NASA).

    Apollo 11

    Le premier sismomètre lunaire sera finalement déposé par la main de l'homme, et non par l'intermédiaire d'un engin robotique, grâce aux missions Apollo. En juillet 1969, Buzz Aldrin installe sur la Mer de la Tranquillité un sismomètre baptisé PSE (Passive Seismic Experiment, ou expérimentation sismique passive). Comme son nom l'indique, il s'agit d'un appareil permettant d'écouter les bruits sismiques naturels, mais qui ne s'appuie par sur des techniques actives, comme des impacts ou des explosions, pour générer des ondes sismiques.

    L'appareil qu'Aldrin dépose sur le sol sélène est alimenté par des panneaux solaires, et il ne peut donc s'activer qu'avec l'apparition du soleil, pour stopper les mesures la nuit par manque de courant. Au cours du second jour lunaire, vers midi, à cause d'un ensoleillement trop important, l'instrument surchauffe et cesse définitivement de fonctionner. Il aura néanmoins permis d'effectuer des relevés durant 21 jours terrestres, soit un peu moins d'une journée lunaire (qui s'étire sur 28 jours terrestres).

    Le sismomètre PSE était un instrument sensible aux vibrations dans les trois directions de l'espace pour les longues périodes (trois axes), et sur un axe pour les courtes périodes. D'un poids de 11,5 kg, sa consommation électrique variait entre 4,3 et 7,4 watts. Il était usiné en béryllium, un métal très léger mais également très délicat et coûteux à travailler à cause de sa toxicité extrême pour l'être humain.

    Le bon fonctionnement d'un sismomètre dépend fortement de la qualité de son installation, et grâce au retour d'expérience acquis durant Apollo 11, un soin plus important fut apporté à la dépose des sismomètres suivants. L'orientation et la mise à niveau furent effectuées avec une plus grande précision, et les instruments étaient également revêtus d'une couverture thermique, de manière à atténuer l'échauffement. Le remplacement des panneaux solaires par un générateur thermo-électrique radioisotopique (dispositif permettant de générer de la chaleur par la décomposition radioactive de noyaux atomiques instables) permis aussi aux sismomètres suivants de continuer à fonctionner de nuit dans l'obscurité.

    Un réseau de sismomètres déposés par Apollo 12, 14, 15 et 16

    Bande magnétique contenant les enregistrements des événements sismiques actifs de la mission Apollo 16 (© IPGP).Bande magnétique contenant les enregistrements des événements sismiques actifs de la mission Apollo 16 (© IPGP).

    Le second sismomètre amélioré est déposé dans l'Océan des Tempêtes lors de la mission Apollo 12. Il est bientôt rejoint par d'autres stations de mesure sismiques, déployées respectivement sur les sites de Fra Mauro (Apollo 14), Hadley (Apollo 15) et enfin sur les hautes terres du cratère Descartes (Apollo 16). Mis ensemble, ils constituèrent un réseau de quatre stations sismiques formant un maillage sur le centre de la face visible de notre satellite, qui permit de sonder l'intérieur de la lune, et de déterminer les caractéristiques de la propagation des ondes sismiques dans ses enveloppes rocheuses.

    En décembre 1972, la dernière mission Apollo, Apollo 17, déploya un gravimètre dans le secteur de Taurus-Littrow, dont l'objectif était de tenter de mesurer les ondes gravitationnelles prédites par la théorie de la relativité générale (et qui furent mis pour la première fois en évidence en février 2016 par l'observatoire terrestre LIGO).

    Les ondes gravitationnelles ne furent pas observées sur la Lune, mais les géophysiciens s'aperçurent bien plus tard que l'instrument se comportait comme un sismomètre à courte période de faible sensibilité, et que les données renvoyées sur Terre en faisaient une cinquième station sismique, soit une véritable aubaine. En sismologie, plus on est de fous, et plus on rit !

    Les expérimentations lunaires prennent fin en septembre 1977, après presque huit années d'observation, et le recueil de 600 gigabits de données. Si les sismomètres étaient passifs, des expériences de sismologie actives, permettant de générer sur demande des ondes sismiques eurent aussi lieu sur notre satellite.

    Sismologie active

    Site du crash du troisième étage (S-IVB) de la fusée Saturne V de la mission Apollo 16 (© LRO/NASA).Site du crash du troisième étage (S-IVB) de la fusée Saturn V de la mission Apollo 16 (© LRO/NASA).

    En provoquant volontairement le crash de masse lourde, comme le dernier étage des fusées Saturne V ou l'étage de remontée des modules lunaires (une fois celui-ci utilisé), les géophysiciens pouvaient effectivement provoquer des impacts générateurs d'ondes sismiques, avec un avantage de taille par rapport aux mesures passives: la source du séisme pouvait être localisée très précisément à la surface de la Lune, sans compter qu'un chronométrage minutieux pouvait être mis en oeuvre pour connaître avec précision le moment de l'impact. Neuf expériences d'impacts contrôlés furent ainsi effectuées. Des géophones, similaires à des sismomètres et équipés de sources explosives, furent également embarqués lors des missions Apollo 14, 16 et 17.

    Bilan des observations lunaires

    Site du crash du troisième étage (S-IVB) de la fusée Saturne V de la mission Apollo 16 (© LRO/NASA).Package géophysique ALSEP déployé par la mission Apollo 15 sur la lune (© NASA).

    Les premières expérimentations de sismologie planétaire menées sur la surface grise et poussiéreuse de notre satellite permirent d'abord de comprendre combien notre planète, la Terre, est un monde bruyant.

    Sans atmosphère et donc sans phénomènes météorologiques, sans océan dont la surface est en permanence agitée par le ressac, sans villes, autoroutes et métro souterrain, la Lune est un monde où règne un silence presque absolu. Là-haut, rien ou presque ne vient troubler les sismomètres, qui peuvent alors mesurer des mouvements infimes du sol, qui seraient absolument impossibles à caractériser sur Terre.

    Durant toute la période de mesures, le réseau sismologique lunaire permis d'enregistrer un peu moins de 2000 impacts de météorites de taille diverse et plus de 10 000 séismes. La plupart des séismes qui ont secoué la lune étaient d'origine profonde, avec un foyer situé entre 800 et 1000 kilomètres de profondeur, et de faible magnitude (généralement inférieur à 2 sur l'échelle de Richter).

    L'étude de la propagation des ondes sismiques à l'intérieur de la Lune a également permis de caractériser sa structure interne, l'objectif final de toutes les mesures sismiques.

    Comme les autres corps de grande taille du système solaire, la Lune n'est pas une sphère homogène, mais possède une structure différenciée, avec une croûte rocheuse trois fois plus épaisse que celle de la Terre, un manteau et un noyau métallique. Bien qu'ayant un diamètre assez petit, moins de 450 kilomètres, la partie externe du noyau lunaire est encore liquide. Elle entoure une graine solide. La faible atténuation des ondes sismiques traversant le manteau laisse penser que ce dernier doit être froid et sec (faible teneur en eau).

    La lune a permis de confirmer tout le potentiel de la sismologie pour l'étude des planètes du système solaire, et les surprises que notre satellite a réservé aux géophysiciens, comme la diffraction des ondes sismiques par le régolite, zone fortement fracturée de la croûte lunaire, laisse augurer bien des découvertes inattendues sur les autres terres du ciel, et en particulier sur la planète rouge, Mars.

    Dernière mise à jour : 18 septembre 2017

 

Viking fut la première (et la seule) mission
à déposer un sismomètre sur Mars

  • Le sismomètre des sondes Viking (© NASA)Le sismomètre des sondes Viking (© NASA)

    En 1975, la NASA lança une armada en direction de Mars. Pas moins de quatre engins sophistiqués, deux orbiteurs et deux atterrisseurs, s'envolèrent vers la planète rouge. Baptisé Viking, cette mission allait révolutionner pour plusieurs décennies notre vision de Mars, et compte encore à ce jour parmi les projets les plus spectaculaires jamais entrepris par l'agence spatiale américaine, la NASA.

    Les sondes Viking, et en particulier les atterrisseurs, avaient pour principal objectif de rechercher des traces de vie sur Mars, et la mission était donc fortement colorée par l'exobiologie. Cependant, les géophysiciens étaient parvenus à s'y faire une petite place, et les deux stations au sol embarquaient chacune un sismomètre.

    Cependant, les géophysiciens avaient dû se plier à diverses exigences, et faire des concessions qui auront un impact significatif sur l'expérimentation sismique. Les sismomètres étaient ainsi fixés sur le pont de l'atterrisseur, et ne pouvaient pas être déployés au sol. Le contact nécessaire avec la surface martienne était assuré par les pieds de l'atterrisseur, et en particulier les absorbeurs de chocs, ce qui était loin d'être optimal pour la transmission des ondes sismiques du sol vers l'instrument.

    Chaque sismomètre pesait 2,2 kg, et consommait environ 3,5 watts. Sensibles sur trois axes aux ondes de courtes périodes, les sismomètres des atterrisseurs Viking possédaient une sensibilité environ 10 fois moins bonne (de l'ordre du nanomètre) que celles des sismomètres déposés sur la lune au cours des missions Apollo. De plus, à cause du faible débit de communication entre la Terre et Mars, les mesures enregistrées par les sismomètres Viking devaient subir une compression assez forte avant de pouvoir être transmise vers notre planète, ce qui diminuait d'autant les performances.

    Le 20 juillet 1976, pour la première fois dans l'histoire de l'exploration martienne, la sonde Viking 1 se posa en douceur sur la surface rouillée de Mars. Hélas, le système de déverrouillage de son sismomètre refusa de s'enclencher, rendant par la même l'instrument inutilisable.

    A cause de leur très grande sensibilité aux vibrations, les sismomètres doivent être protégés durant les phases de la mission ou la sonde encaisse un niveau extrême en termes de chocs, comme le lancement ou l'atterrissage. Dans le cas des sismomètres Viking, la partie mobile était donc mécaniquement verrouillée, de façon à éviter tout dommage ou incident. Cependant, une fois au sol, les ingénieurs n'ont pu libérer la masse mobile de sa prison. Le sismomètre de Viking 1 fut le seul instrument non fonctionnel de la mission Viking, tous les autres appareils, que ce soit ceux des orbiteurs ou des atterrisseurs, ayant donné toute satisfaction.

    Dernière mise à jour : 25 octobre 2016

  • Vue du site d'atterrissage de l'atterrisseur Viking 2 sur Utopia Planitia (© NASA)Vue du site d'atterrissage de l'atterrisseur Viking 2 sur Utopia Planitia (© NASA)

    La perte aussi rapide du premier sismomètre rendit le déploiement de l'instrument embarqué sur Viking 2 d'autant plus critique. Heureusement, après un atterrissage réussi le 3 septembre 1976 sur la plaine d'Utopia, le système de déverrouillage fonctionna du premier coup, ouvrant par la même la voie à l'acquisition de mesures sismiques. Cependant, un autre piège sournois attendait les géophysiciens au tournant.

    Riveté sur le pont de l'atterrisseur, et relié (couplé diraient les géophysiciens) au sol de manière imparfaite par les pieds de la sonde, l'appareil ne tarda pas à enregistrer des événements qui n'avaient rien à voir avec des séismes.

    L'activité, parfois intense, qui régnait sur le pont de l'atterrisseur empêchait souvent l'écoute de la vie sismique de la planète rouge. Le sismomètre réagissait effectivement à tout : de la rotation de l'antenne grand gain ou des caméras jusqu'aux déplacements du bras robotique, en passant par les cliquetis du magnétophone à bande lors de l'enregistrement des données. Plus embêtant encore, car par nature imprévisible, la moindre rafale de vent faisait trembler la plateforme de la sonde, et imprimait un mouvement sur la masse mobile du sismomètre.

    En plein jour, le bruit de fond parasite lié à l'écoulement de l'air sur l'atterrisseur Viking était tel qu'il empêcha toute mesure sismique correcte. De fait, le sismomètre de l'atterrisseur Viking 2 devint une bonne station météorologique durant toute sa période de fonctionnement, qui s'étala sur 560 jours martiens (sols), soit 19 mois, de 1976 à 1978. L'instrument compléta à merveille la station météo de la sonde, et transmis de nombreuses données relatives aux vents et à la circulation de l'atmosphère, que les météorologues se firent une joie d'exploiter. C'est bien connu, le malheur des uns fait souvent le bonheur des autres.

    La nuit, de minuit à six heures du matin environ, la tombée des vents et le calme ambiant qui régnait autour du site d'atterrissage permit néanmoins aux géophysiciens d'accumuler quand même quelques données. Leur dépouillement fut toutefois très décevant, car le sismomètre Viking pêchait par son manque de sensibilité, et l'influence des vibrations de l'atterrisseur ne pouvait pas être estimée et écartée.

    Même aujourd'hui, alors que les données de Viking 2 ont été ré-analysées avec des techniques et moyens de traitement bien plus sophistiqués que ceux disponibles à l'époque des Viking, les sismologues se demandent toujours si l'atterrisseur est parvenu à entendre un seul séisme.

    Excepté un événement ayant eu lieu au cours du sol 80, pour lequel le doute est permis d'un point de vue sismique, Mars semble être restée aussi silencieuse qu'un tombeau. L'incertitude qui existe pour le sol 80 tient au fait que ce jour là, aucune donnée météorologique ne fut collectée par la station météo, empêchant ainsi toute dé-corrélation : il n'était alors pas possible de savoir si la vibration détectée était liée à une bourrasque de vent ou à un réel événement sismique. On voit ici l'importance de l'acquisition de données météo pour l'interprétation correcte des données sismiques.

    La perte brutale du sismomètre de Viking 1 suite au déverrouillage infructueux du pendule a eu des conséquences importantes sur l'expérimentation de sismologie. Désormais seul sur Mars, le sismomètre restant monté sur Viking 2 n'était plus en position de recevoir une aide extérieure permettant de confirmer un éventuel séisme. De plus, une opération de triangulation, capable de fournir des éléments de localisation, n'était plus non plus possible.

    Il est intéressant de constater qu'une fois sur Mars, la sonde Insight sera, comme pour Viking 2, la seule station sismique en action. Nous verrons dans une autre section quelles astuces les géophysiciens ont inventé pour maximiser son efficacité.

    Dernière mise à jour : 25 octobre 2016

  • Les mesures d'activité sismique sur Vénus représentent un défi considérable

    Si l'exercice qui consiste à acquérir des signaux sismiques sur Mars est déjà extrêmement difficile, c'est encore pire sur Vénus. Non contente d'être calcinée par une température de 460°C, la surface est également écrasée sous une atmosphère très dense, qui exerce une pression de 90 bars, soit 90 fois la pression atmosphérique terrestre, ou plus que la pression ressentie sous 900 mètres d'eau sur Terre. Dans ces conditions infernales, les engins spatiaux ne tiennent que quelques heures.

    Sœurs jumelles

    La planète Vénus et la planète Terre pourraient presque être considérées comme deux sœurs jumelles. Toutes les deux font pratiquement le même diamètre, et possèdent une masse similaire. Pourtant, en y regardant de plus près, ces astres présentent des différences flagrantes, que n'expliquent pas la plus grande proximité de Vénus avec notre étoile le soleil.

    >La planète Vénus observée par la sonde Pioneer Venus Orbiter (© NASA)La planète Vénus observée par la sonde Pioneer Venus Orbiter (© NASA)

    Jugez plutôt : à la surface de Vénus, la température atteint la valeur record de 460°C. Ces conditions infernales s'expliquent par une atmosphère très épaisse et suffocante constituée en majorité de dioxyde de carbone, plus de 90 bars. L'effet de serre donne donc naissance à des températures infernales.

    Autre différence majeure, l'absence complète d'eau. Notre Terre renfermerait environ 100 000 fois d'eau que Vénus. L'eau jouant un rôle critique dans la mise en place du phénomène de tectonique de plaques, l’extrême aridité de Vénus expliquerait pourquoi ce mécanisme ne s'est pas activé, alors même que la planète dispose d'une grande réserve de chaleur interne, dissipée par les nombreux édifices volcaniques qui ponctuent sa surface brûlée.

    Comme si cela ne suffisait pas, Vénus ne tourne pas dans le même sens que les autres planètes du système solaire, et sa rotation est de plus extrêmement lente. Aucun satellite ne l'accompagne dans son parcours autour du soleil, alors que la Terre en possède un massif, la Lune, et la planète Mars deux petits. Enfin, et c'est très étrange, Vénus ne possède aucun champ magnétique.

    Mesures sismiques

    Au vu des conditions dantesques qui règnent à la surface de Vénus, les tentatives visant à mesurer une éventuelle activité sismique relèvent presque de l'impossible. Pour l'instant, seuls les soviétiques s'y sont essayés. En 1982, les sondes Venera 13 et Venera 14 sont parvenues à se poser sur Vénus, mais n'ont pu survivre que quelques heures dans l'enfer vénusien.

    Si les sondes Venera sont surtout connues pour les magnifiques et inquiétantes images couleur qu'elles ont renvoyées du sol, elles embarquaient également un instrument, Groza 2, qui combinait un microphone avec un sismomètre rudimentaire, doté d'un seul axe et qui permettait de mesurer les déplacements de la surface dans l'axe vertical avec une précision d'un micron.

    Posé sur un anneau qui entourait la sonde et qui était en contact avec le sol, le couplage du sismomètre Groza 2 avec la surface était imparfait. La très faible durée de vie des deux stations était également un inconvénient majeur pour la mesure d'une activité sismique. Avec des chances de survie qui se comptaient en heure, l'objectif est surtout ici de pouvoir déterminer le bruit de fond, ainsi qu'une éventuelle activité micro-sismique.

    La surface calcinée de Vénus photographiée par la sonde soviétique Venera 13 (© IKI)La surface calcinée de Vénus photographiée par la sonde soviétique Venera 13 (© IKI)

    Groza 2 parvint à renvoyer des données vers la Terre, mais leur interprétation fut, comme pour les sondes Viking, compliquée par des perturbations extérieures (petits cailloux soulevés par les vents qui soufflaient malheureusement très forts lors de l'atterrissage), ou provenant de la sonde elle-même (dilatations et craquements des matériaux sous l'effet de la chaleur et de la pression). La validité des mesures fut donc mise en doute, et aucun résultat probant ne put être obtenu.

    Projets futurs

    La divergence spectaculaire de destinée qui existe entre Vénus et la Terre, deux astres formés dans des conditions similaires et qui pourtant ont donné naissance à deux mondes radicalement différents, l'un étant un enfer irrespirable et l'autre un paradis, fascine les planétologues. Il ne fait aucun doute que les réponses aux énigmes posées par la formation et l'évolution de Vénus sont conservées dans les profondeurs de la planète, et que pour explorer ces dernières, l'outil sismologique est là encore une fois indispensable.

    En l'absence de tectonique de plaque, phénomène responsable sur Terre de la majorité des séismes, on peut logiquement se demander, comme c'est le cas pour Mars, si une activité sismique persiste toujours sur Vénus. La jeunesse relative de la surface vénusienne (un milliard d'années en moyenne, soit un âge plus récent que celui de la croûte de la Lune, de Mars ou de Mercure), l'existence d'édifices volcaniques aux formes étranges ainsi que la présence de structures tectoniques comme des rifts et des failles laissent penser que le sol doit forcément trembler, certes pas autant que sur la Terre, mais plus souvent que sur Mars.

    Tout le défi consiste donc à aller mesurer cette activité sismique. La mise au point de capteurs de mouvement ou de déplacement similaires, en termes de performance, aux pendules du sismomètre SEIS de la sonde martienne InSight, et capable de fonctionner dans les conditions infernales qui caractérisent la surface vénusienne pendant plusieurs années, demanderait de nombreuses années de travaux aux ingénieurs, si ce n'est plusieurs décennies.

    Il existe cependant des alternatives efficaces pour tenter d'arracher à Vénus les secrets de sa structure interne. L'atmosphère très épaisse qui ceinture la planète permet un couplage très efficace avec le sol. Lors d'un séisme, les secousses du sol se transmettent à l'air et génèrent des fronts d'ondes infrasoniques, inaudibles pour l'homme mais détectables par des instruments adéquats, qui pourraient être embarqués dans la nacelle de ballons-sondes. Ces derniers évolueraient à des altitudes où les températures et les pressions deviennent enfin clémentes.

    Les observations conduites depuis l'orbite constituent une autre solution. L'interaction des ondes infrasoniques avec la haute atmosphère, en particulier la couche ionisée que l'on nomme ionosphère, pourraient être mesurées et suivies depuis l'espace par des satellites.

    Reste qu'à l'heure actuelle tous les projets de sondages sismiques de Vénus n'existent que sur le papier. Dans le domaine de la sismologie planétaire, la mission InSight, dont l'objectif consiste à déposer un sismomètre ultrasensible sur Mars, constitue la tentative la plus audacieuse jamais lancée. Elle sera suivie avec une attention toute particulière par les géophysiciens qui s'intéressent à la Lune et à Vénus. Les leçons qu'elle va nous permettre de tirer serviront sans doute un jour à retourner sur la Lune ou à explorer l'intérieur de cette planète à la fois si familière et énigmatique qu'est Vénus.

    Dernière mise à jour : 25 octobre 2016

 

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