Lettre du Plan Séisme - 2e trimestre 2020, Dossier Sismologie : mieux enregistrer pour mieux comprendre

Dossier Sismologie : mieux enregistrer pour mieux comprendreDossier Sismologie : mieux enregistrer pour mieux comprendre

« La sismologie   est l’art d’interpréter les enregistrements de mouvements du sol générés par les séismes. » Grâce à cette définition donnée par Michel Cara, professeur à l’Institut de Physique du Globe de Strasbourg, on comprend que les progrès de cette discipline sont très liés aux grandes évolutions des instruments d’enregistrement des ondes sismiques depuis près de 150 ans. Toujours plus précises, les mesures des ondes sismiques ont éclairé les recherches menées dans plusieurs disciplines pour comprendre la nature et les mécanismes se cachant derrière les séismes. Aujourd’hui cette quête de précision se poursuit avec des enjeux très concrets pour la réduction du risque sismique  , tels que la prévention ou sa gestion opérationnelle.

Depuis les premiers sismomètres « modernes » apparus aux XVIIIe et XIXe siècles, qui n’enregistraient que les séismes locaux, jusqu’au sismomètre   français SEIS envoyé sur Mars par la mission InSight en 2019, la technologie de ces instruments n’a cessé d’évoluer. Leur précision n’a bien-sûr plus rien à voir, mais l’objectif reste le même : enregistrer les ondes sismiques pour pouvoir ensuite décoder les nombreux messages qu’elles contiennent. Ces ondes sont en effet très riches d’informations dans plusieurs domaines. La sismologie   permet bien entendu de mieux comprendre les tremblements de terre mais aussi de connaître la structure interne du globe. Les hommes ne pouvant explorer l’intérieur de notre planète, les ondes sismiques sont les espionnes les plus efficaces pour nous informer sur ce qui se trouve en profondeur, sous nos pieds, car en voyageant elles se modifient en fonction du milieu traversé, et collectent ainsi de précieux renseignements. C’est bien pour cette raison que le sismomètre   SEIS est l’une des pièces maîtresses de la mission InSight, pour tenter d’en apprendre davantage sur la structure interne de la planète Mars. En 150 ans, les connaissances acquises grâce à l’étude des ondes sismiques sont considérables. Dans ce dossier, nous nous concentrerons sur les progrès des instruments d’enregistrement et ce qu’ils nous ont permis de comprendre des tremblements de terre.

Capter les mouvements du sol : du simple pendule aux sismomètres modernes

Suite à une série de tremblements de terre survenue dans leur pays au XVIIIe siècle, les Italiens sont parmi les premiers à avoir essayé de concevoir des instruments pour les étudier. Un des premiers sismomètres fut ainsi inventé en 1784 par Nicola Zupo (1752-1806), professeur de médecine et de mathématiques à l’École royale de Cosenza. C’était un pendule vertical constitué d’une sphère de plomb munie d’un clou, qui inscrivait son déplacement dans un lit de cendre fine. Par la suite, de nombreux autres instruments furent inventés au fil du XIXe et XXe siècle. Leur principe est similaire : enregistrer les déplacements d’une masse mobile par rapport à une base fixe. Les évolutions consistent alors à enregistrer les différents axes de déplacement, à gommer les effets d’oscillations indésirables, et bien-sûr à gagner en sensibilité. De nombreux scientifiques ont conçu des sismomètres et nous ne pouvons ici tous les citer. Nous avons retenu trois ruptures dans cette progression.

Tout d’abord, l’Allemand Emil Wiechert (1861-1928) va apporter une réponse à l’amortissement des oscillations de la masse mobile qui, une fois mise en mouvement, ne cessait d’osciller sur les premiers sismographes. Pour ce faire, il introduisit un amortisseur à air permettant de capter les différents passages d’ondes et de mieux mesurer leurs temps d’arrivée. Les sismomètres purement mécaniques développés par Wiechert pesaient souvent plusieurs tonnes, comme le « 19 tonnes » exposé au musée de Strasbourg.

Le « 19 tonnes » de Strasbourg, dont la construction s'est terminée en 1925, est toujours en fonctionnement. Sa masse est principalement constituée de pièces métalliques, dont 12 tonnes d'essieux de camions militaires et 2 tonnes de pièces d'armes
Le « 19 tonnes » de Strasbourg, dont la construction s’est terminée en 1925, est toujours en fonctionnement. Sa masse est principalement constituée de pièces métalliques, dont 12 tonnes d’essieux de camions militaires et 2 tonnes de pièces d’armes
(Sources : EOST?)

Le prince russe Galitzine (1862-1916) utilisa pour sa part un système électromagnétique pour amortir le mouvement de la masse mobile et amplifier les signaux, grâce à un galvanomètre à cadre mobile. Ce procédé permit de réduire considérablement la taille des sismomètres, qui avait pris des dimensions énormes suite à l’invention de Wiechert.

Bien plus tard, vers 1970, une autre invention vint marquer un tournant décisif permettant, avec un seul instrument, de mesurer les mouvements de faibles comme de fortes amplitudes, et ce avec la même précision. A la suite des travaux préliminaires du sismologue tchèque Axel Plesinger, l’étudiant en géophysique Gunar Streckeisen vint développer - sous la direction de Erhard Wielandt à l’École polytechnique fédérale (EPF) de Zurich -, le sismographe à large bande STS-1, dont le principe sera ensuite largement utilisé dans la plupart des stations sismologiques à travers le monde. Il s’agit d’un sismomètre   asservi, c’est-à-dire qu’une force de contre-réaction maintient la masse à sa position initiale. C’est la variation de cette force dans le temps qui est donc mesurée, accroissant grandement la qualité et la richesse des informations recueillies par les sismomètres.

Enregistrer les séismes : du lit de cendre au numérique

La façon d’enregistrer le déplacement de la masse mobile a également considérablement évolué, depuis les dessins dans un lit de cendre par le sismomètre   de Zupo, jusqu’aux données numériques du sismomètre   SEIS transmises par satellite. En la matière, ce sont les sismomètres mis au point par l’Italien Giuseppe Vicentini (1860-1944) qui, les premiers, permirent un enregistrement mécanique direct, grâce à une pointe métallique réalisant des tracés sur un tambour rotatif sur lequel était fixé un papier recouvert de noir de fumée. Quasiment à la même période, l’Allemand Ernst von Rebeur-Paschwitz (1861-1895) a développé l’enregistrement optique sur papier photographique, grâce à un miroir fixé au bout du pendule. Le prince Galitzine, déjà cité, a pour sa part été le premier à réaliser des enregistrements électromagnétiques : une bobine oscille dans l’entrefer d’un aimant et crée par induction un courant électrique mesurable. Puis, le signal électrique sortant des sismomètres STS-1 développé par Streckeisen put facilement être converti en informations numériques, télétransmises vers les centres de données dès les années 80. Cette télétransmission ainsi que la précision de ces instruments suisses permirent de réduire considérablement les coûts de fonctionnement des stations, et ainsi de multiplier le nombre de stations.

Une autre difficulté à laquelle les sismologues sont confrontés, réside dans la nécessité de marquer avec précision le temps absolu des enregistrements, pour pouvoir synchroniser puis comparer les résultats obtenus dans différentes stations sismiques, et définir avec précision les vitesses de propagation des ondes sismiques. Le calage des horloges dans les observatoires sismologiques a longtemps été un délicat problème. Celui-ci est désormais résolu grâce aux systèmes de positionnement par satellite, comme le GPS.

Sismographe à large bande STS-1, modèle Streckheisen, dans une cloche de verre
Sismographe à large bande STS-1, modèle Streckheisen, dans une cloche de verre
(Source : IRIS)

Les premiers réseaux : localiser les séismes

Les progrès de la sismologie   doivent aussi beaucoup au développement des réseaux de stations sismiques tout autour de la planète. L’Anglais John Milne (1850-1913) fut l’un des premiers à comprendre l’enjeu   d’un réseau de couverture mondiale. Après avoir passé huit ans au Japon, il installa sur l’île de Wight un observatoire sismique, puis travailla en collaboration avec des chercheurs de plusieurs pays pour installer à travers le monde un réseau d’une trentaine de stations. Les données des stations étaient envoyées à John Milne pour compilation, qui les publia de 1899 à 1912 dans les « Shide circulars ». Initié à la sismologie   par John Milne, Fusakichi Ōmori (1868-1923) participa à la première installation d’un réseau dense de sismomètres sur l’ensemble du Japon. Ce premier réseau mondial permit notamment d’établir un lien empirique entre les séismes et les failles, Ōmori comprenant que les ondes pouvaient être produites par une rupture le long d’une faille  . Jusque dans les années 30, la localisation des séismes fut l’une des principales préoccupations des sismologues. Le gain de précision offert par ce réseau permit notamment d’identifier la « ceinture de feu » du Pacifique : l’une des régions les plus sismiques au Monde.

Mais ce n’est que dans les années 50 qu’un réseau de stations sismiques de plus grande ampleur vit le jour, en plein contexte de Guerre Froide. Avec l’objectif de détecter et de localiser les explosions nucléaires soviétiques, les américains développèrent alors le réseau WWSSN (World-Wide Standardized Seismograph Network) qui compta rapidement près de 120 stations équipées de sismomètres modernes. Ce réseau détectait des milliers de séismes par an et permit de dresser une carte assez précise de la sismicité   mondiale.

Localisation des sismographes appartenant au World-Wide Standardized Seismograph Network (WWSSN) et une des premières cartographies de la sismicité mondiale qu'il a permis de générer
Localisation des sismographes appartenant au World-Wide Standardized Seismograph Network (WWSSN) et une des premières cartographies de la sismicité mondiale qu’il a permis de générer
(Source : USGS?)

Les sismomètres modernes qui équipaient ces stations furent les premiers en capacité de localiser les nombreux petits séismes qui surviennent le long d’une zone située au milieu de l’océan Atlantique et que l’on identifia une dizaine d’années plus tard grâce à la théorie de la tectonique des plaques   comme étant une zone d’accrétion océanique.

Mesurer les effets des séismes a posteriori

Capter et enregistrer les ondes sismiques est une activité essentielle pour qualifier et localiser les séismes. La compréhension approfondie du phénomène sismique n’a cependant été permise que grâce au croisement de ces informations avec d’autres observations et d’autres disciplines. En parallèle des avancées effectuées dans les domaines de la conception des sismomètres et de l’étude des ondes, des scientifiques ont cherché à comprendre l’origine des tremblements de terre, notamment en observant leurs effets a posteriori.

L’un des premiers fut l’Irlandais Robert Mallet qui, en 1857, étudia le grand tremblement terre de la Basilicate près de Naples. Il étudia ce séisme   en observant les dommages aux constructions, en étudiant par exemple la façon dont basculèrent les pierres tombales. Il a ainsi déterminé la position du foyer   souterrain du tremblement de terre   et fut le premier à parler d’ondes élastiques. « Avant lui, nous en étions encore au modèle d’Aristote qui décrit les tremblements de terre comme des vibrations de la surface de la terre provoquées par des mouvements d’air sous la surface » rappelle Raul Madariaga, professeur en sismologie   à l’Ecole Normale Supérieure de Paris.

Bien plus tard, une autre discipline allait permettre de mesurer a posteriori les mouvements de sols induits par les séismes, et participer ainsi à mieux comprendre l’origine des ondes sismiques : la géodésie, science qui a pour objet l’étude de la forme et la mesure des dimensions de la terre. Suite au grand tremblement de terre   qui dévasta San Francisco en 1906, le californien Harry Fielding Reid (1859-1944) vint ainsi à comparer ses mesures de triangulation géodésique réalisées régulièrement dans cette zone, avant et après le séisme  . Il constata que deux points, situés à une certaine distance de part et d’autre de la faille  , s’étaient déplacés de manière plus marquée que deux points proches de la faille  , créant une déformation intense des roches au voisinage même de la faille  . Il émit alors l’hypothèse que les séismes se produisent une fois la résistance maximale des roches à la déformation atteinte, et sont provoqués par un brusque relâchement de contraintes élastiques, préalablement accumulées par la lente déformation du sous-sol. Dans le cas du tremblement de terre   de San Francisco, cette rupture a provoqué un glissement de 5 à 10 m sur une longueur de 450 km. A cette époque où la théorie de la tectonique des plaques   n’était pas encore formulée, Reid apporta ainsi une explication de la cause des séismes, encore acceptée de nos jours.

Interferogramme obtenu à partir des données Sentinel-1, une série de satellites déployés pour l'observation de la Terre par l'Agence spatiale européenne, acquises avant et après le séisme ayant eu lieu au Teil, le 11 novembre 2019 dernier. Des valeurs positives de LOS, colorées du jaune au rouge, indique un mouvement du sol vers le haut.
Interferogramme obtenu à partir des données Sentinel-1, une série de satellites déployés pour l’observation de la Terre par l’Agence spatiale européenne, acquises avant et après le séisme ayant eu lieu au Teil, le 11 novembre 2019 dernier. Des valeurs positives de LOS, colorées du jaune au rouge, indique un mouvement du sol vers le haut.
(Source : BRGM?)

Aujourd’hui encore, la géodésie est un outil très utilisé dans l’étude des séismes. Son usage a d’ailleurs pris un essor important avec l’avènement du spatial et l’envoi en orbite de satellites capables de pratiquer l’interférométrie radar. Le Français Didier Massonnet, du Centre national d’études spatiales (CNES), fut l’un des premiers à comprendre, au début des années 90, les applications de cette nouvelle technologie dans l’analyse des mouvements causés par des séismes. Elle permet en effet de comparer deux images radar, prises avant et après le séisme  , de repérer les incohérences entre elles, et d’y reconnaitre autant de déformations permanentes induites lors de l’évènement. Les réseaux de positionnement GPS constituent désormais également une précieuse source d’information, essentielle pour la sismologie   moderne.

De la mesure à la compréhension : apport de la sismologie   à la découverte de la tectonique des plaques  

Si 1968 fut une année révolutionnaire pour la société française, elle le fut tout autant à l’échelle mondiale pour les géosciences. C’est en effet cette année-là que fut - enfin - admise la théorie de la tectonique des plaques par toute la communauté scientifique. Dès 1912, le météorologue Wegener avait pourtant émis une hypothèse sur la dérive des continents, en observant l’emboitement du continent américain et du continent africain de part et d’autre de l’océan Atlantique. L’intuition de Wegener était bonne, mais il n’apportait aucune preuve scientifique suffisamment convaincante pour les géologues, qui ont longtemps rejeté sa théorie. Au cours du XX e siècle, les indices vont cependant petit à petit s’accumuler, et c’est notamment le géodynamicien français Xavier Le Pichon qui rassembla entre elles toutes les pièces du puzzle. Il rapprocha notamment les observations réalisées par les géologues, avec les cartes de sismicité   élaborées grâce au réseau mondial de stations sismiques, ce qui permit de comprendre que les alignements qui apparaissent sur les cartes de sismicité   dessinent les limites de plaques tectoniques. Mais la dernière pièce du puzzle, il la trouva du côté des géomagnéticiens, qui comprirent que les fonds marins sont en expansion, en étudiant les orientations magnétiques [1] des roches de part et d’autre de la dorsale océanique, si bien dessinée par les cartes de sismicité  . « Alors qu’il s’agissait d’une révolution, la tectonique des plaques   a été acceptée par la communauté scientifique en moins d’un an car les contributions des différentes disciplines concordaient, y compris bien-sûr les cartes de sismicité   » souligne Raul Madariaga.

Le clin d'œil d'Eric Appéré
Le clin d’œil d’Eric Appéré

Une science fondamentale et appliquée

La tectonique des plaques   permet une compréhension globale des mouvements de la lithosphère, mais de vastes zones d’ombre demeurent sur les effets que ces mouvements induisent, comme les tremblements de terre. Ces cinquante dernières années, la multiplication des données numériques issues des nombreuses stations sismiques présentes autour du globe, ainsi que la capacité de traitement croissante de ces données, ont permis aux sismologues d’élaborer des modèles de plus en plus précis pour expliquer les tremblements de terre en fonction du type de failles et du sous-sol.

De nombreux travaux ont porté sur la recherche de précurseurs, pour tenter de repérer les signes avant-coureurs d’un séisme  , mais malheureusement sans véritable succès à ce jour. En revanche, les travaux des sismologues ont permis de grandes avancées pour la prévention des risques associés aux séismes. « Le génie parasismique a considérablement progressé grâce aux apports croisés de la sismologie  , des sciences du sol et de l’étude de la dynamique des structures », souligne Michel Cara. Rappelons aussi que la capacité à lancer des alertes précoces aux tsunamis doit beaucoup au progrès de la sismologie  . Les données des sismomètres sont désormais très rapidement transmises et analysées pour potentiellement sauver de nombreuses vies humaines. Les réseaux de plus en plus denses de sismomètres ainsi que des travaux de simulation en laboratoire permettent aussi d’étudier l’incidence de certains phénomènes naturels ou de certaines activités humaines sur le risque sismique  , comme l’injection de fluides dans les roches (cf. dossier sur la sismicité induite). Enfin, depuis une dizaine d’années, de nombreux sismologues et géodésiens étudient les « séismes lents », qui correspondent à des mouvements de faille   très lents et asismiques (cf. dossier sur les séismes lents). Là encore, les progrès des capteurs participent à l’avancée des connaissances, puisqu’ils sont aujourd’hui capables d’enregistrer les tremors, de tout petits séismes qui sortent à peine du bruit ambiant. Ils sont les témoins discrets de l’activité en profondeur. La terre n’a pas fini de murmurer ses secrets, et la sismologie   de les dévoiler.

Pour aller plus loin

planseisme picto 17 pointi -Travaux « Histoire de la sismologie  » de Jean-Paul Poirier et du Comité français d’Histoire de la Géologie, 2008, 3e série (tome 22), pp.27-35
- Le site web « Musée de la sismologie » de l’Université de Strasbourg
-Les article « Séismes et sismologie » sur Encylopedie Universalis]

[1Chaque roche volcanique possède sa propre aimantation acquise lors du refroidissement de la lave et enregistre ainsi le champ magnétique terrestre de l’époque de sa formation. L’analyse de ces déviations du champ magnétique océanique montre des bandes d’anomalies positives qui alternent avec des bandes d’anomalies négatives. Ces alignements sont parallèles aux dorsales et disposés symétriquement de part et d’autre de cet axe. Ces observations ont largement contribué à attester de l’expansion des fonds marins.