Le Sismographe
Le sismographe est un appareil qui mesure le mouvement du sol et l'enregistre sur un support visuel. Le tracé de ce mouvement s'appelle un sismogramme.
Pour obtenir le mouvement tridimensionnel de l'onde sismique, il est nécessaire d'enregistrer trois directions différentes formant un trièdre (en général, une direction verticale, et deux directions horizontales perpendiculaires). Les sismographes étaient conçus pour enregistrer une seule composante verticale ou horizontale car la mécanique est différente. Les observatoires sismologiques étaient donc équipés de différents sismographes.
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Description
Un sismographe est constitué d'une masse très lourde placée sur une barre fixée à une de ses extrémités et qui pivote dans un plan horizontal (pour les deux sismographes mesurant les composantes horizontales du déplacement) ou dans un plan vertical (pour le sismographe mesurant la composante verticale).
La masse est reliée au bâti par un ressort. Un aimant, fixé au bâti, entoure le bas du ressort, afin de stabiliser la masse après les secousses, et ainsi éviter que le sismographe n'enregistre des tremblements après la fin du séisme.
La masse, en raison de son inertie, ne bouge pas alors que le bâti de l'appareil, fixé au sol, accompagne les mouvements du séisme. La barre pivotante est reliée à un crayon qui enregistre les mouvements sur un papier déroulant. En cas de séisme, le papier bouge sous le crayon, le dessin ainsi produit est appelé sismogramme.
La plupart du temps, un sismographe est isolé du monde extérieur, pour éviter des perturbations dans les mesures (vent, pression atmosphérique).
Histoire
Le premier appareil rudimentaire de mesure sismologique, le « séismoscope », a été inventé par un mathématicien et astronome chinois, Zhang Heng, au premier siècle. Il permettait de définir la direction dans laquelle avait eu lieu un tremblement de terre. Ce dispositif lui aurait notamment permit de détecter, depuis la ville de Luoyang, le séisme qui détruisit la ville de Longxi, distante d'environ 500 kilomètres, le 1er mars 138.
Les premiers sismographes comme celui de la station historique de Strasbourg, qui est devenue le Musée de Sismologie et Magnétisme terrestre, avaient une masse d'environ 19 tonnes.
Au début du XXIe siècle, l'enregistrement moderne du mouvement du sol a évolué et le terme sismographe n'est plus utilisé. En effet, le capteur du mouvement (le sismomètre) et l'enregistrement digital (l'acquisiteur de données) sont des opérations très distinctes. L'ensemble capteur-acquisiteur est souvent appelé station sismique. La visualisation du sismogramme et son traitement sont effectués a posteriori en général sur ordinateur.
Voir aussi
- L'IRD a mis au point des instruments de mesure de la sismicité sous-marine utilisables jusqu'à 7000 mètres de fond.
- Le site de l'université de Strasbourg (fonctionnement d'un sismomètre.)
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 zsol est lié au mouvement de la masse z par l'équation suivante, caractéristique des oscillateurs:
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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 |
 (photo: Mark Products, Inc.) | Un sismomètre L-4-3D construit par Mark Products, Inc. Ce sismomètre peut enregistrer |
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.
 Un sismomètre Press-Ewing vertical construit en 1953 Sa période est réglable jusqu'à 30 s. Des appareils de ce type ont équipé le réseau américain WWSSN. (photo: Michel Dufloux) | |
Si vous désirez observer le fonctionnement d'un sismomètre, cliquez ici .
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