Sismographe

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Contexte

Les sismographes sont des instruments conçus pour détecter et mesurer les vibrations dans la terre, et les enregistrements qu'ils produisent sont connus sous le nom de sismogrammes. Comme les nombreux autres termes commençant par ce préfixe, ces mots dérivent du grec seismos, signifiant "choc" ou "tremblement de terre". Bien que certains types de sismographes soient utilisés pour les levés souterrains, les appareils sont surtout connus pour étudier les tremblements de terre.

Un sismographe est constitué d'un pendule monté sur une base de support. Le pendule est à son tour connecté à un enregistreur, tel qu'un stylo à encre. Lorsque le sol vibre, le pendule reste immobile pendant que l'enregistreur se déplace, créant ainsi un enregistrement du mouvement de la terre. Un sismographe typique contient 3 pendules :un pour enregistrer le mouvement vertical et deux pour enregistrer le mouvement horizontal.

Les sismographes ont évolué à partir des sismoscopes, qui peuvent détecter la direction des secousses ou des tremblements de terre mais ne peuvent pas déterminer l'intensité ou le schéma de la vibration. Le premier appareil connu utilisé pour détecter les tremblements de terre a été créé par un érudit chinois, Chang Heng, vers 132 après JC. Des récits détaillés révèlent qu'il s'agissait d'un appareil magnifique et ingénieux composé d'un cylindre de cuivre richement décoré avec huit têtes de dragon positionnées autour de sa circonférence supérieure, tourné vers l'extérieur. Fixés autour de la circonférence inférieure, directement sous les têtes de dragon, se trouvaient huit grenouilles en cuivre. Dans sa gueule, chaque dragon tenait une petite boule qui tombait dans la gueule de la grenouille en dessous lorsqu'une tige à l'intérieur du cylindre, flexible et lestée à son extrémité supérieure, était déclenchée par un tremblement de terre. La grenouille particulière qui a capturé une balle tombée a indiqué la direction générale du tremblement de terre.

Pendant plus de dix-sept cents ans, l'étude des tremblements de terre dépendait d'instruments imprécis tels que celui de Chang Heng. Au fil des siècles, une grande variété de sismoscopes ont été construits, dont beaucoup reposent sur la détection d'ondulations dans un bassin d'eau ou de mercure liquide. Un de ces dispositifs, similaire au mécanisme de la grenouille et du dragon, comportait un plat peu profond de mercure qui se renversait dans de petits plats placés autour de lui lorsqu'un tremblement se produisait. Un autre type de sismoscope, développé au XVIIIe siècle, consistait en un pendule suspendu au plafond et attaché à un pointeur qui traînait dans un plateau de sable fin, se déplaçant lorsque les vibrations faisaient osciller le pendule. Au cours du XIXe siècle, le premier sismomètre a été construit; il a utilisé divers types de pendules pour mesurer la taille des vibrations souterraines.

Le premier vrai sismographe a peut-être été un mécanisme complexe conçu par le scientifique italien Luigi Palmieri en 1855. Cette machine utilisait des tubes remplis de mercure et équipés de contacts électriques et de flotteurs. Lorsque des secousses perturbaient le mercure, les contacts électriques arrêtaient simultanément une horloge et déclenchaient un appareil qui enregistrait les mouvements des flotteurs, indiquant approximativement à la fois l'heure et l'intensité du séisme. Les premiers sismographes précis ont été développés au Japon en 1880 par le géologue britannique John Milne, souvent connu comme le père de la sismologie. Avec ses collègues scientifiques expatriés James Alfred Ewing et Thomas Gray, Milne a inventé de nombreux dispositifs sismologiques différents, dont le sismographe à pendule horizontal. Cet instrument sophistiqué se composait d'une tige lestée qui, lorsqu'elle était perturbée par des tremblements, déplaçait une plaque fendue. Le mouvement de la plaque a permis à une lumière réfléchie de briller à travers la fente, ainsi qu'à travers une autre fente stationnaire en dessous. Tombant sur du papier sensible à la lumière, la lumière a alors inscrit un enregistrement du tremblement. Aujourd'hui, la plupart des sismographes reposent encore sur les conceptions de base introduites par Milne et ses associés, et les scientifiques continuent d'évaluer les tremblements en étudiant le mouvement de la terre par rapport au mouvement d'un pendule.

Le premier sismographe électromagnétique a été inventé en 1906 par un prince russe, Boris Golitsyn, qui a adapté le principe de l'induction électromagnétique développé par le physicien anglais Michael Faraday au cours du XIXe siècle. La loi d'induction de Faraday postulait que les changements d'intensité magnétique pourraient être utilisés pour générer des courants électriques. Incorporant ce précepte, Golitsyn a construit une machine dans laquelle les secousses provoquent le déplacement d'une bobine à travers des champs magnétiques, produisant ainsi un courant électrique qui alimente un galvanomètre, un appareil qui mesure et dirige le courant. Le courant fait alors fluctuer un miroir semblable à celui qui dirigeait la lumière dans l'appareil de Milne. L'avantage de ce système électronique est que l'enregistreur peut être installé dans un endroit pratique tel qu'un laboratoire, tandis que le sismographe lui-même peut être installé dans un endroit éloigné.

Au cours du vingtième siècle, le Programme de détection des essais nucléaires a rendu possible la sismologie moderne. Malgré le danger réel des tremblements de terre, la sismologie ne pouvait pas commander un grand nombre de sismographes jusqu'à ce que la menace d'explosions nucléaires souterraines incite à la création du Réseau mondial de sismographes normalisés (WWSSN) en 1960. Le réseau a installé 120 sismographes dans 60 pays, et, sous ses auspices, les sismographes sont devenus beaucoup plus sophistiqués. Développé après la Seconde Guerre mondiale, le sismographe Press-Ewing a permis aux chercheurs d'enregistrer des ondes sismiques dites à longue période, des vibrations qui parcourent de longues distances à des vitesses relativement lentes. Ce sismographe utilise un pendule comme celui utilisé dans le modèle Milne, mais remplace le pivot supportant la tige par un fil élastique pour réduire les frottements. D'autres innovations d'après-guerre comprenaient des horloges atomiques pour rendre les horaires plus précis et des lectures numériques qui pourraient être introduites dans un ordinateur. Cependant, le plus important Cet organigramme montre les étapes impliquées dans la fabrication et l'installation d'un sismographe. Le principal matériau utilisé est l'aluminium, suivi des équipements électriques normaux composés de cuivre, d'acier, de verre et de plastique. L'unité de base comprend un pendule à l'intérieur d'un conteneur hermétique qui est fixé par une charnière et un fil (pour les unités horizontales) ou un ressort (pour les unités verticales) à un cadre de support solidement enfoncé dans le sol. le développement au cours des temps modernes a été la mise en œuvre de réseaux de sismographes. Ces réseaux, constitués pour certains de centaines de sismographes, sont reliés à un seul enregistreur central. En comparant les sismogrammes discrets produits par diverses stations, les chercheurs peuvent déterminer l'épicentre du séisme (le point sur la surface de la terre directement au-dessus de l'origine du séisme).

Aujourd'hui, trois types de sismographes sont utilisés dans la recherche sur les tremblements de terre, chacun avec une période correspondant à l'échelle des vibrations qu'il mesurera (la période est le temps nécessaire à un pendule pour effectuer une oscillation complète). Les sismographes à courte période sont utilisés pour étudier les vibrations primaires et secondaires, les ondes sismiques les plus rapides. Étant donné que ces ondes se déplacent si rapidement, le sismographe à courte période prend moins d'une seconde pour effectuer une oscillation complète ; il agrandit également les sismogrammes résultants afin que les scientifiques puissent percevoir le schéma des mouvements rapides de la terre. Les pendules des sismographes à longue période (intermédiaire) mettent généralement jusqu'à vingt secondes pour osciller, et ils sont utilisés pour mesurer des ondes plus lentes telles que les ondes de Love et de Rayleigh, qui suivent les ondes primaires et secondaires. Le WWSSN utilise actuellement ce type d'instrument. Les sismographes dont les pendules ont les périodes les plus longues sont dits ultra-longs ou large bande instruments. Les sismographes à large bande sont de plus en plus utilisés pour développer une compréhension plus complète des vibrations globales.

Matières premières

Les composants d'un sismographe sont standard. Le matériau le plus important est l'aluminium, suivi par l'équipement électrique normal composé de cuivre, d'acier, de verre et de plastique. Un sismographe moderne se compose d'un ou plusieurs sismomètres qui mesurent les vibrations de la terre. Un sismomètre comprend un pendule (une masse inerte) à l'intérieur d'un conteneur hermétique qui est attaché par une charnière et un fil (pour les unités horizontales) ou un ressort (pour les unités verticales) à un cadre de support solidement enfoncé dans le sol. Une ou plusieurs bobines électriques sont fixées au pendule et placées dans le champ d'un aimant. Même les mouvements infimes de la bobine généreront des signaux électriques qui seront ensuite introduits dans un amplificateur et un filtre et stockés dans la mémoire de l'ordinateur pour une impression ultérieure. Un sismographe moins sophistiqué aura soit un miroir qui éclaire du papier sensible à la lumière (comme dans le sismographe de Milne), un stylo qui écrit avec de l'encre à séchage rapide sur un rouleau de papier, ou un stylo chauffant qui marque le papier thermique.

Conception

La demande de sismographes sismiques n'est pas si élevée; il peut être satisfait par quelques fabricants qui conçoivent des sismographes sur mesure pour répondre aux besoins de chercheurs particuliers. Ainsi, alors que les composants de base du sismographe sont standard, certaines fonctionnalités peuvent être adaptées pour répondre à des besoins spécifiques. Par exemple, quelqu'un pourrait avoir besoin d'un instrument plus sensible pour étudier des événements sismiques à des milliers de kilomètres. Un autre sismologue pourrait choisir un instrument dont le pendule a une courte période de quelques secondes seulement afin d'observer les premiers secousses d'un tremblement de terre. Pour les études sous-marines, le sismographe devrait être submersible.

Le processus de fabrication

Choisir un site

• 1 Un site peut intéresser un sismologue pour plusieurs raisons. La plus évidente est que la région est sujette aux tremblements de terre, peut-être parce qu'elle est adjacente à une faille ou à une fracture de la croûte terrestre. De telles fractures délogent l'un des blocs de terre qui les jouxtent, provoquant le déplacement du bloc plus haut, plus bas ou horizontalement parallèlement à la faille, et laissant la zone vulnérable à une instabilité supplémentaire. Un sismographe pourrait également être installé dans une région qui n'en a actuellement pas, afin que les sismologues puissent recueillir des données pour une image plus complète de la région.
• 2 Bien que certains sismographes soient placés dans les sous-sols des universités ou des musées à des fins éducatives, l'emplacement idéal pour la recherche sur les tremblements de terre serait plus éloigné. Pour enregistrer les mouvements sismiques de la Terre avec plus de précision, un sismographe doit être placé là où le trafic et les autres vibrations sont minimes. Dans certains cas, un tunnel non utilisé peut être approprié. D'autres fois, une caverne souterraine naturelle est disponible. Les chercheurs en sismologie peuvent même choisir de creuser un puits et de placer l'instrument à l'intérieur s'il n'existe aucun autre trou souterrain où un sismographe est jugé souhaitable. Un sismographe aérien est également possible, mais il doit reposer au-dessus d'une solide fondation rocheuse.

Assemblage du bloc sismomètre

• 3 Dans une usine spécialisée, les composants du sismographe sont assemblés et préparés pour l'expédition. Tout d'abord, le pendule est attaché à un ressort souple (s'il s'agit d'une unité verticale) ou à un fil (s'il s'agit d'une unité horizontale) et suspendu dans un cylindre Alors que les sismomètres horizontaux contiennent un pendule attaché à un fil, les unités verticales utilisent un ressort à la place. Lorsque le sol vibre lors d'un tremblement de terre, le pendule reste immobile pendant que l'enregistreur se déplace, créant ainsi un enregistrement du mouvement de la terre.
  Certains enregistreurs sont constitués d'une bobine qui génère un signal électrique, qui à son tour est stocké dans la mémoire de l'ordinateur pour une impression ultérieure. Un sismographe moins sophistiqué aura soit un miroir qui projette la lumière sur du papier sensible à la lumière, soit un stylo qui écrit avec de l'encre à séchage rapide sur un rouleau de papier, soit un stylo chauffant qui marque le papier thermique. entre les bobines électriques. Ensuite, les bobines sont câblées à des cartes de circuits imprimés et placées à l'intérieur du corps du sismographe. L'ensemble de l'unité peut à son tour être connecté à un magnétophone numérique, qui reçoit le courant généré par les bobines et transféré aux circuits imprimés. Si l'équipement d'enregistrement des données se compose d'équipements plus traditionnels, tels qu'un rouleau de papier et un stylo, ceux-ci sont maintenant attachés à l'unité. Selon la destination finale, le sismographe est expédié par camion ou par avion dans une caisse matelassée par des transporteurs expérimentés dans le déplacement d'équipements électroniques délicats.

Installation du bloc sismomètre

• 4 Un sismographe destiné à des fins éducatives pourrait être boulonné dans le béton étage d'un sous-sol, mais les sismographes de recherche sont mieux situés loin des vibrations inévitables d'un bâtiment. Ils sont soit installés directement sur le socle rocheux dans les cas où une grande précision est requise, soit dans un lit de béton. Dans les deux cas, la terre est enlevée et le sol nivelé. Dans le second cas, un lit de béton est coulé et laissé prendre.
• 5 Une fois le socle préparé, le bloc sismomètre est boulonné. Dans certains cas où une grande sensibilité est requise, il sera logé dans une chambre forte où la température et l'humidité sont contrôlées. L'unité de sismomètre est généralement installée dans le champ, la caverne ou la voûte choisi, tandis que les amplificateurs, les filtres et l'équipement d'enregistrement sont logés séparément.
• 6 En sismologie moderne, il est typique d'avoir plusieurs unités sismométriques disposées à distance les unes des autres. Chaque unité de sismomètre envoie des signaux à un emplacement central, où les données peuvent être imprimées et étudiées. Les signaux peuvent être diffusés à partir d'une antenne intégrée à l'unité ou, dans des unités plus sophistiquées, transmis jusqu'à un satellite.

Contrôle qualité

Les sismographes sont conçus pour résister aux éléments. Ils sont étanches à l'eau et à la poussière, et beaucoup sont conçus pour fonctionner malgré des températures extrêmes et une humidité élevée, selon l'endroit où ils seront installés. Malgré leurs exigences de sensibilité et de protection, de nombreux sismographes sont connus pour durer 30 ans. Les agents de contrôle qualité de l'usine vérifient la conception et le produit final pour voir s'ils répondent aux exigences du client. Toutes les pièces sont vérifiées pour la tolérance et l'ajustement, et le sismographe est testé pour voir s'il fonctionne correctement. De plus, la plupart des sismographes ont des dispositifs de test intégrés afin qu'ils puissent être testés après Un sismographe typique contient 3 pendules :un pour enregistrer le mouvement vertical et deux pour enregistrer le mouvement horizontal. L'unité de sismomètre est généralement installée dans un champ, une caverne ou une voûte, tandis que les amplificateurs et l'équipement d'enregistrement sont logés séparément. en cours d'installation et avant d'être mis en service. Les programmeurs informatiques qualifiés testent également le logiciel pour les bogues avant expédition. Bien que la sensibilité et la précision soient importantes, le timing est également critique, en particulier dans la prévision des tremblements de terre. La plupart des sismographes modernes sont connectés à une horloge atomique calibrée au temps universel (anciennement appelé temps de Greenwich), garantissant ainsi des informations très précises que tous les chercheurs peuvent comprendre.

Un autre aspect essentiel du contrôle de la qualité avec les sismographes modernes est de minimiser l'erreur humaine. Alors que les sismographes antérieurs étaient simples et que pratiquement tout le monde pouvait apprendre à les utiliser, les sismographes contemporains sont des appareils précis, sensibles, complexes et difficiles à utiliser. Aujourd'hui, les chercheurs et les travailleurs en sismographes doivent être formés par des ingénieurs et des scientifiques de l'usine de fabrication s'ils ne sont pas déjà eux-mêmes des ingénieurs et des scientifiques qualifiés. Ils doivent apprendre à faire fonctionner et à entretenir le sismographe ainsi que tous les équipements auxiliaires tels qu'un ordinateur.

Le futur

La sismologie est surtout connue pour l'étude des tremblements de terre. Son accent n'a pas été mis sur l'étude théorique de la structure de la terre, mais plutôt sur la prévision et la réduction de l'impact des tremblements de terre dans les régions vulnérables. L'étude de l'intérieur de la Terre a été orientée vers la recherche de gisements de pétrole, les tests d'instabilité du sol avant la construction et la recherche d'explosions nucléaires souterraines. La prévision des tremblements de terre, cependant, est primordiale. Si les chercheurs peuvent déterminer à l'avance qu'un séisme aura lieu, des précautions telles que l'augmentation du personnel hospitalier et de sécurité peuvent être programmées. La première prévision officielle des tremblements de terre publiée par le gouvernement des États-Unis n'a eu lieu qu'en 1985. Par conséquent, la prévision des tremblements de terre en est à ses balbutiements. Les récents tremblements de terre majeurs tels que celui qui s'est produit à San Francisco en 1989 ont intensifié l'étude de la faille de San Andreas. Actuellement, une équipe de sismologues étudie le segment Parkfield de cette faille pour déterminer s'ils peuvent prédire un tremblement de terre mineur. Les données de cette tentative pourraient être utiles pour prédire des tremblements de terre majeurs dans des zones plus densément peuplées. D'autres développements incluent des sismographes plus sensibles et plus durables qui peuvent enregistrer à la fois des ondes longues et courtes. Un scientifique de la Terre pense qu'un système d'alerte aux tremblements de terre pourrait être mis en place. Un tel système nécessiterait un sismographe pour capter les vibrations, un ordinateur pour les interpréter comme un tremblement de terre imminent et un système de communication pour avertir le personnel d'urgence à temps. Certains experts envisagent de grands réseaux de sismographes dans les zones sujettes aux tremblements de terre, où les propriétaires de sismographes individuels pourraient collecter et transmettre des données aux sismologues.