ACTIVITE 2 / La structure interne de la Terre.

 


 

Objectif :    Modélisation de la structure interne du globe terrestre grâce à des logiciels de simulation de la propagation des ondes sismiques.

Pré Requis :
-          Les ondes P se propagent dans les solides, les liquides et les gaz. Leur célérité augmente avec la densité et la rigidité des roches traversées : Cp dans solide  >  Cp dans liquide (voir activité 6)
-           Les changements de trajectoire correspondent à des changements de célérité qui sont dus à de brusques changements de densité, à des roches de nature différente  ou d’état, milieu solide, visqueux ou liquide : cf. documents 1, 2 et 3.
-          Les ondes S ne se propagent qu’en milieu solide.

Principe de la modélisation : on enregistre les temps d’arrivée des ondes P à différentes stations et on construit un modèle en imaginant un trajet des rais sismiques qui rend compte des temps d’arrivée et des vitesses calculées en fonction de la profondeur ( courbe de célérité/profondeur )

Réciproquement, la courbe de célérité permet de préciser les trajets des rais sismiques en profondeur.

Le modèle est testé pour voir s’il rend bien compte de l’ensemble des observations ( temps d’arrivée, zones d’ombre ).

Remarque : la difficulté est de bien faire comprendre qu’il ne faut pas découvrir la réalité à partir du modèle, mais  partir des observations ( temps d’arrivée des ondes, zones d’ombre ) pour construire le modèle. Ce dernier ne sera bon que s’il rend compte de l’ensemble des observations.

Problème posé à partir de l’analyse de données mettant en évidence la variation de vitesse des ondes sismiques avec la profondeur, l’existence d’une zone d’ombre entre 103° et 143° à partir de l’épicentre dans chacun des hémisphères et l’arrêt de transmission des ondes S à 2900km (documents 1 et 2,  par exemple)

Matériel nécessaire :

-          logiciel « ondes P »  de J.F. MADRE (serveur académie d’AMIENS)
-          logiciel Sismolog 5
-          logiciel « Sismique réfraction » de J.F. MADRE (serveur académie d’AMIENS)
-
    logiciel « Sismique réflexion » de J.F. MADRE (serveur académie d’AMIENS)

Document 1

Si la célérité est constante, les rais sismiques sont des lignes droites. Lorsque la célérité change brusquement, le rai sismique est dévié, tout comme de: rayons lumineux, suivant les lois de la réfraction (lois de Descartes, étudiées en classe de Seconde en Sciences Physiques)

Document 2

Document 3

Si la célérité varie régulièrement, les rais sismiques sont incurvés.

La célérité des ondes sismiques à une profondeur donnée dépend de la nature de la roche et des conditions physiques (pression et température) qui règnent à ces niveaux.

Les variations lentes et continues de célérité sont dues aux élévations progressives de pression et de température. Les variations brusques sont dues à de brusques changements de composition de la roche (ou à un changement d’état).

 

Protocole à mettre en œuvre  avec le logiciel « Ondes P »

Objectifs visés

Logiciel utilisé / principe

Mode opératoire

Observations

Mise en évidence :

- du milieu homogène de surface

- de l’augmentation progressive de la densité des roches du manteau

- du changement de densité manteau noyau

Logiciel ondes P : permet de réaliser des tracés d’ondes (rais sismiques) avec possibilité de faire varier le nombre de tracés et leur angle limite.

Cliquer sur

·        paramètres : deux fenêtres s'ouvrent - choisir  

- nombre de tracés : environ 40 

- angle limite des tracés : 45°

·        modèle – choix usuel

tracer – rais sismiques

autre proposition en page 6

- trajets rectilignes de surface traduisant un milieu homogène

- trajets courbes dans le manteau mettant en évidence l’augmentation progressive de la densité des roches avec la profondeur

- trajets déviés à la limite manteau/noyau traduisant changement milieu

Mise en évidence de la zone d’ombre et détermination du rayon et de la profondeur du noyau

Logiciel ondes P :

Utilisé comme ci-dessus avec un plus grand nombre de tracés

(cf. document 4)

Comme ci-dessus  puis Cliquer sur :

·        tracer – cercle.

Pour agrandir le cercle cliquer en dehors du cercle et tirer le curseur vers l'extérieur ;  pour diminuer le rayon, ramener le curseur vers le centre

autre proposition en page 6

- Zone d’ombre identique quel que soit le choix

- Noyau à 2900km de profondeur et de 3480km de rayon

- Détermination des valeurs angulaires limites de la zone d’ombre

Les principales discontinuités du globe terrestre et les enveloppes concentriques successives 

Logiciel ondes P 

Utilisé en construction graphique

Cliquer sur

·        modèle – choix usuel

afficher

autre proposition en page 8

Graphique permettant de retrouver les variations de vitesse et de trajectoire des ondes P en fonction de la profondeur: mise en évidence des principales discontinuités.

 

Rq : autres propositions de l’auteur du logiciel : densité du globe terrestre, accélération de la pesanteur, constante de la gravité, masse et densité du globe, détermination de la nature chimique des matériaux composant le manteau et le noyau.

Un exemple de résultats

·        Modele Usuel

   

·        Exemple de modèle obtenu à partir des vitesses des ondes P choisies en fonction de la profondeur

       

 

Protocole à mettre en œuvre  avec le logiciel « Ondes P 2 »

Objectif visé : Comprendre l’intérêt de l’utilisation des ondes sismiques P générées lors d’un séisme dans la mise en évidence de certaines discontinuités internes du globe

L’utilisation du logiciel  peut se faire rapidement en utilisant un modèle préétabli : en faisant « Tracer puis rais sismiques », une simulation se développe en tenant compte d’un nombre de tracés de rais modifiable (commande « Paramètres »). Il est alors possible par les commandes « Tracer puis cercle » de faire apparaître un cercle dont le diamètre est ajustable à la souris. Il s’agit ensuite de faire coïncider celui-ci au niveau des rais des ondes réfractées simulées pour faire apparaître la discontinuité manteau-noyau dont on peut évaluer la profondeur. Entre le rai qui effleure le noyau et le suivant qui pénètre ce dernier et qui sera réfracté, une zone d’ombre va apparaître. Par la commande « Temps » et en positionnant la souris à l’extrémité du rai, il est possible d’évaluer les valeurs angulaires caractéristiques de cette zone d’ombre.

En disposant de plus de renseignements, il est aussi possible de valider un modèle par la commande « Modèle puis Entrer un modèle ».

Autres propositions de l’auteur :densité du globe terrestre, accélération de la pesanteur, constante de la gravité, masse et densité du globe, détermination de la nature chimique des matériaux composant le noyau et le manteau

                            Logiciel conçu par J.F. Madre,, groupe Evariste, Diten B2, CNAM

 

 

Protocole à mettre en œuvre  avec le logiciel « Sismolog 5 »

Objectifs visés

Logiciel utilisé

Mode opératoire

Observations

Modèle de la planète Terre

Logiciel

Sismolog 5

Choisir Modèle. Un disque représentant le globe terrestre apparaît.

Cliquer sur <Options> puis cocher :
Ondes P
Ondes S
Réfractées
Pas à pas
Cliquer sur <Valider>
Cliquer sur <Modèle>, puis cocher :

¤ Modèle vrai                      

le schéma des enveloppes terrestres s’affiche. La croûte, très fine, apparaît en gris.

Cliquer sur <Rais>

Sous le modèle de la Terre s’affiche (à droite) le graphique de la célérité des ondes P (en vert) et des ondes S (en jaune) en fonction de la profondeur.

Au clavier, actionner la flèche à : on voit s’afficher :

- d’une part un curseur vertical sur le graphique du bas (permettant de repérer la profondeur)

- d’autre part les rais sismiques (ondes P, en vert).

Arrivé à la fin du graphique, continuer d’actionner la flèche. On voit s’afficher les rais sismiques correspondant aux deux types d’ondes (P, en vert, S, en jaune).

Modèle de l’organisation interne de la planète Terre en vis à vis des graphiques de célérité des ondes P et S en fonction de la profondeur

 

Protocole à mettre en œuvre  avec le logiciel « Sismique réfraction »

 Objectif visé : Comprendre l’intérêt de l’utilisation des ondes sismiques provoquées artificiellement dans la mise en évidence des discontinuités internes de la croûte 

L’utilisation du logiciel  est simple : en faisant « trace », une mise à feu se déclenche, des trains d’ondes se manifestent et les rais sismiques se matérialisent. Les temps d’arrivées aux sismographes sont mentionnés.

 Les surfaces réfléchissantes ou discontinuités agissent sur ces ondes car elles séparent deux milieux aux propriétés différentes (vitesses de propagation). La loi qui détermine la réfraction des rais sismiques est comparable à celle des rayons lumineux d’où l’équation :

 sin r = V2/V1 x sin i.

Un rai horizontal témoigne d’une onde directe (Pg), les autres tracés jaunes représentent les rais réfractés et réfléchis. En rouge s’affiche un rai issu d’une onde (Pn) frappant la surface de discontinuité selon un angle incident de 45°. Il est aussi à l’origine d’un rai réfléchi et d’un rai réfracté particulier.

Facteurs variables : nombre de tracés – nombre de couches – célérité des ondes.

Travail pratique après impression : vérifier la propagation multidirectionnelle des trains d’ondes, mesurer les valeurs angulaires incidentes et réfractées et calculer les vitesses de propagations, déterminer pourquoi le rayon réfracté « rouge » est parallèle à la surface de discontinuité (voir la formule)…

                            Logiciel conçu par J.F. Madre,, groupe Evariste, Diten B2, CNAM

                        Renseignements dans http://www.ac-toulouse.fr/svt/2logithe.html

Protocole à mettre en œuvre  avec le logiciel « Sismique réflexion »

L’utilisation du logiciel  est simple : en faisant « trace », une mise à feu se déclenche, des trains d’ondes se manifestent et les rais sismiques se matérialisent.

Les surfaces réfléchissantes ou discontinuités agissent sur ces ondes car elles séparent deux milieux aux propriétés différentes (vitesses de propagations).

Facteurs variables : nombre de tracés – nombre de réflecteurs – célérité des ondes.

Travail pratique après impression : vérifier la propagation multidirectionnelle des trains d’ondes, limiter le nombre de niveaux et faire calculer la vitesse de propagation proportionnelle à la masse volumique des niveaux …

 

 

Académie de TOULOUSE :
Contribution du lycée MICHELET de LANNEMEZAN,
du lycée Bagatelle de St-GAUDENS et des lycées Ozenne et St-Sernin de TOULOUSE