Relier expérimentalement la vitesse de propagation des ondes sismiques à la présence de roches réservoirs.

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1 Relier expérimentalement la vitesse de propagation des ondes sismiques à la présence de roches réservoirs. Niveaux : quatrième, troisième, seconde et première S. Matériel : 2 capteurs piézométriques, Logiciel (gratuit) Audacity et aide technique (mesure du temps séparant l enregistrement de la première vibration de chaque capteur ; amplification des résultats) voir fiche d aide. Un ordinateur muni d une entrée ligne (fiche bleue de la carte son de l ordinateur. Attention, une grande majorité des portables nécessite une carte son externe pour disposer de l entrée ligne). Deux barres de roches ou autres matériaux (métal, bois ). Une éponge épaisse (à défaut 2 éponges) fortement imprégnée d un liquide visqueux modélisant le pétrole et enfermée dans un sac plastique pour congélation ; du savon liquide est utilisé ici. Un maillet caoutchouc (ou marteau avec pâte à modeler/pâte adhésive sur la zone de frappe). Connaissances concernées : Quatrième : approfondir les connaissances liées à l étude des séismes (en particulier la notion d ondes sismiques) et de la tectonique des plaques dans le cadre d un club/ atelier scientifique ou I.D.D. Objectifs éducatifs et thèmes de convergence : Homme et énergie, Homme et Développement Durable. Programme de troisième : partie Responsabilité humaine en matière de santé et d environnement. Les ressources en énergies fossiles et énergies renouvelables. Les énergies fossiles (charbon, pétrole, gaz naturel) extraites du sous-sol, stockées en quantité finie et non renouvelables à l échelle humaine, sont comparées aux énergies renouvelables, notamment solaire, éolienne, hydraulique. Les impacts de ces différentes sources d énergie sur l émission des gaz à effets de serre sont comparés. Programme de seconde : Thème 2 Enjeux planétaires contemporains : énergie, sol. Le soleil : une source d énergie essentielle. La répartition des gisements de combustibles fossiles montre que transformation et conservation de la matière organique se déroulent dans des circonstances géologiques bien particulières. La connaissance de ces mécanismes permet de découvrir les gisements et de les exploiter par des méthodes adaptées. Cette exploitation a des implications économiques et environnementales.

2 Programme de première S : Thème 2 Enjeux planétaires contemporains. Thème 2 A Tectonique des plaques et géologie appliquée. Tectonique des plaques et recherche d hydrocarbures. Le modèle de la tectonique des plaques constitue un cadre intellectuel utile pour rechercher des gisements pétroliers. À partir de l étude d un exemple on montre que la tectonique globale peut rendre compte : - d un positionnement géographique du bassin favorable au dépôt d une matière organique abondante et à sa conservation ; - d une tectonique en cours de dépôt (subsidence) et après le dépôt qui permettent l enfouissement et la transformation de la matière organique puis la mise en place du gisement. La rare coïncidence de toutes ces conditions nécessaires explique la rareté des gisements dans l espace et le temps. Capacités et attitudes déclinées dans une situation d apprentissage : Quatrième : participer à la conception et la mise en œuvre d un protocole pour modéliser le trajet des ondes sismiques dans la Terre ; percevoir la différence entre réalité et simulation (modélisation) afin de réfléchir à la validité du modèle de propagation des ondes. Développer l esprit critique. Troisième : intégrer l usage des technologies de l information et de la communication dans une production exploitable collectivement. Se forger un jugement sur des questions de société. Développer l esprit critique. Seconde : modéliser pour comprendre les caractéristiques d un gisement de combustible fossile (structure, formation, découverte, exploitation). Etre conscient de sa responsabilité face à l environnement. Manifester de l intérêt pour les grands enjeux de la société. Première S : découvrir la morphologie et la structure des marges passives à partir des profils de sismique réflexion. Etre conscient de sa responsabilité face à l environnement. Manifester de l intérêt pour les grands enjeux de la société. Exemples d éléments du Socle commun pouvant être concernés : Compétence 3 : Réaliser, manipuler, mesurer, calculer, appliquer des consignes : suivre un protocole, effectuer une mesure, effectuer un calcul. Raisonner, argumenter, pratiquer une démarche expérimentale ou technologique : faire des essais (choisir, adapter une méthode, un protocole), confronter le résultat au résultat attendu, mettre en relation. Compétence 4 : Domaine 1 : je sais accéder aux logiciels et aux documents disponibles à partir de mon espace de travail (C.1.2). Domaine 2 : je mets mes compétences informatiques au service d une production collective (C.2.7).

3 L activité : C est une adaptation de l activité «A la recherche des hydrocarbures» proposée sur le site S.V.T. de l académie de Montpellier ( qui propose initialement de localiser une roche réservoir par sismique réflexion en utilisant un modèle horizontal, qui pourrait poser obstacle à la compréhension du phénomène de sismique réflexion par l élève. Dans cette adaptation, le sol de la salle de classe va servir de réflecteur à nos deux barres placées dans le plan vertical. Cependant, il faut veiller à travailler sur un sol au revêtement rigide et éviter de transmettre au sol des vibrations parasites lors de l expérience. Dans ces conditions, les résultats obtenus lors des différents tests sont très proches et peuvent donc être exploités. Il est nécessaire d utiliser un maillet en caoutchouc (ou autre) qui lors du choc sur la première barre n engendre pas de vibrations sonores significatives faussant les tests. Dans le souci de faciliter la compréhension du modèle par l élève, il faudrait dans l absolu disposer de deux barres de roche (ou autres matériaux) de nature identique. Ce n est pas toujours le cas (comme dans ce protocole, selon les ressources du laboratoire ), mais dans la réalité, les appareils de mesure (géophones) peuvent être disposés sur des terrains de nature rocheuse différente. Objectif : modéliser la localisation d une roche réservoir. Principe de la sismique réflexion : Wikimedia commons - Free Software Foundation Le traitement des données ainsi recueillies permet d obtenir une image tridimensionnelle du soussol. Premier enregistrement : Les deux barres sont en contact avec le sol. L impact au niveau du premier capteur C1 engendre des ondes qui permettent de calculer leur vitesse de propagation entre les deux capteurs C1 et C2.

4 Le montage : Zone de frappe Capteur piézométrique C1 Capteur piézométrique C2 Barre de marbre Barre de métal Résultat : Traitement du résultat : voir fiche aide Audacity.

5 Temps (t) de propagation des ondes entre C1 et C2 : 0,590 ms Distance (d) séparant C1 et C2 : 70 (barre de granite) + 80 (barre de métal) + 5 (distance entre les deux barres) = 155 cm. Vitesse v = d/t = / = 2.63 km/s Deuxième enregistrement : La barre de marbre repose sur deux éponges fortement imprégnées de savon liquide et enfermées dans un sac plastique pour congélation. Le montage : Détail de la zone de soutien : le polystyrène extrudé permet de maintenir la barre en équilibre et évite la propagation d ondes parasites via la table. Détail de la zone de contact : le poids important de la barre nécessite deux éponges. On voit nettement la saturation en savon liquide.

6 Résultat : Traitement du résultat : voir fiche aide Audacity. Le signal est nettement diminué au niveau du second capteur : il est nécessaire d amplifier le résultat. Temps (t) de propagation des ondes entre C1 et C2 : 1,281 ms. Distance (d) séparant C1 et C2 : 70 (barre de granite) + 80 (barre de métal) + 5 (distance entre les deux barres) + 3 (épaisseur des éponges) = 158 cm. Vitesse v = d/t = / = 1.23 km/s Conclusion : On note un retard des ondes par rapport au premier enregistrement. Cette anomalie peut donc signifier la présence de roches réservoirs. Une piste d exploitation pédagogique : Document d appel : un texte présentant la part importante de la région Champagne-Ardenne dans la production nationale + illustrations des champs pétrolifères régionaux. Proposition de texte : «L épuisement annoncé et l augmentation constante du cours/ prix des hydrocarbures imposent la diversification et la valorisation des énergies renouvelables. Cependant, l énergie fossile, en particulier le pétrole, reste une source majeure d approvisionnement énergétique. Dans cette optique, notre région joue un rôle de tout premier ordre. En 2008, la production était de tonnes produites principalement dans les départements de la Marne et l Aube, soit 20% de la production nationale.

7 Villeperdue constitue un gisement pétrolier majeur du bassin de Paris, et sa découverte en 1982 dans le Dogger a contribué à relancer la prospection dans le bassin, et notamment dans notre région. Actuellement, on dénombre 11 concessions et 8 permis exclusifs de recherche en Champagne- Ardenne, avec une perspective d exploitation de plusieurs décennies. Les deux principales roche-mères sont les formations du Toarcien et de l Hettangien (Jurassique inférieur). Les réservoirs de pétrole sont situés soit au-dessus, dans le Dogger (Jurassique moyen), soit en dessous dans le Trias supérieur (Keuper).» Documents : Concessions champardennaises et productions de pétrole brut en Source : DREAL Etat de la prévention des risques technologiques en Champagne-Ardenne Edition 2009 Bilan

8 1 Villeperdue 2 Saint-Martin De Bossenay Document sur la localisation des gisements du bassin de Paris Source : ministère de l écologie, du développement durable, des transports et du logement - Document sur la position stratigraphique des roches mères et des réservoirs du bassin de Paris Source :

9 Formulation collective d un problème en relation avec les documents proposés : «comment localiser les roches réservoirs à hydrocarbures (prospection)? Etude des notions de roche-mère et de roche-réservoir à l aide de la lithothèque académique : Profondeur des roches réservoir à hydrocarbures. La prospection pétrolière doit donc disposer d une méthode indirecte fiable pour localiser des roches réservoir avant tout forage. Acquis des élèves (quatrième : l activité interne du globe : ondes sismiques, mise en évidence de la discontinuité lithosphère/asthénosphère ; troisième : les ressources en énergies fossiles et énergies renouvelables). Document sur méthode sismologique de prospection pétrolière. Modélisation de la réflexion sismique. ACTIVITE «Relier expérimentalement la vitesse de propagation des ondes sismiques à la présence de roches réservoirs». Les objectifs de connaissances, de capacités et d attitudes peuvent alors être développées avantageusement en utilisant les pistes d exploitation pédagogique de la lithothèque académique : On peut également envisager l exploitation du logiciel GeoMapApp (étude de marge passive, étendre à une échelle globale pour mieux envisager les ressources d hydrocarbures dans l espace et dans le temps : lien avec la tectonique des plaques et dérive des continents). Geoffroy.Billy@ac-reims.fr