Sismologie : Modèles, expériences, logiciels
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Sismologie : Modèles, expériences, logiciels
François Tilquin
Institut français de l'éducation
19 allée de Fontenay
Lyon
69007
Tel: 04 26 73 12 27
<francois.tilquin@ac-grenoble.fr>
Publié par
Gérard Vidal
ENS de LyonCopyright © 2012-10-18
Ce livret est mis à disposition selon les termes de la Licence Creative Commons Attribution - Pas d’Utilisation
Commerciale - Partage à l'identique 4.0 International
Cet article présente différentes maquettes (tables vibrantes, patin tracté), expériences, utilisation de logiciels "Sismo-logic", "Azimut", "Mécanisme au foyer", permettant de comprendre la sismologie.
Table des matières
- Sismologie : Modèles, expériences, logiciels
- 1. Le patin tracté : montage 1
- 2. Le patin tracté : montage 2
- 3. Le patin tracté (1)
- 4. Le patin tracté (2)
- 5. Le patin tracté : Traitement des données
- 6. Expérience du patin tracté.
- 7. Traitement des données
- 8. Traitement des données : la courbe en escalier
- 9. Résultats du traitement énergie-temps séparant deux mouvements
- 10. Dispositif expérimental
- 11. Dispositif expérimental
- 12. Table vibrante manuelle (Nov 2012)
- 13. Matériel permettant de faire plusieurs expériencesde sismologie pour moins de 15€
- 14. Première table vibrante pédagogique (Science on stage, Genève nov. 2005)
- 15. Table vibrante 3 composantes (2010)
- 16. Table réalisée avec du vieux matériel audio
- 17. Table vibrante (1)
- 18. Table vibrante (2)
- 19. Lames vibrantes en carton
- 20. Règle musicale et résonance
- 21. Effondrement du bâtiment non contreventé
- 22. Contreventement triangulé.
- 23. Fondations roulantes
- 24. Liquéfaction du sol
- 25. Résonance du sol
- 26. Masse placée au sommet pour augmenter l'inertie
- 27. Accéléromètres de poche
- 28. Batiments parasismiques (1)
- 29. Batiments parasismiques (2)
- 30. Premier mouvement du sol : dépression temporaire (Samoa)
- 31. Perpendicularité des ondes P et S (pointés de la première arche)
- 32. Azimuts et mouvement du sol en compression : Japon (première arche)
- 33. Détermination de l'épicentre avec 3 azimuts moyens des ondes P sur 10s (Séisme du Japon)
- 34. Perpendicularité des ondes P et S (extrémités des vecteurs sur quelques secondes)
- 35. Ondes de Love : ondes S horizontales et perpendiculaires à l'azimut
- 36. Ellipticité des ondes de Rayleigh (Ondes PO perpendiculaires à la surface et azimutales)
- 37. Acquisition d'une trace à partir d'un accélorèmetre USB
- 38. Simulation de fractures de roches
- 39. Fragilité-ductilité de la maïzena
- 40. Les Films associés
Sismologie : Modèles, expériences, logiciels
Table des matières
Le patin tracté
Mise en oeuvre des expériences stick-slip classiques en géologie
La récurrence des séismes dans une même région et le long des mêmes systèmes de failles pose le problème de la périodicité des mouvements sismiques et de leur déclenchement. Ceci peut induire une idée fausse : "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.
Copyright : 2012 François Tilquin
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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 ensuite 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.
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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.
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Traitement des données saisies sous Audacity et converties automatiquement en données Excel
Télécharger le logiciel Sismo-logic (auto-installation en c:/tilquin/cle_sismo-logic) 21 Mo
Le logiciel libre
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
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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.
Copyright : 2012 François Tilquin Cette illustration est mise à disposition selon les termes de la Licence Creative Commons
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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.
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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.
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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.
Liens
http://www.ac-grenoble.fr/webcurie/sismo/L'installation d'études des séismes du Lycée Marie Curie d'Echirolles
http://www.ac-grenoble.fr/webcurie/bio/seismes/Séismes et constructions humaines
Patin_tracte.doc (1.8 Mo) document pour le traitement des données du patin tracté.
Sismo-box (download softwares) (in english).
Sismo-box (documentation) (in english).
Modèle illustrant les mécanismes au foyer des failles
Principe de l'expérience
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.
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En utilisant un moteur pas à pas, deux patins en béton cellulaire (dont un est alourdi) sont placés l'un sur l'autre.
Ils sont reliés tous deux à deux ressorts, dont un est tracté par un moteur pas à pas.
Le patin inférieur est posé sur des rouleaux. La contrainte s'accumule, puis à la rupture le patin supérieur suit le mouvement initial tandis que le patin inférieur recule provoquant donc une compression en sens inverse.
L'ensemble permet de montrer la représentation des contraintes compression dilatations. On obtiendrait la même représentation de la sphère des contraintes si la cassure était perpendiculaire avec et que le bloc de gauche parte vers le haut et celui de droite vers le bas.
Logiciel "Mécanisme au foyer"
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Télécharger le logiciel mecanisme_foyer.exe (3 Mo) qui s’installe en c:/tilquin/meca_foyer et se lance automatiquement.
Il est très simple et destiné à illustrer le mode de représentation des mouvements des failles et l'ambiguïté existante concernant la direction du plan de faille.
Tables vibrantes
Tables vibrantes pédagogiques manuelle, asservies, 1D, 3D
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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. On peut remplacer avantageusement le système manuel par une visseuse à vitesse variable bon marché (moins de 15 Euros) et une came permettant de changer l'amplitude en éloignant le bras en plastique de la visseuse le long de la came.
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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…)
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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 ressort peut simuler un bâtiment et permet de visualiser les torsions et les ondes se propageant à l'intérieur.
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Un amplificateur et de vieilles baffles, permettent de constituer une table vibrante 2D. Le logiciel Audacity envoie les données. La trace sismique est accélérée pour que la fréquence puisse passer par la carte son.
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Vidéos
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Expériences principales réalisées avec ces tables vibrantes (Science on stage 2005)
Gilles Baudrant
Jean-François Le Bourhis
Abel Dubois
Alysson Hoang
Cathy Labonne
François Tilquin
Présentation
Ces expériences sont nées d'un TPE, au cours duquel les manipulations et les matériels des laboratoires de sismologie ont été adaptés au matériel présents dans les lycées.
Les bâtiments et systèmes parasismiques sont construits avec du carton, du polystyrène et polypropylène.
Les expériences consistent à envoyer à la table vibrante une trace sismique extraite du logiciel Sismolog, grâce à une interface numérique–analogique et un logiciel adapté, puis d'observer le comportement des bâtiments en carton en fonction de leur solidité, et de la magnitude. Une modélisation avec lames vibrantes et signal sinusoïdal suit les observations initiales afin de comprendre le phénomène de résonance.
On en déduit la nécessité d'une bonne connaissance des risques et l'efficacité des solutions parasismiques classiques (contreventement, chaînage, fondation mobiles, amortisseurs)
Expériences
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Problème de résonance en fonction de la taille, à différentes fréquences
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On met en résonance une règle qui dépasse plus ou moins et on enregistre le son produit, puis on en fait la transformée de Fourier
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Les murs porteurs sont parallèles et fixés avec une seule épingle dans les étages.
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Le bâtiment reste debout. Sa forme est préservée, et il faut légèrement l'alourdir au somment
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Les fondations sont constituées de gorges dans lesquelles roulent des barres. Il faut éviter les fréquences où les barres résonnent (pendules inversé)
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Le bâtiment est alourdi et réduit à une structure de base dans un sol sableux mouillé et hétérogène
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C'est l'effet de site. Les lames en plastique souple relient 2 plaques de polystyrène: en bas le socle qui vibre et en haut le sommet des alluvions. Le tout résonne
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On peut également attacher la masse entre deux élastiques. Par inertie, elle a tendance à ne pas bouger et tirer le bâtiment dans l'autre sens par les élastiques
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De petites masses de plexiglas de hauteur variables et posées sur les étages tombent si l'accélération dépasse une certaine valeur pendant un temps suffisant.
Vidéos
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Conclusions
Ces expériences très faciles à réaliser, en particulier avec le modèle "visseuse", permettent de comprendre les principaux problèmes auxquels sont confrontés les bâtiments au cours d'un séisme, et les principales techniques de constructions parasismiques: fondations, murs porteurs, amortisseurs, contreventement, résonance, liquéfaction du sol.
Une bonne solution consiste à demander aux élèves de construire des bâtiments dont ils éprouvent la solidité sur les tables vibrantes.
Liens
http://www.ac-grenoble.fr/webcurie/bio/seismes Séismes et constructions humaines
Etude expérimentale grâce à un modèle asservi par ordinateur, de l’impact des séismes sur les constructions humaines (Fichier .doc 8 Mo).
Le logiciel "Azimut"
Azimut : principe et utilisation
Le logiciel Azimut est un logiciel 3D, permettant de tracer le vecteur vitesse de la station à partir des 3 composantes enregistrées par le capteur. Il permet également d'enregistrer et de matérialiser les mouvements du capteur sismique-USB 3D de table. Associé à 1-3 interfaces Power-Cassy de Leybold interconnectées, le logiciel peut animer une table vibrante sismique 1D-3D.
Il s'agira à partir des enregistrements d'une ou de plusieurs stations du réseau SISMOS à l'Ecole- O3E de matérialiser les mouvements du sol soumis aux ondes sismiques P, S et L par des vecteurs 3D, puis de déterminer l'azimut et éventuellement de remonter à l'épicentre. Les premiers mouvements du sol donnent des informations sur les mécanismes au foyer. Par exemple, bien que le Japon soit parti sur le Pacifique de plusieurs dizaines de mètres, nous avons été temporairement repoussé: pourquoi ? Le séisme de Samoa nous a temporairement attiré.
Figures
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Conseillers scientifiques
Pierre-Yves BARD ( Chercheur IFSTTAR ), Michel CARA ( CNRS BCSF Strasbourg ), Françoise COURBOULEX ( CNRS UMR Geoazur, Valbonne) , François THOUVENOT ( CNRS LGIT Grenoble ).
Liens
Télécharger le logiciel Azimut18 Mo (version 2.3)
Etudes de casplus de 60 copies d'écran du logiciel Azimut
Fragilité et ductilité des roches
Nous présentons ici deux modèles analogiques très simples pour montrer la fragilité et la ductilité des roches.
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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.
Copyright : 2012 François Tilquin
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Un modèle analogique très simple pour montrer que lorsque la contrainte s'applique rapidement le matériau 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, tout en remuant, d'ajouter 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.
Remerciements
Les vidéos de cet article ont été réalisées par Fabrice Finotti "Les Films Fabrice Finotti"
Copyright : 2012 Fabrice Finotti