CEA - DAM

Les sismomètres

Principe de fonctionnement

Un simomètre est un capteur qui mesure les mouvements du sol.

Son bâti étant mis en mouvement par le sol, il est nécessaire, pour effectuer la mesure, d'avoir un élément immobile servant de référentiel. Ce référentiel est obtenu par un oscillateur mécanique réalisé au moyen d'un système masse-ressort (masse mobile attachée au bâti par un ressort) ou d'un pendule horizontal (masse mobile déportée d'un axe de rotation vertical).

Une des propriétés des oscillateurs mécaniques est l'immobilité de la masse mobile quel que soit le mouvement qui est appliqué au bâti (référentiel inertiel), pour des fréquences de mouvement supérieures à sa fréquence de résonance. En dessous de cette fréquence de résonance, le déplacement de la masse est proportionnel à l'accélération appliquée au bâti.

Un sismomètre vertical, qui sert à mesurer les mouvements verticaux du sol, utilise un oscillateur basé sur le système masse-ressort dans le but de compenser l'attraction de la pesanteur. Un sismomètre horizontal, qui sert à mesurer les mouvements horizontaux du sol, utilise le principe du pendule horizontal.

Les sismomètres doivent avoir un bruit instrumental très faible afin de permettre la mesure de mouvements de l'ordre de 10^-10 m (1Å).

Ces mouvements peuvent être induits par le bruit micro sismique naturel engendré surtout par les effets de la houle sur les fonds marins, les bruits industriels (usines, passages de voitures, scieries, etc.), et les ondes sismiques provenant des tremblements de terre, des tirs de carrières ou des explosions nucléaires. Ces ondes se propagent dans le globe terrestre suivant différents trajets et selon différentes phases enregistrées à des instants différents sur les sismogrammes.

Les sismomètres " courte période " ZM 500 et HM 500

Les sismomètres " courte période " (inférieures à 2 secondes) sont surtout utilisés pour étudier les ondes de volume (ondes de compression ou ondes P, ondes de cisaillement ou ondes S) et la sismicité proche et régionale. Les explosions nucléaires génèrent essentiellement des ondes P.

Les sismomètres ZM 500 (vertical) et HM 500 (horizontal) utilisent un moyen de mesure assez simple basé sur une bobine solidaire de la masse mobile, plongeant dans un aimant fixé au bâti. Ce système permet la mesure de la vitesse du mouvement du sol pour des fréquences supérieures à la fréquence de résonance de l'appareil (voir figure représentant la sensibilité). La calibration de l'appareil s'effectue en injectant dans une bobine secondaire, implantée sur la masse mobile, un courant à une fréquence donnée, qui induit une force proportionnelle à ce courant. L'avantage de cette méthode est de calibrer l'ensemble de la chaîne de mesure simultanément. Une sensibilité nominale de 2250 V.m^-1.s^-1, une période propre de 1 ou 2 secondes, et une masse mobile de l'ordre de 700 grammes assurent une résolution de l'ordre d'un angström/seconde dans la bande 0,1 - 100 Hertz. Ce type d'appareil est portable (il pèse 11 kg) et peut facilement être installé sur une dalle bien couplée au socle, protégée du vent.

Sismomètre vertical " courte période " ZM 500 du CEA.

Sismomètre horizontal " courte période " HM 500 du CEA.

Sensibilité en fonction de la fréquence pour des sismomètres ZM 500 et HM 500 de 1 et 2 secondes de période propre (respectivement courbe rouge et bleue).

Sismomètres " longue période " LPZA-12s et LPHA-12s

Pour l'étude des ondes de surface et des ondes de volume des séismes, on utilise des sismomètres " longue période " qui mesurent les mouvements du sol de période allant d'une seconde à plusieurs centaines de secondes, jusqu'au continu. Ces sismomètres servent également à étudier les périodes propres de la terre (53 minutes), ainsi que la marée terrestre (12 heures).

Ce sont des sismomètres de type asservi. Le mouvement de la masse mobile est mesuré par un capteur de déplacement. Cette mesure est proportionnelle à l'accélération du sol pour les fréquences inférieures à la fréquence de résonance, et proportionnelle au déplacement du sol pour les fréquences supérieures. La mesure des longues périodes se fait donc en accélération : ces capteurs sont avant tout des accéléromètres. Afin d'obtenir des résolutions suffisantes en longue période, il est nécessaire d'avoir une masse en mouvement plus importante que celle des capteurs " courte période " (2 kg), et une période propre de l'ordre de 12 s. Ces valeurs de période et masse mobile élevées donnent au capteur une sensibilité très élevée (> 300 000 V.m^-1.s²) qui limiterait l'étendue des mesures à 4 µg maximum. Pour accroître l'amplitude de mouvement mesurable, et contrôler la réponse en fréquence, on utilise un système d'asservissement électromagnétique. Cet asservissement applique, à la masse mobile, une accélération opposée à celle mesurée qui tend à limiter le mouvement de la masse. La sensibilité intrinsèque est réduite à une valeur acceptable (2533 V.m^-1.s). Cela permet des mesures d'accélération allant jusqu'à 400 µg. La période propre du sismomètre est ainsi ajustée à 1 Hz ce qui donne une bande de fréquences utiles allant du continu à 1 Hz (voir courbe de réponse en accélération) complémentaire à la bande utile des capteurs " courte période ".

Mais les phases sismiques sont essentiellement visibles sur des signaux enregistrés en vitesse ou en déplacement. Ces valeurs sont obtenues en intégrant le signal issu du capteur, au moyen de filtres passe-bas analogiques. Cette technique analogique permet d'obtenir de grandes résolutions sur une plage de fréquences étendues (voir les courbes de réponse en vitesse et déplacement).

Les sismomètres " longue période " LPZA-12s (vertical) et LPHA-12s (horizontal), développés par le Département analyse, surveillance, environnement de la Direction des applications militaires obéissent à ces caractéristiques.

Sismomètres longues périodes vertical LPZA-12s (à gauche) et horizontal LPHA-12s (à droite).

Exemple de réponse en vitesse des LP avec une grande sensibilité.

Exemple de réponse en déplacement des LP avec une faible sensibilité.

Réponse nominale des LP en accélération.

Le LPHA-12s peut également servir d'inclinomètre, avec une limite de résolution équivalente à 10^-9 radian. Il est alors utilisé en accéléromètre pour mesurer la projection horizontale de la pesanteur, quand le capteur est incliné.