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Comment fonctionne un sismomètre ?

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

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