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Historique

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

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