Expériences et modèles en sismologie.

(francois.tilquin@ac-grenoble.fr)

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Sismo-logic, sismo-box and Other Application for sismology, conversion wav excel, video etc…

 

Quelques TP avec Azimut et les stations 3D du réseau SISMO à l’Ecole

Mécanismes au foyer  Logiciel Azimut Le sismotron Tables vibrantes Isostasie Fracture de roches Fragilité ductilité Convection Micro-séisme Remerciements

Peux-t-on prévoir les séismes ?

Expériences pédagogiques du patin tracté François TILQUIN Jean-Noël PUIG

 

La répétitivité des séismes dans une même région et le long des mêmes failles, la notion de période de retour des séismes, peut laisser penser qu’il est possible de prévoir des séismes.

Plusieurs modèles reproduisent ce qui se passe le long d'une faille. Les utilisations de ces modèles permettent d'aborder de nombreuses caractéristiques des séismes à plusieurs niveaux de compréhension.

 

Mise en oeuvre des expériences stick-slip classiques en géologie.

 

Modèle analogique très simple constitué d’un axe mobile dans un support en carton, tourné manuellement ou avec une visseuse et régulièrement et tractant un patin alourdi en Ciporex par l’intermédiaire d’un élastique, sur un support rugueux.

Les mouvements du patin sont enregistrés par un capteur piézométrique relié à la carte son de l’ordinateur et enregistrés par le logiciel Audacity. Les données sont ensuites automatiquement converties en une feuille Excel sous forme d’un tableau comportant la trace, son carré, la somme et une droite de régression pouvant être décalée à loisir, et une courbe de force.

On peut simplifier l’acquisition à l’extrême en repérant au crayon les différentes positions du patin, et en chronométrant le moment du glissement. Sa longueur est proportionnelle à l’énergie dissipée.

 

Autre montage de la même expérience et selon le même principe. Un moteur pas à pas tire régulièrement le patin alourdi. Les mouvements de celui-ci sont détectés par un capteur piézométrique relié à une interface d’acquisition ; le logiciel ExAO réalise le traitement de l’information.

 

Traitement des données saisies sous Audacity et converties automatiquement en données Excel : télécharger le logiciel Sismo-logic (auto-installation en c:/tilquin) 21 Mo

 

Le logiciel  permet l’installation et le lancement d’Audacity correctement configuré, puis place la sauvegarde d’audacity dans la zone « Mes documents/patin_tracte » et génère automatiquement, après exportation du fichier .wav, un fichier Excel (.slk). Le champ « Carré div », permet de diviser le signal par 1000 pour que les données soit plus maniables. Le champ « Décal » permet d’éliminer le bruit de fond. Les champs « a_droite » et « b_droite » ajustent la courbe de l’énergie théorique.

 

Construction de la courbe :

La courbe est à construire à partir de ces données : on sélectionne avec les touches CTRL+Maj et les flèches les 3 mots Carré, Somme et droite puis en maintenant MAJ et CTRL avec la flèche vers le bas ou la touche <fin>, on sélectionne toutes les données dont on veut la courbe. On peut relâcher ces touches, puis avec la barre de défilement à droite, on remonte, avec la souris,  jusqu’en haut de la feuille. On demande ensuite assistant graphique, puis la première courbe.

On peut ensuite placer le carré des valeurs sur l’échelle de droite (click droit sur la courbe des carrés, format de la série, sélection de l’axe, axe secondaire) On peut alors affiner la représentation, en décalant la courbe de tendance en changeant les coefficients a_droite (pente) et b_droite (décalage).

 

Interprétations des courbes de dissipation de l’énergie.

Les pics représentent le « Carré » de la trace qui n’est pas représenté en raison des échelles.

L’énergie libérée par le patin est représenté par la courbe en escalier (« Somme » des carrés de la trace).

La « Droite » représente l’énergie théorique (courbe de tendance de la courbe en escalier)
On constate que le temps qui sépare deux mouvements est irrégulier et non prévisible, bien qu’on puisse en faire une moyenne.

On constate également que la courbe en escalier s’éloigne plus ou moins de la situation d’équilibre, et que le rattrapage de l’énergie n’est pas proportionnel à cet éloignement : parfois un petit séisme apparaît alors que le retard à l’équilibre est important, et parfois le rattrapage est très important.

Il est donc impossible de prévoir le moment où le séisme va arriver, et on peut faire la même expérience avec 2 piézomètres dont l’un servira à la prédiction en tapant dessus au moment que l’on juge opportun.

La courbe de la « Force » est obtenue en soustrayant l’énergie dissipée à la droite moyenne. On obtient ainsi l’accumulation d’énergie et sa libération en fonction du temps. On constate également que le glissement n’est pas proportionnel à la force présente juste avant.

 

Traitement de la donnée énergie-intervalle.

En partant de l’hypothèse intuitive que plus il y a longtemps qu’un séisme a eu lieu, plus l’énergie libérée est forte, on va porter sur un graphe le temps séparant deux mouvements et l’énergie du séisme. S’il y a une corrélation, on devrait voir les points s’organiser selon une droite.

Le principe est d’étudier le tableau de la courbe en escalier (énergie dissipée) et de repérer le moment où débute la marche et la hauteur de celle-ci.

En plaçant la souris sans cliquer sur la courbe en escalier au moment des ressauts, apparaissent les informations permettant de retrouver les valeurs du temps dans le tableau (pointer) et la valeur du ressaut.

 

 

Au survol de la courbe en escalier, Excel nous indique les valeurs du tableau.

 

La première marche a la valeur 2856, et la suivante a la valeur 3522 soit une ressaut d’énergie de 666 qui s’applique au temps 3260.

En répétant cette opération autant de fois qu’il y a de marches, il est possible d’avoir les ressauts d’énergie et les moments où ils apparaissent. On place ces valeurs dans une nouvelle feuille de calcul.

 

 

Résultats du traitement énergie-temps séparant deux mouvements.

Il n’y a rien de vraiment apparent, bien qu’il semble se dessiner une sorte de nuage de points.

Bien entendu, et à un autre niveau, un traitement statistique pourrait montrer une certaine corrélation sans qu’il soit possible de prédire quoi que ce soit.

 

Conclusions :

On peut également faire varier la rugosité, la masse, la raideur du ressort et montrer ainsi que plus le frottement est important, plus l’énergie accumulée est importante, et que plus le sol est élastique plus le retard à l’équilibre est important.

Dans tous les cas, on peut montrer qu’aucun glissement n’est prévisible, bien qu’on puisse déterminer une fréquence moyenne.

On pourrait penser que de nombreux petits séismes permettent le rattrapage, mais les courbes nous montrent que ce n’est pas vraiment le cas.

On ne voit pas non plus de signes avant-coureur de gros séismes.

 

Fichiers téléchargeables.

Vidéo commentée auto-extractible:  video_patin.exe (40 Mo)

Vidéo brute patin_tract.mpg (59 Mo)

Fichiers Excel

patin_très_légers.xls (30 Ko)        

            Patin_tracte.doc (1.8 Mo) doc pour le traitement des données du patin tracté.

patin_lourd_diff_temps.xls (20 Ko) (différence de temps entre 2 traces et énergie)

patin_lourd_diff_temps_traite.xls   (différence de temps entre 2 trace et énergie traité)

patin_lourd_donnees.xls (1.1 Mo) Données brutes acquises non traitées)

patin_lourd_donnees_traitees.xls (3,1 Mo. Données brutes acquises et traitées)

 

Liens internet

            Les failles actives : http://step.ipgp.fr/images/a/aa/Tecto8.pdf

            Qu’est ce qui fait trembler la terre : http://www.amazon.fr/Quest-ce-trembler-lorigine-catastrophes-sismiques/dp/2868836291

            Extrait de l’article sur l’aspect chaotique du mouvement.

 

Les mécanismes au foyer

Cette expérience est destinée à montrer que l’étude en surface des zones de compression et dilatation (en fonction du sens du premier mouvement du sol) permet de situer les plans de failles potentiels.

 

Un logiciel permet de manipuler en 3D des patins et montre qu’il y a ambiguïté dans la détermination du plan de faille.

 

Télécharger le logiciel mecanisme_foyer.exe (3 Mo) qui s’installe en c:/tilquin/meca_foyer  et se lance automatiquement.

 


Logiciel AZIMUT (FT 2010)

Ce logiciel 3D, permet de tracer le vecteur vitesse de la station à partir des 3 composantes enregistrées par le capteur.

Ellipticité des ondes de Ralleigh

Le Japon nous a repoussé bien qu’il soit parti vers le pacifique, car nous captons le mouvement de la plaque plongeante qui s’est fait en sens inverse.

Perpendicularité des ondes P et S (En rouge onde P, en vers onde S Azimut =cercle orange Point rouge=epicentre.

Voir d’autre copies d’écran : http://www.ac-grenoble.fr/webcurie/sismo/web_patin/cop_ecr_azimut/index.htm

Télécharger le logiciel Azimut (version 2.3)  azimut.exe  (18 Mo) qui s’installe en c:/tilquin/fic_sismo_logic/azimut

Télécharger qq ex. de séismes traités (japon, samoa, turquie)484 Mo qui s’installent en c:/tilquin/fic_sismo_logic/azimut seismes.exe

 

Le Sismotron © FT 12/2011  

 

Modèle analogique permettant de comprendre comment on peut déterminer les mécanismes au foyer d’une faille à partir d’enregistrements de surface.

 

Le modèle est constitué de deux blocs séparés par une fracture et que l’on peut déplacer relativement grâce à une lime « queue de rat » enfichée entre les deux blocs. Celle ci peut être mise dans une position quelconque afin de simuler des déplacements normaux, inverses, des décrochements.

 

Les mouvements des 2 blocs sont enregistrés simultanément par des capteurs accélérométriques placés à la surface des deux blocs, de part et d’autre de la fracture, et les résultats sont traités par le logiciel Azimut qui permet le dépouillement du premier mouvement et l’affichage des vecteurs déplacement.

 

Le mouvement peut ensuite être reproduit sur un modèle 3D du logiciel Azimut.

 

 

Tables vibrantes pédagogiques manuelle, asservies, 1D, 3D 

 

 

 

L’ensemble constitué d’une plaque de polystyrène et de bâtiments légers de différentes hauteurs est animé par un système de multiplication de la fréquence de rotation du gros cylindre. Une came permet de créer un mouvement oscillant. La fréquence est imposée par la vitesse de rotation du gros cylindre et le facteur multiplicateur que l’on peut calculer.

 

 

Première table vibrante pédagogique (Science on stage, Genève nov. 2005)

Des traces réelles sont envoyées au vibreur. On peut également maîtriser la fréquence avec un générateur de basse fréquence. Les bâtiments en carton et plastique permettent de montrer la résonance, la liquéfaction du sol, l’effet de site et certaines techniques parasismiques (chaînage, contreventement, fondations roulantes, amortisseurs…)

 

 

Table vibrante 3 composantes (2010)

Le même principe est utilisé pour la table 3D. Le pilotage de l’ensemble et le réglage de l’amplitude se fait par le logiciel Azimut© FT, à travers 3 Power-Cassy et 3 vibreurs (1 A) . Un ressors peut simuler un bâtiment et permet de visualiser les torsions et les ondes se propageant à l’intérieur. http://www.ac-grenoble.fr/webcurie/sismo/web_patin

 

Isostasie : la racine des montagnes.

La simulation numérique des principes de l’isostasie, partant du principe que toutes les colonnes de matière ont la même masse, montre que la racine des montagnes est beaucoup plus volumineuse que la montagne elle même, ce qui impose un enfoncement de la matière plus important que la surrection, et des volumes de matière beaucoup plus importants que le volume de la montagne lors de l’érosion.

Dans ce modèle, le calcul du raccourcissement de la lithosphère ne correspond pas avec les volumes de l’épaississement crustal (8km seulement) probablement pour des raisons d’échelle car on passe de la plaine au sommet de la montagne en seulement 12 km dans ce modèle.

Finalement le raccourcissement de 8 km par rapport à 12 km c’est environ 66%. Le raccourcissement correspond-il à 66 % de la largeur de la chaîne de montagne en réalité ?  

Télécharger le fichier racine_montagne2.xls

 

 

 

Simulation de fractures de roches

 

Ces expériences doivent permettre de positionner la contrainte maximale ayant donné lieu à la fracture. On donne le coup de marteau sur craie enfermée dans un gant en plastique transparent soit au bout soit au milieu.

Dans les deux cas on observe un réseau de fractures formant un angle aigu de part et d’autre de la contrainte maximale. Lorsque la contrainte maximale est horizontale, on obtient donc une faille plus ou moins couchée, et lorsque  c’est le poids qui est la contrainte principale, la fracture est plus ou moins verticale.

 

Simulation des propriétés physiques de la zone à faible vitesse

Un modèle analogique très simple pour montrer que lorsque la contrainte s’applique rapidement le matériaux se comporte comme un solide, mais en prenant le temps il se comporte comme un fluide (ductilité).

Il suffit de placer de la maïzéna dans un récipient, puis ajoutez tout en remuant un peu d’eau avec une pissette.

La poudre est d’abord très facile à bouger, puis survient une propriété étonnante du mélange, il n’est plus possible de déplacer la cuillère sans « fracturer » la maïzéna.

 

 

Courants de convection dans le chocolat au lait

 

 

Illustration des courants de convection dans la manteau :

 

Il faut faire chauffer dans un bécher du chocolat soluble dans du lait. En surface apparaît une sorte d’écume plus claire qui ne doit pas être trop abondante.

En regardant sur le côté à mesure que ça chauffe, on voit les particules de chocolat s’élever.

 

En laissant refroidir le tout, la convection s’installe et laisse apparaître des polygones en surface: les parties sombres correspondent à la montée du lait, qui peut être observée avec attention (zones de divergences), les parties claires à sa descente (l’écume est repoussée et correspond à des zones de convergence).

 

Etude expérimentale d'un micro-séisme en salle de TP

Le principe de cette expérience des années 1992 consiste dans la détermination de l’épicentre d’un microséisme créé par le choc d’un coup de marteau dans la salle de classe. Les interfaces sont toutes reliées à une source de tension qui va déclencher l’acquisition à l’appui d’un bouton suivi juste après du coup de marteau. Les différents microphones enregistrent l’onde, puis on pointe le temps d’arrivée de l’onde à chaque microphone. En utilisant alors un plan de la salle de classe, et la méthode des demi-plans : la médiatrice du segment joignant deux stations défini 2 demi-plans : celui dont l’onde arrive en premier contient le séisme, et par couple de stations on définit des zones dont le recoupement donne la zone de l’épicentre.

Les résultats sont précis à quelques décimètres près.

 

 

Autres adresses utiles :

Expériences des tables vibrantes pédagogiques http://www.ac-grenoble.fr/webcurie/bio/seismes

Station sismique de Marie Curie http://www.ac-grenoble.fr/webcurie/sismo

 

Remerciements aux conseillers scientifiques :

   François Thouvenot http://www-lgit.obs.ujf-grenoble.fr/~thouve/

   Denis Hatzfeld http://www-lgit.obs.ujf-grenoble.fr/~hatzfeld/

                                      Françoise Courboulex http://geoazur.oca.eu/spip.php?auteur27

                                      Michel Cara http://www.iaspei.org/people.html#Cara

   Pierre-Yves Bard http://www.meees.org/teachers/show/id/37

Remarques importantes :

Toutes les critiques seront les bienvenues ! francois.tilquin@ac-grenoble.fr