Qu'est-ce que qu'un sismomètre?

Un sismomètre est un appareil capable de détecter de très petits mouvements du sol et de les enregistrer, analogiquement ou numériquement, en suivant une base de temps très précise. Il fonctionne sur le même principe qu'un oscillateur à masse d'inertie amorti.

Il se compose généralement d'un capteur, d'un amplificateur, d'un transducteur et d'un enregistreur.

Le mouvement du sol z_sol est lié au mouvement de la masse z par l'équation suivante, caractéristique des oscillateurs:
 

est la constante d'amortissement du système,  est la pulsation propre de l'oscillateur et M, l'amplification.

Comment fonctionne un sismomètre?

    Un sismomètre est constitué le plus souvent d'une masse et d'un bâti lié au sol. L'appareil doit être autant que possible isolé de l'extérieur, afin que les variations de température ou de pression n'affectent pas la stabilité du système.

    Un mouvement du sol va entraîner un mouvement du bâti, puis un mouvement relatif entre la masse et le bâti qui porte également le système d'enregistrement. C'est donc ce mouvement relatif qui est amplifié par un système mécanique, mécanique-optique ou électronique, puis enregistré.

    Un sismomètre moderne comporte en plus un système d'amortissement, nécessaire pour obtenir une bonne restitution du mouvement du sol. En effet, sans amortissement, la masse pourrait théoriquement osciller à l'infini. Dans la pratique, ce n'est pas le cas mais la masse peut continuer à osciller même si le champ excitateur a disparu. De là peuvent naître des oscillations qui ne sont plus dues au mouvement du sol. L'amortissement du système permet de remédier à cela.

    Pour obtenir une bonne restitution de l'amplitude et du contenu spectral du signal d'origine, un sismomètre doit avoir une réponse quasi-linéaire.

    L'enregistrement des données fonctionne avec une base de temps absolue et très précise afin de pouvoir étudier les mouvements du sol en fonction du temps, c'est indispensable notamment si l'on veut localiser l'origine d'un séisme. Cet enregistrement du mouvement de la masse en fonction du temps s'appelle sismogramme.

La mesure d'un mouvement du sol.

    Les ondes sismiques qui génèrent les oscillations du sol peuvent avoir des polarisations, c'est-à-dire des directions de vibrations diverses qu'on peut décomposer suivant 3 directions: une verticale et deux horizontales, par exemple. Il existe donc des sismomètres sensibles aux mouvements horizontaux et d'autres aux mouvements verticaux. Pour mesurer complètement les mouvements du sol, une station sismologique doit contenir trois sismomètres, un vertical et deux horizontaux, orientés Nord-Sud et Est-Ouest par exemple, afin d'obtenir une bonne restitution des vibrations du sol suivant trois composantes. Il existe également des sismomètres capables d'enregistrer plusieurs composantes à la fois, par exemple trois composantes orthogonales.
 
 

(photo: Daniel Rouland)

Trois sismomètres Wielandt-Streckeisen STS-1 en position de fonctionnement sur une station sismologique Chaque sismomètre mesure environ  40 cm de diamètre.

(photo: Mark Products, Inc.)

Un sismomètre L-4-3D construit par Mark Products, Inc. Ce sismomètre peut enregistrer le mouvement du sol selon trois composantes orthogonales.

    Il est par ailleurs possible de mesurer les vibrations du sol de trois manières différentes. Selon le type de sismomètre utilisé, on peut enregistrer le déplacement, la vitesse de déplacement ou l'accélération. Un sismomètre mécanique sera sensible au déplacement, tandis qu'un sismomètre électromagnétique mesurera plutôt une vitesse, en vertu des lois régissant l'électromagnétisme. Il existe également des sismomètres asservis: une force électromagnétique permet de ramener la masse à sa position d'équilibre lorsqu'elle se déplace. La mesure de cette force , permet d'obtenir l'accélération de la masse par la loi de Newton . 

    Enfin, il existe différentes classes de sismomètres en fonction du contenu fréquentiel auquel ils peuvent être sensibles: un signal sismique peut comporter des périodes allant de quelques centièmes de seconde à plusieurs minutes. En effet, tout oscillateur a une bande passante limitée, liée à sa pulsation propre: il ne peut donc pas réagir à toutes les fréquences que peut contenir un signal. C'est pourquoi on trouve des sismomètres dits " courtes périodes " (de 0.1 à 2 s), qui sont les plus couramment utilisés ou " moyennes et longues périodes " (de 2 s à plusieurs minutes). Dans les années 60, chaque station du réseau américain WWSSN (World Wide Standard Seismic Network) était équipée de 6 appareils, trois " courtes périodes " et trois " longues périodes ", afin de couvrir une plus grande gamme de fréquences. Depuis, les progrès de l'électronique et l'asservissement de la masse ont donné naissance à de nouveaux sismomètres dits " large bande ", qui permettent une étude sur une grande gamme de fréquences (de quelques centièmes de seconde à quelques minutes). Le réseau français GEOSCOPE utilise de tels appareils: les Wielandt-Streckeisen STS-1 et STS-2.
 
 

(photo: Michel Dufloux)

Un sismomètre Press-Ewing vertical construit en 1953 Sa période est réglable jusqu'à 30 s.  La boule de verre sur la composante verticale sert à éliminer  les variations de pression.  Des appareils de ce type ont équipé le réseau américain WWSSN.

Si vous désirez observer le fonctionnement d'un sismomètre, cliquez ici .

A consulter aussi :

• Les sites des fabricants de sismomètres: par exemple celui de la société Guralp ou celui de la société Kinemetrics. Attention, les sites sont bien sûr en anglais et le terme sensor correspond au sismomètre tandis que recorder correspond au système d'acquisition.

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