sismographe

Instrument utilisé pour détecter et enregistrer les ondes sismiques provoquées par un séisme (ou une explosion).

On emploie parfois abusivement le terme sismomètre pour désigner un sismographe ; or un sismomètre n’est que le détecteur d’ondes placé à l’intérieur du sismographe. Le sismographe, lui, détecte les vibrations du sol, enregistre l'heure, la durée et l'intensité (ou magnitude → échelle de Richter) du tremblement de terre.

L’enregistrement graphique donné par le sismographe est appelé sismogramme. Il représente le déplacement (ou la vitesse ou encore l’accélération) du sol (en ordonnée, axe vertical) en fonction du temps (en abscisse, axe horizontal).

Le décryptage des sismogrammes permet notamment de connaître la vitesse de propagation des ondes, leur nature, mais aussi de localiser l'épicentre du séisme et, si nécessaire, de donner l’alerte pour évacuer une zone en danger.

Pour en savoir plus, voir l'article risques naturels et technologiques.

1. Historique des sismographes

Le premier sismomètre connu fut réalisé en Chine vers 130 apr. J.-C. par le Chinois Zhang Heng, astronome, géographe, mathématicien, inventeur et artiste de la dynastie chinoise Han. Il s’agissait d’un récipient en bronze orné de huit dragons tenant dans leur bouche une boule en équilibre ; le passage d’une onde sismique était détecté quand les vibrations faisaient tomber une ou plusieurs boules de la bouche des dragons dans la bouche d'une grenouille en bronze placée en contrebas.

Il faut attendre 1889 pour voir le premier sismographe capable d’enregistrer un séisme lointain. Il est l’œuvre du physicien allemand, Ernst von Rebeur-Paschwitz, qui réussit à enregistrer depuis Potsdam (Allemagne) un important séisme survenu au Japon. C’est le début de la sismologie moderne.

Toutefois, ce n’est que depuis les années 1960 que se sont développés des réseaux denses de sismographes, souvent appelés aujourd’hui stations sismologiques. Les sismographes actuels sont truffés de technologies sophistiquées qui permettent de mesurer de manière extrêmement précise les mouvements de la Terre.

2. Fonctionnement d’un sismographe

2.1. Sismographes anciens (mécaniques)

Les ondes sismiques (ondes primaires P, ondes secondaires S et ondes de surface → séisme) faisant vibrer le sol à la fois verticalement et horizontalement, leur détection nécessite des sismographes d’ondes horizontales et verticales. Dans les deux cas, les sismographes « classiques » ou « ancienne génération » reposent sur le principe du pendule.

Dans le cas du sismographe destiné à enregistrer les mouvements d'ondes horizontales, une masse importante ayant un stylet à son extrémité est pendue le long d'un fil attaché à un cadre fermement fixé au sol. Le stylet est en contact avec un tambour rotatif lié au cadre. Lorsqu'une onde sismique atteint l'instrument, le sol, le cadre et le tambour vibrent en oscillant, alors que la masse suspendue reste immobile du fait de son inertie. Le stylet dessine alors une ligne brisée sur une bande de papier déroulée par le tambour.

Dans le cas du sismographe enregistreur de mouvement vertical, le fil est remplacé par un ressort. Alors que le sol, le cadre et le tambour se déplacent verticalement lors d'une onde sismique, la masse suspendue par le ressort reste à nouveau immobile, traçant une ligne sur le tambour.

Pour ces deux types de sismographes, on peut remplacer le stylet par un miroir qui réfléchit un rayon lumineux sur du papier photographique, sur lequel les oscillations sont enregistrées.

2.2. Sismographes modernes (électromagnétiques)

Les sismographes « modernes », autrement dit ceux équipant aujourd’hui les stations sismologiques, sont électromagnétiques. Ils sont composés de trois capteurs capables d’enregistrer la totalité des mouvements, un pour les mouvements verticaux et deux pour les mouvements horizontaux de manière perpendiculaire (habituellement nord-sud et est-ouest). Ici, le stylet est remplacé par une bobine électrique suspendue dans un cylindre magnétique fixé au cadre.

Lors d’un tremblement de terre, le cylindre se déplace avec le cadre, tandis que le mouvement relatif entre la bobine immobile et l'aimant produit un courant variable dans la bobine (signal analogique) ; ce courant est amplifié puis numérisé (signal numérique) à l’aide d’un numériseur. Les signaux numériques enregistrés sont transmis à un centre de traitement des données, qui recueille les informations en provenance de toutes les stations sismologiques d’un réseau de surveillance sismique et peut ainsi visualiser les sismogrammes de chaque station.

En connaissant la vitesse des différents types d’ondes sismiques et en mesurant la différence de temps entre l'arrivée de ces ondes, on peut calculer la distance entre un sismographe et l’épicentre. Puis, par triangulation avec plusieurs sismographes, les sismologues déterminent le lieu du séisme et donne l’alerte si nécessaire.

3. Surveillance sismique

En ce début de xxi^e siècle, il est possible de déterminer l’épicentre de n’importe quel séisme de magnitude supérieure à 4 (échelle de Richter) n’importe où sur Terre, grâce à un réseau de plusieurs milliers de stations sismologiques distribuées sur l’ensemble de la planète.

Ces stations appartiennent à différents observatoires sismiques mondiaux et à des centres de surveillance internationaux (par exemple l’International Seismological Center en Grande-Bretagne, le National Earthquake Information Service aux États-Unis ou le Centre sismologique euro-méditerranéen en France), nationaux (par exemple le Bureau central sismologique français) ou régionaux (par exemple le Réseau national de surveillance sismique) qui collaborent pour déterminer les coordonnées spatiales, temporelles, ainsi que les magnitudes des séismes.

En France, le programme GEOSCOPE, lancé en 1982 par l’Institut national des sciences de l’Univers (INSU), a été le premier réseau mondial utilisant des stations sismiques numériques. Le développement de nouveaux réseaux de surveillance sismique, utilisant une instrumentation numérique pour augmenter les vitesses de traitement des données collectées, se poursuit dans de nombreux pays, en particulier États-Unis (avec le réseau IRIS), en Allemagne, en Italie et au Japon.

Si les données recueillies par les réseaux mondiaux ont pour principal objectif la localisation des tremblements de terre, ils permettent également l’analyse des grandes structures internes du globe (→ géophysique).

Pour en savoir plus, voir l'article sismologie.