Etude des séismes au niveau des fosses océaniques
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- Sophie Gervais
- il y a 5 ans
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1 TP N 5 Wadati Etude des séismes au niveau des fosses océaniques Atelier 1 (4 min) Mise en situation et recherche à mener En 195, le sismologue japonais Wadati étudie la répartition des foyers sismiques au niveau de la fosse du Japon. En 1949, le sismologue américain Benioff continue l étude des répartitions des foyers sismiques au niveau des fosses mondiales. Ils observent que les profondeurs des foyers sismiques au niveau des fosses océaniques sont réparties selon un plan incliné (ce plan sera appelé le plan Wadati-Bénioff). Il faut attendre 1964 pour que géologues américains, Jack Oliver, Bryan Isacks et Lynn Sykes, interprètent ces observations : au niveau des fosses océaniques de la lithosphère froide et cassante plonge dans de l asthénosphère. L asthénosphère est plus chaude et moins rigide que la lithosphère, elle peut se déformer sans casser. Durée prévue : 1h 4 minutes par atelier! Fiche sujet candidat (1/2) Benioff On veut visualiser les observations de Wadati et Benioff qui ont conduit à cette interprétation. Le géotherme moyen océanique : Doc 4 p.15 NB : Un matériau ductile* ne peut casser, par conséquent aucun foyer de séismes ne peut prendre naissance dans une zone ductile. Ressources Le logiciel tectoglob vous permet de visualiser de nombreuses observations géologiques à l échelle planétaire : les limites des plaques, les mouvements des plaques, les reliefs, la répartition des volcans ainsi que la répartition et la profondeur des foyers des séismes. Il est possible de visualiser une zone en particulier. Nb : Pas d étape 1 de l ECE ici! C. Martin, LEC Page 1
2 Fiche sujet candidat (2/2) Etape 2 : Mettre en œuvre un protocole de résolution pour obtenir des résultats exploitables Mettre en œuvre le protocole de visualisation des foyers du séisme le long d une fosse océanique afin de déterminer la répartition de la profondeur des foyers sismiques au niveau de la fosse du Japon. Etape : Présenter les résultats pour les communiquer Sous la forme de votre choix présenter et traiter les données brutes pour qu'elles apportent les informations nécessaires à la résolution du problème. Etape 4 : Exploiter les résultats obtenus pour répondre au problème Exploiter les résultats afin d arriver à la même conclusion que Oliver, Isacks et Sykes. Fiche-protocole - candidat Matériel disponible et protocole d'utilisation du matériel Matériel - A l aide du logiciel tectoglob afficher les séismes. - Logiciel tectoglob. - Réaliser une coupe perpendiculaire à la fosse du Japon. - Fiche technique du logiciel (dans classeur à côté de l unité centrale) - Exagérer le relief 5 fois. - Imprimante Appeler l examinateur pour vérification Sécurité : RAS Précautions de la manipulation : Regarder le nom de l imprimante avent d imprimer. Faites en sorte de n imprimer qu une seule feuille par groupe. C. Martin, LEC Page 2
3 TP N 5 Etude des séismes au niveau des fosses océaniques Durée prévue : 1h Atelier 2 (4 min) Mise en situation et recherche à mener En 1964, trois sismologues américains, Jack Oliver, Bryan Isacks et Lynn Sykes, examinent l activité sismique au niveau de la fosse des îles Tonga, dans le Pacifique sud. Ils enregistrent les ondes sismiques produites par un séisme profond dont l épicentre se trouve à égale distance des stations sismiques Fidji et Tonga. Ils observent que les ondes P parviennent deux secondes plus tôt à la station Tonga qu à la station Fidji. Ils en déduisent que le matériau présent entre le foyer et la station Tonga est plus froid que le même matériau présent entre le foyer et la station Fidji. On veut prouver que c est bien une différence de température qui est à l origine de la différence de vitesse des ondes sismiques observée au niveau de la fosse des îles Tonga. Enregistrer des ondes sismiques Ressources Exemple d enregistrements obtenus sur une roche Il est possible en laboratoire d enregistrer et de visualiser des ondes sismiques. Pour cela il suffit de placer sur une barre de roches 2 capteurs reliés à un logiciel et d effectuer un coup fort sur le matériau, cela crée une onde sismique. Chaque capteur va enregistrer l onde sismique au moment de son passage sous le capteur. (voir enregistrement ci-contre) Etape 1 : Concevoir une stratégie pour résoudre une situation problème (durée maximale : 1 minutes) Proposer une stratégie de résolution réaliste permettant de vérifier que les ondes sismiques ne se propagent à la même vitesse selon la température du matériau traversé. Ecrire votre proposition sur votre fiche-réponse (= copie-double). Appeler l examinateur pour obtenir la suite du sujet. C. Martin, LEC Page
4 Fiche sujet candidat (2/2) Etape 2 : Mettre en œuvre un protocole de résolution pour obtenir des résultats exploitables Mettre en œuvre le protocole d enregistrement des ondes sismiques afin de déterminer la vitesse des ondes sismiques dans la barre rocheuse à votre disposition. Appeler l examinateur pour vérifier le résultat et éventuellement obtenir une aide. Etape : Présenter les résultats pour les communiquer Sous la forme de votre choix présenter et traiter les données brutes pour qu'elles apportent les informations nécessaires à la résolution du problème. Vous tiendrez compte des résultats des autres groupes. Répondre sur la fiche-réponse candidat, appeler l'examinateur pour vérification de votre production. Etape 4 : Exploiter les résultats obtenus pour répondre au problème Exploiter les résultats afin de répondre à votre objectif. Répondre sur la fiche-réponse candidat. C. Martin, LEC Page 4
5 Matériel disponible et protocole d'utilisation du matériel Matériel - Logiciel audacity. - 2 capteurs piézo électriques (sensibles aux vibrations) et capables d enregistrer les ondes de compression produites par l impact d un marteau sur un matériau. - 2 élastiques - 2 plaques de mousse - 1 marteau - Une barre de matériau (Granite, basalte, bois ) à 2 températures différentes -> Voir matériel paillasse - Une grande règle - Fiche Technique : audacity Le logiciel Audacity permet d enregistrer le passage du train d ondes par le premier puis par le 2 ème capteur relié à l ordinateur, et de déterminer ainsi le temps de parcours de l onde entre les 2 capteurs. Fiche-protocole - candidat Afin de calculer la vitesse des ondes sismiques dans votre matériau froid vous devez : Préparer la mesure : Placer le barreau de matériau sur 2 plaques de mousse ; Placer les deux capteurs aux extrémités sur la barre de matériau en les maintenant avec des élastiques sur la face la plus lisse (cf. schéma) puis vérifier que le câble est connecté à l entrée son de l ordinateur (carte son) ; Paramétrer le logiciel audacity : - Dans le menu Edition > Préférences : s'assurer que le périphérique d'enregistrement est reconnu. Sélectionner«Stéréo» dans le menu Canaux - Dans l'interface s'assurer que le volume du micro est bien ouvert. - - Augmenter l'échantillonnage à 96 (1 échantillon = 1/96 seconde) - Choisir l'affichage de la Durée en échantillons. Réaliser la mesure : Lancer l enregistrement (voir FT logiciel audacity). Il s agit exactement du même type d enregistrement que si vous enregistriez un son avec le logiciel. Exercer un coup sec sur votre échantillon. Calculer alors la vitesse de l onde sismique (voir doc annexe) Refaire la même expérience pour le même matériau mais à température ambiante. Appeler l examinateur à la fin de la manipulation pour vérification Sécurité : RAS Précautions de la manipulation : Les capteurs sont fragiles, ils sont à manipuler avec précaution. C. Martin, LEC Page 5
6 Document annexe pour calculer la vitesse des ondes sismiques Voici le type d enregistrement obtenu : Détermination de la vitesse Pour mesurer l'écart entre l'arrivée de l'onde à chacun des capteurs. Pour visualiser l'enregistrement avec plus de détails utiliser l'option "loupe" du menu Prendre l'outil de Sélection et sélectionner la partie de l'enregistrement entre le début du signal sur le premier capteur et le début du signal sur le second capteur Pour avoir des informations sur la sélection, en bas de l'écran : Choisir Durée Le logiciel donne la durée de la sélection, en échantillons. Sachant que l'échantillonnage était de 96, c'est à dire qu'il y a 96 échantillons par seconde, convertir la durée de la sélection en secondes. Connaissant la distance qui sépare les deux capteurs, calculer la vitesse de l'onde et convertir en m.s -1 C. Martin, LEC Page 6
7 Doc secours atelier 1 C. Martin, LEC Page 7
8 Doc secours atelier 2 : Doc 2 p14 C. Martin, LEC Page 8
9 Matériel TP 1S Fosse océanique et vitesse des ondes sismiques en fonction de la température Prévoir 9 postes : - Logiciel tectoglob - Logiciel audacity - Tout le matériel pour mesurer la vitesse des ondes sismiques : Règle Blocs de mousse Elastique Capteurs piezométriques branchés Barre rocheuse à température ambiante : prévoir 1 barre pour chaque poste 9 barres (granite, calcaire, basalte ) Même barre rocheuse au frigo / congélateur : prévoir 2 barres identiques à celles à température ambiante (2 granites, 2 calcaires, 2 basaltes ) Marteau C. Martin, LEC Page 9
10 Evaluation TP 5 Atelier 1 : les éléments correctement réalisés sont surlignés. Etape 2 : Mettre en œuvre un protocole de résolution pour obtenir des résultats exploitables Etape : Présenter les résultats pour les communiquer Etape 4 : Exploiter les résultats obtenus pour répondre au problème Mise en œuvre du protocole : maitrise du matériel, respect des consignes et gestion correcte du poste de travail. Seules aides majeures : - L'examinateur réalise le geste à la place du candidat - L'examinateur intervient pour imposer au candidat les conditions de travail et les règles de sécurité. Le rangement du poste de travail est comptabilisé comme une aide mineure. Toutes les autres aides doivent être considérées comme mineures. La production est : - techniquement correcte : capture d écran du logiciel tectoglob montrant, au niveau de la fosse du Japon, une répartition des profondeurs des foyers sismiques selon un plan incliné.. - bien renseignée : Titre qui indique ce qui est représenté (répartition de la profondeur des foyers sismiques au niveau de la fosse du Japon) + avec quel moyen (obtenue avec le logiciel tectoglob) - bien organisée : Plan de Wadati Benioff tracé - l'ensemble des résultats est exploité (= je vois) : les foyers sismiques au niveau des fosses se répartissent selon un plan incliné, certains foyers sont présents dans des zones du manteau profondes (plus de 1 km) - les notions (issues des ressources et de la mise en situation) sont intégrées (= je sais) : A des profondeurs de 1 km le manteau se situe aux alentours de 1 C et a un comportement ductile, il ne devrait pas casser et il ne devrait donc pas y avoir des foyers sismqiues à cette profondeur. - la réponse au problème posé est explicative et cohérente (= je conclus) : Le plan de Wadati Benioff montre qu un matériau plus froid et donc plus cassant (la lithosphère) plonge dans un matériau plus chaud et ductile (l asthénosphère) C. Martin, LEC Page 1
11 Evaluation TP 5 Atelier 2 : les éléments correctement réalisés sont surlignés. Etape 1 : Concevoir une stratégie réaliste pour résoudre une situation problème Etape 2 : Mettre en œuvre un protocole de résolution pour obtenir des résultats exploitables Etape : Présenter les résultats pour les communiquer Etape 4 : Exploiter les résultats obtenus pour répondre au problème Stratégie réaliste et cohérente. Il est précisé : - ce que vous faites : on compare la vitesse des ondes sismiques dans un même matériau à 2 températures différentes. - comment vous le faites : même matériau pour les 2 enregistrements mais à des températures différentes, sismogramme obtenu grâce à des capteurs sismiques situés à chaque extrémité du matériau dont on mesure l écart, on note l heure d arrivée des ondes sur chaque capteur et on en déduit la vitesse. - ce que vous attendez : les vitesses des ondes sismiques seront différentes selon la température du matériau. Mise en œuvre du protocole : maitrise du matériel, respect des consignes et gestion correcte du poste de travail. Seules aides majeures : - L'examinateur réalise le geste à la place du candidat - L'examinateur intervient pour imposer au candidat les conditions de travail et les règles de sécurité. Le rangement du poste de travail est comptabilisé comme une aide mineure. Toutes les autres aides doivent être considérées comme mineures. La production est : - techniquement correcte : capture d écran du logiciel audacity montrant le début d arrivée des ondes dans le matériau à 2 températures différentes. - bien renseignée : Titre qui indique la température et la nature du matériau, repérage des temps d arrivée d ondes au niveau de chaque capteur, délai indiqué entre le temps d arrivée entre les 2 capteurs. - bien organisée : calcul de la vitesse des ondes sismiques expliqué, exprimée en m/s - l'ensemble des résultats est exploité (= je vois) : les valeurs de la vitesse des ondes sismiques dans le matériau aux 2 températures sont données dans la même unité et comparées. - les notions (issues des ressources et de la mise en situation) sont intégrées (= je sais) : Les scientifiques ont expliqué la différence de vitesse des ondes sismiques au niveau des fosses océaniques par des différences de température au sein du même matériau. - la réponse au problème posé est explicative et cohérente (= je conclus) : Les ondes sismiques se propagent plus lentement dans un matériau chaud que dans le même matériau froid. L explication qu ont donné les scientifiques sur les différences de vitesse au niveau des fosses sismiques est cohérente C. Martin, LEC Page 11
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