un sismomètre est un appareil sensible aux vibrations. Il fonctionne sur le principe d’un pendule: une masse lourde et inerte avec une certaine résistance au mouvement (c’est-à-dire à l’inertie) due à son poids est suspendue à un cadre par un ressort qui permet le mouvement. L’énergie de toute activité sismique excite cette « masse de preuve » comme elle est appelée par les géophysiciens, la faisant vibrer.
Qu’est-ce qui bouge réellement? Cela dépend de votre point de vue!,
Cette vue d’une masse mobile est valable si l’on considère que le cadre auquel la masse est attachée—et qui est fermement fixé au sol—ne bouge pas. Cependant, lorsqu’un tremblement se produit, ou qu’un tremblement est produit par tout type de choc, c’est en fait le sol—et donc le cadre qui y est attaché—qui bouge!
Si vous changez de point de vue et regardez la masse, nous pouvons considérer que lorsqu’un tremblement se produit, la masse—qui a une inertie à cause de son poids—ne bougera qu’après un certain temps, alors que le cadre se déplacera en fonction du mouvement du sol.,
en plus de la masse, du ressort et du cadre, un sismomètre a besoin d’un dispositif pour enregistrer en permanence le mouvement de la masse par rapport au cadre. C’est une partie centrale du capteur sismique et la différence entre les technologies de sismomètre, car certaines mesurent la vitesse de la masse et d’autres son déplacement. Dans les deux cas, l’enregistrement qui montre le mouvement du sol au fil du temps est connu sous le nom de sismogramme.
Une technique encore plus simple pour représenter ce signal consiste à attacher un stylo au pendule. Le stylo touche un rouleau de papier enroulé autour d’un tambour rotatif., C’est ce qu’on appelle un sismographe, un instrument qui trace directement le signal plutôt que de l’Enregistrer sous forme numérique.
pendules simples et pendules inversés
principe de fonctionnement d’un sismomètre (© Adobe Stock).
Les premiers sismomètres développés étaient basés sur un pendule simple dans lequel la masse en mouvement est suspendue verticalement à un cadre.
pour augmenter la sensibilité, ce type d’appareil a ensuite été monté à l’envers, c’est pourquoi il est connu sous le nom de pendule inversé. Dans ce cas, le centre de masse du pendule est au-dessus du point de pivotement.,
contrairement à la première conception, cet ensemble est naturellement instable et la moindre perturbation fera que la masse quitte son point d’équilibre et se déplace vers la gauche ou la droite lorsque la gravité l’attire vers le bas.
l’instabilité inhérente à un pendule inversé est néanmoins ce qui fait que ce dispositif réagit au moindre mouvement, aussi petit soit-il. Comme vous le verrez plus tard, l’instrument SEIS de la sonde spatiale InSight est basé sur le principe du pendule inversé.,
tracer un sismogramme
le sismomètre fournit des données sous forme de sismogramme, qui est un enregistrement de l’amplitude du mouvement du sol dans le temps tout en mesurant régulièrement le décalage entre la position de la masse et le cadre auquel elle est fixée, par rapport à une position d’équilibre, c’est-à-dire lorsque l’appareil est au repos en l’absence de toute activité sismique.
historiquement, les premiers sismogrammes étaient produits par des moyens basiques: une aiguille métallique fixée à une masse mobile laissait une trace de ses mouvements sur du papier recouvert de suie., Plus tard, l’aiguille a été remplacée par un stylo à encre qui enregistrait les mouvements sur un rouleau de papier rotatif. De nos jours, à l’ère numérique, les sismomètres fournissent des signaux numériques enregistrés par des ordinateurs. Les sismomètres envoyés sur la Lune par les missions Apollo ont été parmi les premiers de ce type, car même au début des années 1970, la plupart des stations sismiques sur Terre étaient encore équipées de sismographes.,
le rôle des capteurs modernes est de suivre le mouvement de la masse, et ils peuvent prendre trois types de mesure: les changements de position de la masse par rapport à sa position d’équilibre « nulle” (déplacement), la vitesse de la masse (mouvement dans le temps), et enfin une variation de vitesse dans le temps (accélération ou décélération).
Enregistrement d’un signal sismique (© Adobe Stock).
certains types de capteurs sont plus appropriés que d’autres en fonction du type de mesure que vous souhaitez effectuer., Les capteurs inductifs sont adaptés à la mesure de la vitesse, tandis que les capteurs capacitifs sont idéaux pour mesurer la position de la masse. Le sismomètre seis d’InSight utilise un capteur capacitif extrêmement sensible.
nombre d’axes
comme le mouvement du sol se produit dans l’espace tridimensionnel (le long de l’axe vertical ou de deux axes horizontaux), les déplacements doivent être enregistrés à l’aide de trois pendules distincts. C’est la seule façon dont l’activité sismique peut être documentée de manière exhaustive.
Les sismomètres sophistiqués mesurent généralement les trois axes, un pour chaque direction dans l’espace., Les sismomètres simples à un axe ne mesurent généralement que le mouvement vertical; le mouvement de surface horizontal est ignoré car il n’est pas mesuré.
l’instrument SEIS conçu pour voler à bord D’InSight vers Mars est un sismomètre à trois axes. Un détail intéressant est que les trois axes du sismomètre ne sont pas alignés avec l’horizontale et la verticale, ce qui serait peut-être « logique”.
bien que chacun des trois axes de SEIS soit positionné à un angle de 90° par rapport aux autres, l’ensemble est incliné d’environ 30,5° par rapport à l’axe horizontal., Les raisons sont nombreuses, parfois complexes, mais pour simplifier les choses, disons simplement qu’une telle configuration minimise l’effet du bruit.
la sensibilité d’un sismomètre dépend de la relation entre le signal sismique que vous souhaitez enregistrer et les différentes perturbations qui interfèrent avec ce signal. Ce « bruit”, qui peut aller jusqu’à empêcher les mesures, est semblable à l’effet de neige que vous pouvez voir sur un écran de télévision.
Le 30.,5° angle des pendules VBB (Very BroadBand pendulums) d’InSight correspond à un angle où la composante verticale est mesurée avec la meilleure sensibilité par rapport au bruit propre de l’instrument. Le basculement vers l’axe horizontal réduirait l’amplitude de l’accélération verticale, tandis que le basculement augmenterait l’Auto-Bruit de l’instrument, avec une oscillation croissante entraînant une perte de sensibilité à longue période.,
Idéal conditions
l’Une des difficultés lors de l’utilisation d’un sismomètre est de savoir comment assurer de manière optimale surveiller les vibrations, même lorsque la vibration dure longtemps, de quelques minutes à quelques heures.
Les sismomètres sont par définition extrêmement sensibles, enregistrant tout ce qui se passe autour d’eux, qu’ils soient sismiques ou non. Cependant, la moindre dérive de quelque nature que ce soit peut empêcher un sismomètre de continuer à surveiller et à tracer une vibration, surtout si cette dernière est un événement de longue période (l’enregistrement d’événements de courte période étant plus facile à gérer).,
les géophysiciens attachent une grande importance à la façon dont les sismomètres sont mis en place. Quel que soit le degré de sensibilité d’un instrument, il ne donnera de bons résultats que s’il est correctement configuré.
Les sismomètres sont généralement placés sur des surfaces très dures telles que du granit ou des dalles de béton. La surface doit être aussi plate et aussi horizontale que possible.
idéalement, l’endroit choisi doit être calme. Ce n’est pas une bonne idée d’installer un sismomètre à côté d’une route ou près d’une gare souterraine. La température est également très importante., Il doit être aussi stable que possible, car toute variation peut affecter la mécanique du sismomètre, en particulier la force générée par le ressort sur la masse.
sur Terre, les sismomètres sont de préférence installés dans les fosses ou les puits d’anciennes mines, à des centaines de mètres sous la surface. Ce sont de bons emplacements car ils offrent des conditions de fonctionnement idéales.
les sources de bruit gênant, qui se propagent très facilement près de la surface (comme le bourdonnement continu des activités humaines, le rugissement constant des océans et la turbulence atmosphérique), sont réduites autant que possible., Quant à la température, elle est incroyablement et naturellement stable. Le site le plus calme d’Europe se trouve en Forêt-Noire, dans le chantier d’une ancienne mine. La température n’y varie que de quelques millièmes de degré par an!
Une fois dans un endroit idéal, un sismomètre peut sentir et surveiller toute onde sismique, qu’elle soit très courte ou, au contraire, qu’elle dure quelques minutes, voire des heures.
des ondes Sismiques sources
Un sismomètre est conçu pour enregistrer les ondes sismiques., Sur Terre, ces ondes sont principalement causées par des tremblements de terre qui secouent régulièrement et parfois avec force certaines parties du monde, causant des dommages majeurs en fonction de la quantité d’énergie qu’elles transportent.
En dehors des tremblements de terre majeurs qui font la une des journaux, la surface de la Terre est constamment soumise à de très petits mouvements que nous ne détectons pas mais qui sont révélés sur les sismogrammes.
notre planète peut effectivement agir comme une cloche, et lorsque certains événements se produisent, peut même résonner en rythme., La Terre produit alors sa propre musique, une mélodie tellurique imperceptible à nos oreilles mais pouvant être captée par les sismomètres les plus sensibles.
que les ondes sismiques aient été libérées lors d’une activité sismique majeure qui secoue certaines régions du monde ou qu’elles soient simplement dues aux oscillations imperceptibles de notre planète, les géophysiciens profitent de toutes les occasions pour élargir nos connaissances de l’intérieur de la Terre.
Un sismomètre est un peu comme un médecin, stéthoscope., En déterminant la façon dont les ondes sismiques se propagent à l’intérieur de notre planète, en fonction de la façon dont elles sont réfléchies ou réfractées par les matériaux constituant la structure intérieure de la planète, qu’il s’agisse de roches ou de métal, il devient possible de construire une image.
sondage passif et actif
Lorsqu’il est nécessaire d’étudier un sous-sol particulier lors de la prospection pétrolière, par exemple, vous ne pouvez pas toujours compter sur un tremblement de terre au bon moment. L’activité sismique ne se produit pas à la demande.,
Il y a deux solutions dans ce cas: soit vous écoutez pendant de longues périodes dans l’espoir que l’activité sismique générera des ondes sismiques en entrée pour les sismomètres (c’est la solution choisie pour la mission InSight, qui durera deux années terrestres), soit vous créez vos propres vibrations. Le premier est connu comme un son passif, le second comme un son actif.
sur Terre, les prospecteurs de pétrole créent régulièrement des ondes sismiques artificielles à l’aide de divers moyens, de l’explosion de dynamite au déclenchement de canons à air comprimé ou à l’aide de camions équipés de lourdes plaques vibrantes., Cette technique a également été utilisée sur la Lune. Des charges explosives ont été déclenchées pour créer des ondes sismiques qui ont ensuite été enregistrées par des géophones installés à la surface par les astronautes des missions Apollo 14, 16 et 17.
dans le secteur spatial, les géophysiciens ont de nombreuses façons amusantes de faire du bruit: ils peuvent délibérément envoyer l’étage supérieur d’une fusée sur une trajectoire de collision une fois sa durée de vie utile terminée ou, dans le même sens, écraser un vaisseau spatial obsolète à la surface d’une planète.,
sur Mars, ces techniques un peu brutales ne peuvent pas être appliquées car les scientifiques souhaitent éviter de contaminer la surface avec des objets qui n’ont pas été stérilisés auparavant. InSight et L’instrument SEIS n’auront alors d’autre choix que de compter sur leur chance du tirage au sort, même si le pénétrateur du Heat Flow and Physical Properties Package (HP3) sera utilisé pour une petite expérience de sismologie active, pas assez puissante pour sonner à plus de quelques dizaines de mètres sous la surface martienne.