Karamö, le prof virtuelLeçon 8 sur 22
Étude des sismographes
Je sais expliquer le principe d'un sismographe (l'inertie d'une masse suspendue), en décrire les parties et lire un sismogramme pour y repérer les ondes P, S et de surface.
- 55 min
- 5 exercices corrigés
- 3 schémas
- QCM de 5 questions
À la fin de la leçon, tu sauras :
- Décrire les éléments d'un sismographe et le rôle de chacun
- Expliquer le principe d'inertie sur lequel il repose
- Distinguer sismographe vertical et sismographe horizontal
- Lire un sismogramme : repérer les ondes, mesurer des durées et calculer une amplitude réelle
Avant de commencer : La leçon « La sismologie » (ondes P, S, L et R, ordre d'arrivée) ; la notion d'inertie (physique).
1Je découvre
Dans un taxi-brousse qui roule vers Kissidougou, Kadiatou tient sur ses genoux un bol de sauce. À chaque freinage, la sauce part vers l'avant ; à chaque démarrage, elle part vers l'arrière. « Ce n'est pas la sauce qui bouge, c'est le taxi ! » rit le chauffeur. La sauce, elle, a tendance à rester où elle était.
Quelques jours plus tard, en classe, le professeur montre la photo d'un vieil appareil : un lourd poids suspendu à un fil, un stylet qui touche une feuille enroulée sur un cylindre. « Voici un sismographe. Pendant un séisme, tout bouge avec le sol : le bâtiment, le support, la feuille. Tout, sauf une chose. »
Kadiatou pense immédiatement au bol de sauce dans le taxi.
Comment fonctionne un sismographe, et comment lire les enregistrements qu'il fournit ?
2Je comprends
1. De l'observation à l'enregistrement
Pour étudier les séismes, il ne suffit pas de les ressentir : il faut enregistrer les mouvements du sol, avec l'heure exacte, pour les comparer d'une station à l'autre.
- Dès l'an 132, le savant chinois Zhang Heng construit un sismoscope : un grand vase de bronze qui laissait tomber une bille dans la gueule d'un crapaud de métal lors d'une secousse, indiquant la direction du mouvement. Il détectait les séismes mais ne les enregistrait pas.
- À la fin du XIXᵉ siècle, des chercheurs, parmi lesquels l'Anglais John Milne, mettent au point les premiers sismographes capables d'enregistrer les vibrations sur un support avec le temps.
- Aujourd'hui, des sismomètres électroniques, reliés à des ordinateurs et synchronisés par satellite, forment des réseaux qui couvrent toute la planète.
Un sismographe est donc un appareil qui détecte, amplifie et enregistre les mouvements du sol. L'enregistrement obtenu s'appelle un sismogramme.
2. Le principe : l'inertie d'une masse
Tout repose sur le principe d'inertie : un corps lourd, libre de bouger, tend à rester immobile quand son support se déplace brusquement (comme la sauce de Kadiatou).
Dans un sismographe :
- un bâti (support) est solidement fixé au sol, souvent sur la roche : il bouge avec le sol ;
- une masse lourde (pendule) est suspendue au bâti par un fil ou un ressort : grâce à son inertie, elle reste presque immobile ;
- on enregistre le mouvement relatif entre la masse (quasi fixe) et le bâti (qui vibre avec le sol).
C'est donc le sol qui bouge sous le stylet, et non le stylet qui bouge sur le papier : le tracé reproduit, en sens inverse, les mouvements du sol.
3. Les parties d'un sismographe classique
| Élément | Rôle |
|---|---|
| Bâti (support rigide) | ancré dans le sol, il vibre avec lui |
| Masse pesante (pendule) | reste quasi immobile grâce à son inertie : c'est le point de référence |
| Fil ou ressort de suspension | relie la masse au bâti en la laissant libre de se déplacer |
| Stylet (plume, aiguille) | fixé à la masse, il trace le mouvement relatif |
| Cylindre enregistreur (tambour) | recouvert de papier, il tourne à vitesse constante grâce à un moteur d'horlogerie ; il est solidaire du bâti |
| Amortisseur | freine les oscillations propres de la masse pour qu'elle ne continue pas à se balancer après la secousse |
| Horloge | inscrit des repères de temps réguliers (par exemple chaque minute) |
| Système d'amplification | agrandit les mouvements, souvent de quelques micromètres seulement |
4. Sismographe vertical et sismographe horizontal
Le sol bouge dans les trois directions de l'espace. Un seul appareil ne peut enregistrer qu'une direction : une station sismique complète en possède donc trois.
- Le sismographe vertical : la masse est suspendue à un ressort ; il enregistre les mouvements de haut en bas (composante verticale, notée Z). Il est particulièrement sensible aux ondes P et aux ondes de Rayleigh.
- Les sismographes horizontaux : la masse est portée par un pendule horizontal (une tige presque horizontale articulée, comme une porte) ; ils enregistrent les mouvements nord-sud et est-ouest. Ils sont sensibles aux ondes S et aux ondes de Love.
- Masse suspendue à un ressort
- Enregistre le haut-bas (Z)
- Bien adapté aux ondes P et R
- Masse portée par un pendule horizontal
- Enregistre nord-sud ou est-ouest
- Bien adapté aux ondes S et L
5. Les appareils modernes
Dans les stations actuelles, le stylet et le papier ont été remplacés : un aimant fixé à la masse se déplace dans une bobine fixée au bâti (ou l'inverse). Le mouvement relatif crée un courant électrique proportionnel à la vitesse du mouvement. Ce signal est amplifié, numérisé et envoyé par Internet ou par satellite à des centres de calcul. L'heure est donnée par les satellites de positionnement, avec une précision bien meilleure qu'une seconde : c'est indispensable pour comparer les temps d'arrivée entre stations éloignées. Le principe, lui, reste le même : l'inertie d'une masse.
6. Lire un sismogramme
Un sismogramme est une ligne horizontale, d'abord calme, puis agitée lors de l'arrivée des ondes.
- L'axe horizontal représente le temps (repères réguliers laissés par l'horloge).
- Les déviations de la ligne représentent l'amplitude des mouvements du sol, amplifiés.
On y lit, dans l'ordre :
- l'arrivée des ondes P : premières vibrations, de faible amplitude ;
- l'arrivée des ondes S : vibrations plus fortes ;
- l'arrivée des ondes de surface : les vibrations les plus amples et les plus longues ;
- le retour progressif au calme (la coda).
- 1Ligne calme : le sol est au repos avant l'arrivée des ondes.
- 2Arrivée des ondes P : premières oscillations, de faible amplitude.
- 3Arrivée des ondes S : oscillations plus fortes, quelques secondes à minutes plus tard.
- 4Arrivée des ondes de surface : oscillations les plus amples et les plus longues.
- 5Coda : les oscillations diminuent et la ligne revient au calme.
Méthode
Pour exploiter un sismogramme :
- Je repère l'échelle du temps (vitesse de déroulement du papier, par exemple 1 mm = 1 s, ou repères chaque minute).
- Je repère le début des ondes P, puis celui des ondes S, puis des ondes de surface.
- Je mesure la distance sur le papier entre deux débuts et je la convertis en durée.
- Pour l'amplitude réelle du sol : amplitude mesurée ÷ grossissement de l'appareil.
- J'écris le résultat avec son unité.
Exemple
Sur un sismogramme qui défile à 2 mm par seconde, le début des ondes S est à 64 mm du début des ondes P. Calculer le retard des ondes S.
Durée = distance sur le papier ÷ vitesse de défilement = 64 ÷ 2 = 32 s.
Les ondes S sont arrivées 32 s après les ondes P.
Exemple
Un sismographe grossit 2 000 fois les mouvements du sol. La plus grande oscillation mesurée sur le papier mesure 18 mm. Calculer le déplacement réel du sol.
Déplacement réel = 18 ÷ 2 000 = 0,009 mm = 9 µm (micromètres).
Le sol a bougé de moins d'un centième de millimètre : sans amplification, on ne verrait rien.
3Je retiens
Je retiens
Sismographe : appareil qui détecte, amplifie et enregistre les mouvements du sol ; l'enregistrement est un sismogramme.
Principe : l'inertie d'une masse suspendue, qui reste quasi immobile pendant que le bâti, fixé au sol, vibre ; on enregistre leur mouvement relatif.
Éléments : bâti, masse (pendule), fil ou ressort, stylet, cylindre enregistreur tournant à vitesse constante, amortisseur, horloge, amplificateur.
Sismographe vertical (masse sur ressort, mouvements haut-bas) ; sismographes horizontaux (pendule horizontal, mouvements nord-sud et est-ouest) : une station en a trois.
Appareils modernes : aimant et bobine, signal électrique numérisé, heure donnée par satellite.
Sur un sismogramme : ondes P, puis S, puis ondes de surface (les plus amples). Amplitude réelle = amplitude mesurée ÷ grossissement.
4Erreurs fréquentes
- Croire que c'est le stylet qui s'agite : c'est le bâti et le papier qui bougent avec le sol ; le stylet, lié à la masse, reste presque immobile.
- Oublier l'amortisseur : sans lui, la masse continuerait d'osciller et fausserait le tracé.
- Penser qu'un seul appareil suffit : il en faut trois pour enregistrer les trois directions du mouvement du sol.
- Confondre sismographe (l'appareil) et sismogramme (l'enregistrement).
5Je m’exerce
1Exercice 1
(Questions de cours)
a) Définis sismographe et sismogramme.
b) Sur quel principe physique repose le sismographe ? Explique-le en deux phrases.
c) Quel est le rôle de l'amortisseur et celui du cylindre enregistreur ?
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a) Un sismographe est un appareil qui détecte, amplifie et enregistre les mouvements du sol. Un sismogramme est l'enregistrement qu'il produit, qui représente les mouvements du sol en fonction du temps.
b) Le principe d'inertie : une masse lourde, suspendue librement, tend à rester immobile quand son support bouge brusquement. Le bâti, fixé au sol, vibre pendant le séisme alors que la masse reste presque immobile ; on enregistre leur mouvement relatif.
c) L'amortisseur freine les oscillations propres de la masse, pour que le tracé reproduise les mouvements du sol et non le balancement du pendule. Le cylindre enregistreur, qui tourne à vitesse constante, déroule le papier et permet d'enregistrer les mouvements en fonction du temps.
2Exercice 2
Associe chaque élément à son rôle : bâti ; masse ; stylet ; horloge ; amplificateur.
Rôles : (1) sert de point de référence immobile ; (2) inscrit des repères de temps ; (3) vibre avec le sol ; (4) trace le mouvement relatif ; (5) agrandit les mouvements très faibles.
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Bâti : (3). Masse : (1). Stylet : (4). Horloge : (2). Amplificateur : (5).
3Exercice 3
Un sismogramme défile à 1 mm par seconde. On mesure 45 mm entre le début des ondes P et celui des ondes S, et 110 mm entre le début des ondes P et celui des ondes de surface. Calcule les retards des ondes S et des ondes de surface sur les ondes P.
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Retard des ondes S : 45 ÷ 1 = 45 s. Retard des ondes de surface : 110 ÷ 1 = 110 s, soit 1 min 50 s.
4Exercice 4
Un sismographe a un grossissement de 5 000. La plus grande oscillation des ondes de surface mesure 35 mm sur le sismogramme, celle des ondes P mesure 4 mm.
a) Calcule le déplacement réel du sol pour chaque onde, en micromètres.
b) Quelle onde a fait le plus bouger le sol ? Est-ce en accord avec le cours ?
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a) Ondes de surface : 35 ÷ 5 000 = 0,007 mm = 7 µm. Ondes P : 4 ÷ 5 000 = 0,0008 mm = 0,8 µm.
b) Les ondes de surface ont fait bouger le sol près de 9 fois plus que les ondes P (7 ÷ 0,8 ≈ 8,75). C'est conforme au cours : les ondes de surface ont les plus grandes amplitudes et sont les plus destructrices.
5Exercice 5
(Type BAC) Une station sismique installée sur le socle granitique de Haute-Guinée comprend trois appareils : Z, N-S et E-O.
a) Explique pourquoi la station possède trois appareils et décris la différence de construction entre l'appareil Z et les deux autres.
b) Lors d'un séisme lointain, l'appareil Z enregistre surtout les ondes P et les ondes de Rayleigh, les appareils horizontaux surtout les ondes S et de Love. Explique ces différences à l'aide du mouvement du sol provoqué par chaque onde.
c) Pourquoi installe-t-on de préférence les sismographes sur la roche dure, loin des routes et des marchés ?
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a) Le sol se déplace dans les trois directions de l'espace ; chaque appareil n'en enregistre qu'une. L'appareil Z (vertical) porte une masse suspendue à un ressort, qui enregistre les mouvements haut-bas ; les appareils N-S et E-O (horizontaux) portent une masse sur un pendule horizontal, qui enregistre les mouvements horizontaux dans leur direction.
b) Les ondes P font vibrer le sol dans la direction de propagation ; pour un séisme lointain, elles arrivent par en dessous, presque verticalement, et font surtout monter et descendre le sol : l'appareil Z les enregistre bien. Les ondes de Rayleigh font décrire au sol des ellipses verticales : elles aussi sont bien vues par Z. Les ondes S font vibrer le sol perpendiculairement à la propagation, donc surtout horizontalement pour des ondes qui arrivent par en dessous ; les ondes de Love font vibrer le sol horizontalement : les appareils horizontaux les enregistrent le mieux.
c) La roche dure transmet fidèlement les ondes sans les déformer, alors que les sols meubles les amplifient et les brouillent. Loin des routes et des marchés, on évite les vibrations parasites (camions, activités humaines), qui s'ajouteraient au signal et gêneraient la lecture.
Cherche d’abord seul, sur ton cahier, puis ouvre le corrigé pour comparer.
6Je vérifie
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