Note: mes projets concernant la sismologie sont terminés. Après quelques années passées à découvir les rudiments de cette discipline, j’ai dû me résoudre à terminer ces projets. Les raisons principales sont le manque de temps, l’environnement sismologique fort peu favorable depuis la maison.
Merci aux amis sismologues amateurs qui se reconnaîtront.

Depuis que j’ai posté quelques billets sur la sismologie, j’ai reçu plusieurs emails m’interrogeant sur le sujet. Je précise en guise de propos liminaire que je ne suis ni sismologue, ni géophysicien  Je n’ai aucune compétence particulière dans ce domaine, mais je suis juste un amateur d’électronique curieux. Ceci étant préciser, je vais essayer de vous faire partager ce que j’ai pu apprendre et surtout comprendre sur le sujet en m’appuyant sur des articles de revues, ou sur quelques articles trouvés sur des sites spécialisés sur internet.
A ce propos, je tiens, ici à remercier M Jean-Pierre Lainé qui a défriché le domaine pendant de longues années. C’est pas l’intermédiaire de ses pages internet que j’ai eu l’idée de démarrer mes premiers montages.

Un peu de géophisique

La lithosphère, ou croûte terrestre d’une centaine de kilomètres d’épaisseur, est l’enveloppe solide de notre planète. Elle est constituée de plaques (tectoniques) se déplaçant, se comprimant ou s’éloignant les unes des autres, l’une passant sous l’autre et, à l’inverse, l’autre sur la première (subduction). La science de ces phénomènes, assez neuve et désormais enseignée dans les lycées, porte le nom de tectonique des plaques et elle explique, par exemple, la très ancienne surrection de la chaîne de l’Himalaya par l’effet de la poussée de la plaque correspondant à l’océan pacifique. C’est dire les puissances en jeu !
Soumises à de telles forces mais aux mouvements très lents, les plaques se fendent, se heurtent, se soulèvent, s’éloignent, créant des montagnes, des volcans (terrestres ou sous-marins) et des failles vertigineuses (comme celle de San Andreas en Californie). Ce sont ces mouvements qui produisent brutalement, quand toute l’énergie en est libérée, une gigantesque onde de choc se propageant dans toutes les directions à la surface de la Terre. Ce sont ces ondes que le sismographe sera chargé de capter.

Un sismographe en théorie

Un sismographe est un instrument de mesure équipé d’un capteur des mouvements du sol, le sismomètre, capable de les enregistrer sur un support visuel, le sismogramme. Les sismographes que j’utilise sont tous basés sur le principe du pendule.

Pour faire simple, 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. Il suffit alors de placer un aimant sur le bati et une bobine d’induction sur la masse d’inertie pour transformer les mouvements du sols en courant électrique. Ces signaux électriques, amplifiés puis filtrés pourront alors être numérisés, et maltraités numériquement pour en faire sortir l’information recherchée: les ondes sismiques.

Les ondes sismiques

De l’hypocentre* (point du sous-sol d’où l’énergie du choc émane), trois types d’ondes sismiques, ou vibrations subsoniques, se propagent :primaires P, secondaires S et longues L.
Les ondes P ou ondes primaires appelées aussi ondes de compression. Le déplacement du sol qui accompagne leur passage se fait par des dilatations et des compressions successives. Ces déplacements du sol sont parallèles à la direction de propagation de l’onde. Ce sont les plus rapides (6 km⋅s-1 près de la surface) et donc les premières à être enregistrées sur les sismogrammes. Elles sont responsables du grondement sourd que l’on peut entendre au début d’un tremblement de terre.
Les ondes S ou ondes secondaires appelées aussi ondes de cisaillement ou ondes transversales. À leur passage, les mouvements du sol s’effectuent perpendiculairement au sens de propagation de l’onde. Ces ondes ne se propagent pas dans les milieux liquides, elles sont en particulier arrêtées par le noyau externe de la Terre. Leur vitesse est de 4,06 km⋅s-1. Elles apparaissent en second sur les sismogrammes.
La différence des temps d’arrivée des ondes P et S suffit, connaissant leur vitesse, à donner une indication sur l’éloignement du séisme. On peut ainsi localiser son épicentre à l’aide de trois sismogrammes.

Ci-dessus un exemple de signaux d’un séisme en Alaska reçus à Messein.

Enfin les ondes L. Ce sont des ondes guidées par la surface de la Terre. Leur effet est comparable aux rides formées à la surface d’un lac. Elles sont moins rapides que les ondes de volume mais leur amplitude est généralement plus forte.
On peut distinguer :
L’onde de Love : c’est un anglais Augustus Edward Hough Love qui a découvert son existence en 1911. Son déplacement est comparable à celui des ondes S sans le mouvement vertical. Les ondes de Love provoquent un ébranlement horizontal qui est la cause de nombreux dégâts aux fondations d’un édifice qui n’est pas une construction parasismique. Les ondes de Love se propagent à environ 4 km.s-1
L’onde de Rayleigh : elle a été découverte par John William Strutt Rayleigh en 1885. Son déplacement est complexe, assez semblable à celui d’une poussière portée par une vague, constituant un mouvement à la fois horizontal et vertical.

La zone d’ombre

Il existe une partie de globe depuis laquelle aucune onde directe ne pourra être reçue. C’est ce qu’on nomme la zone d’ombre (shadow zone). Elle se situe à une distance angulaire comprise entre 103° et 143° de la station de réception.
Sur la carte ci-dessous, est représentée en rouge la zone d’ombre depuis Messein.

Après 143°, les ondes P réapparaissent mais elles ont subi une double réfraction sur la discontinuité de Gutenberg formant l’interface entre le manteau et le noyau et leur énergie est plus faible.

La fréquence de ces ondes sismiques est inférieure à 1 Hz. Et plus généralement, pour capter un séisme lointain (téléséisme), à plusieurs milliers de km, il faudra être capable de capter des signaux dont la période est de plusieurs dizaines de secondes. On cherchera donc à construire donc des transducteurs sensibles au période les plus longues.
Le montage sans doute le plus populaire est le capteur Lehman  dont la description pour l’amateur a été publiée dans le numéro de juillet 1979  de « The Amateur Scientist ».  Il s’agit d’un capteur  sensible à la composante horizontale et qui est plutôt simple à réaliser comme le montre l’image ci-dessous.

Cliquez sur l’image pour voir l’animation

Il est relativement facile d’obtenir avec ce type montage une période propre de l’ordre de 15 à 20 secondes. La construction du premier prototype m’a demandé une petite demi-journée.