La 3D interactive au service de la Géologie

Par Vutheany LOCH — Dernière modification 10/05/2017 10:10

Atelier de présentation des applications 3D interactives pour enseigner la géologie-Atelier Formaterre 2014

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La 3D interactive au service de la Géologie

Agnès Rivière

Professeur associée à Ifé-ENS Lycée Paul-Louis Courrier

                        2 place Grégoire de Tours
                        Tours
                        37000

<agnes.rivière@ens-lyon.fr>

Thierry Lhuillier

Professeur associé à Ifé-ENS Lycée Claude de France

                        9 ave de Paris
                        Romorantin-Lanthenay
                        41200

<thierry.lhuillier@ens-lyon.fr>

Publié par

Gérard Vidal

Directeur de la publication
Ifé ENS de Lyon

Résumé

La compréhension des phénomènes géologiques se heurte chez les élèves à la difficulté de relier la vision de l’espace avec celle du temps. Pour améliorer la compréhension des élèves, les outils utilisés jusqu’à présent étaient soit des animations, le plus souvent en 2D, soit des logiciels complexes et/ou peu intuitifs.

Dans cet atelier, nous présenterons plusieurs outils, dont les atouts sont la 3D et l’interactivité, conçus pour être d'une utilisation simple pour le professeur comme pour l'élève.

Pour le programme de Première S sur l'historique de la théorie de la tectonique des plaques, nous présenterons deux applications 3D permettant de traiter cette partie de programme de manière interactive : l'application « Dérive des continents » déjà présentée lors de Formaterre 2013 et l'application « De la dérive des continents à la tectoniques des plaques » qui vient compléter le précédent. Pour le programme de Terminale S, nous présenterons le module « Mécanismes au foyer » avec une activité associée pour traiter de l'effondrement gravitaire. Cette activité a également été présentée lors de Formaterre 2013 : Livre numérique "Tectonique Formaterre 2013" à télécharger et à lire sous tablette Ipad, Samsung ou avec Firefox (extension Lucifox) ou Chrome (extension Readium). La fin de l'atelier a été consacrée à une discussion avec les concepteurs des animations pour améliorer les applications et modules déjà existants.

Table des matières

La 3D interactive au service de la Géologie

Liste des illustrations

1. En vidéo en 2 mn 20
2. Les informations affichables
3. Bouton de translation-rotation du continent
4. La Pangée reconstituée
5. Recherche du pôle de rotation relatif aux deux plaques
6. Feuille de calcul pour transformer la vitesse linéaire d'éloignement de deux stations en vitesse angulaire
7. Les 4 limites datées au choix:
8. Disparition du fond de l'océan lors de la fermeture:
9. Ecran bilan présentant toutes les valeurs calculées par l'application.
10. Choix du couple de station GPS du réseau RENAG
11. Déplacement de chaque station en valeur absolue (en mm/an)
12. Déplacement relatif de la station PUYA par rapport à la station JANU considérée comme fixe (en mm/an)
13. Carte sismotectonique synthétique regroupant l'ensemble des solutions focales fiables calculées avec les données SismAlp (D'après la thèse de C.Sue- fig 3.59)
14. Sismogrammes de deux stations ayant enregistré ce séisme
15. Analyse des mécanismes au foyer pour le séisme 94 06 18 06

Liste des figures Contenant une vidéo

Figure 1. En vidéo en 2 mn 20

La 3D interactive au service de la Géologie

Table des matières

Présentation rapide du projet Géosciences3D:
L'histoire d'un modèle (PremièreS).
- La dérive des continents, les arguments d'A.Wegener.
- De la dérive des continents à la tectonique des plaques.
L'effondrement gravitaire (Terminales S).
- Activité 1: Les indices à partir des données GPS.
- Activité 2: Les indices à partir des données sismiques.
Conclusion:
Annexes:

Présentation rapide du projet Géosciences3D:

Ce document est mis à disposition selon les termes de la Licence Creative Commons Attribution 4.0 International

Figure 1. En vidéo en 2 mn 20

Cette vidéo, présente en 2 mn30, le projet de création d'applications 3D interactive en géologie et donne un aperçu des applications "Dérive des continents" et "De la dérive des continents à la tectonique des plaques"

L'histoire d'un modèle (PremièreS).

La dérive des continents, les arguments d'A.Wegener.

La première application «Dérive des continents » permet de traiter la naissance de la théorie d'A.Wegener en reprenant les différents arguments que celui-ci a utilisés dans sa publication. Le globe mobile et « zoomable » présente les différents continents dans leur position actuelle et il est possible de superposer diverses couches.

L’interactivité réside dans le choix de la couche à afficher et dans le positionnement des continents. En effet, un clic sur la zone centrale du continent fait apparaître un bouton permettant translation et rotation. L’élève peut ainsi déplacer les continents à sa guise de la manière la plus judicieuse en fonction des informations qu’il possède.

Figure 3. Bouton de translation-rotation du continent
Chaque plaque peut subir une tranlation ou une rotation indépendante des autres plaques.

En phase finale du travail et sans que l’information soit en clair, l’association des touches P.A.N. permet de positionner les continents pour reconstituer la Pangée.

Figure 4. La Pangée reconstituée
La reconstitution de la Pangée montre à la fois une cohérence de la majorité des arguments mais soulève également de nombreuses questions de la part des utilisateurs.

De la dérive des continents à la tectonique des plaques.

L’accumulation des connaissances des années 1960-1970, en particulier celles concernant l’étude du fond des océans, a permis d’élaborer la théorie de la tectonique des plaques. L’application « De la dérive des continents à la tectonique des plaques » permet de faire travailler les élèves sur ce changement de paradigme. L’application est limitée à l’ouverture de l’Atlantique Sud et à la rotation relative des plaques africaine et sud-américaine. L’écran d’accueil présente le globe mobile et « zoomable » avec les continents africain et sud-américain ainsi que la topographie des fonds de l’Atlantique Sud.

Définir le pôle de rotation de deux plaques.

La première étape consiste à déterminer le pôle de rotation eulérien relatif aux plaques africaine et sud-américaine. Pour cela, on utilise la géométrie des failles transformantes. On sélectionne tout d’abord trois failles transformantes puis un clic sur le globe fait apparaître un pôle de rotation avec trois cercles dont les centres sont sur l’axe eulérien. En positionnant correctement le pôle, la courbure des cercles se superposent aux failles tranqformantes.

Le module " Tectonique des plaques" de Géosciences 3D explique parfaitement le mécanisme. Un test de fermeture permet d’affiner cette position.

Figure 5. Recherche du pôle de rotation relatif aux deux plaques
En pointant trois failles transformantes, l'application fait apparaitre trois cercles passant par ses points et ayant un centre commun. . En positionnant correctement ce centre, la courbure des cercles se superpose aux failles transformantes. On définit ainsi le pôle de rotation eulérien.

Estimer la vitesse angulaire de rotation à partir des données GPS.

Une fois cette position mémorisée, la seconde étape consiste à introduire le temps pour définir une vitesse angulaire de rotation. Sans remplacer les exercices classiques permettant de comprendre la notion d’accrétion océanique et de tapis roulant, les démarches proposées permettent de donner une vision plus globale.

En posant le postulat (par simplification) que la vitesse d’ouverture a été constante au cours du temps, une feuille de calculs, associée à l’application, permet de transformer les vitesses linéaires actuelles d’écartement de deux stations GPS correctement choisies de part et d’autre de la dorsale médio-atlantique en vitesse angulaire. L’interrogation de la banque de données GPS Times Series permet d’obtenir les données brutes à traiter ou directement une vitesse linéaire d’écartement. Les formules prédéfinies transforment cette vitesse linéaire en vitesse angulaire. On peut alors entrer cette valeur dans l’application pour la mémoriser.

Figure 6. Feuille de calcul pour transformer la vitesse linéaire d'éloignement de deux stations en vitesse angulaire
L'interrogation de la banque de données GPS donne les vitesses angulaires de déplacement absolu pour chaque station. La feuille de calcul permet d'obtenir la vitesse angulaire d'écartement de deux stations bien choisies.

Estimer la vitesse angulaire de rotation à partir de repères temporels.

La deuxième méthode consiste à utiliser des limites qui sont parfaitement datées sur le fond de l’océan. On peut faire apparaître la carte de l’âge du fond de l’océan ou la carte des anomalies magnétiques.

Figure 7. Les 4 limites datées au choix:

Les contraintes techniques liées à l'application Unity n'ont pas permis de faire disparaître la croûte océanique par le centre de l'océan pour visualiser la notion de "tapis roulant". La solution qui a été retenue a été de choisir une limite datée, d’effectuer une rotation eulérienne des deux plaques pour faire correspondre les deux limites de même âge et de noter cet âge dans l’application. L’application calcule alors la vitesse angulaire correspondant à cette période d’ouverture de l’océan.

Figure 8. Disparition du fond de l'océan lors de la fermeture:

Les résultats pour réfléchir.

Le positionnement du pôle de rotation établi par rapport à la courbure des failles transformantes amène lorsque l’on teste la fermeture à fermer l’atlantique sud aux faibles latitudes mais laisse un espace important dans la partie la plus au sud. Cela pousse à se questionner sur la validité de la méthode.

La recherche intuitive d’une meilleure position ou l’observation de la topographie des fonds océaniques avec une bonne définition, par exemple sur Google Earth, permet d’observer que la position de ce pôle a changé au cours du temps. L’application utilise dans la synthèse la position résultante de ces différentes rotations eulériennes au cours du temps. Les déplacements des continents ne sont plus libres et indépendants comme dans l’application « dérive des continents » mais contraints par le pôle de rotation eulérien. Cette contrainte s’explique par le mécanisme d’accrétion océanique.

L’introduction du temps vient alors apporter des arguments dans ce sens. L’utilisation des données GPS permet de définir la vitesse angulaire de rotation actuelle. En remontant le temps, on estime l’âge d’ouverture de l’océan atlantique Sud.

La comparaison des vitesses estimées à partir des divers repères temporels montre la difficulté à obtenir une « vérité » scientifique. L’âge d’ouverture de l’océan atlantique sud varie selon la méthode entre 96 Ma et 139 Ma alors que l’âge, communément admis par la communauté scientifique, est de 130 Ma. Comprendre cette dispersion des résultats, proposer des explications, analyser les imperfections du modèle proposé présente autant d’intérêt si ce n’est plus, que la simple recherche de la valeur de l’âge d’ouverture.

Cette application permet ainsi de montrer toute la portée d’un modèle scientifique.

Figure 9. Ecran bilan présentant toutes les valeurs calculées par l'application.
L'écran de synthèse récapitule les estimations pour les diverses méthodes de mesure qui ont été réalisées. La comparaison de ces valeurs effectuées par divers utilisateurs constitue le point de départ de la réflexion sur la notion de modèle.

L'effondrement gravitaire (Terminales S).

La chaîne de montagnes des Alpes est une chaîne de collision qui s’est formée dans un contexte tectonique de convergence. On y trouve des indices de l’épaississement crustal lié à la compression : failles inverses, données GPS.

Une extension peut être constatée au cœur de certaines chaînes récentes. Cette extension, liée à un effondrement gravitaire de la chaîne, se produit lorsque l’érosion, assortie d’un réajustement isostatique, et la compression ne s’équilibrent plus.

On cherche à déterminer si certains indices accréditeraient l'existence d'un effondrement gravitaire au cœur des Alpes.

Activité 1: Les indices à partir des données GPS.

Il est possible de travailler avec les données GPS de deux stations situées au cœur des Alpes, de part et d'autre du front pennique : PUYA et JANU.

A partir des données GPS brutes, il est possible de déterminer les déplacements relatifs de ces deux stations et ainsi de mettre en évidence un mouvement de divergence (faible) entre les deux stations.

Fichiers de travail : PUYA.ods et JANU.ods

Pour cela, il faut tracer les courbes de tendance pour les données GPS en latitude puis en longitude. Le coefficient directeur des droites obtenues donne la vitesse du déplacement en mètres. Selon que ce coefficient directeur est positif ou négatif, le déplacement se fera vers le nord ou vers le sud, vers l'ouest ou vers l'est.

Figure 10. Choix du couple de station GPS du réseau RENAG
Il est possible de comparer les mouvements relatifs de deux couples de stations GPS . Nous choisirons pour la démonstration le couple de la région centrale des Alpes.

Si on compare les déplacements absolus des deux stations, elles se déplacent dans la même direction et les valeurs très proches ne permettent pas de visualiser sur l'image une différence notable.

Il est donc nécessaire d' analyser le déplacement d'une station par rapport à l'autre supposée fixe.

Figure 11. Déplacement de chaque station en valeur absolue (en mm/an)
Les deux stations se déplacent toutes les deux dans la direction W-NW. La différence de vitesse des composantes NS et EW ne permet pas en vision rapide de répondre à la question posée.

Le déplacement relatif de PUYA par rapport à JANU, station considérée comme fixe, traduit un mouvement de décrochement assorti d'une très légère extension.

Avec toutes les précautions scientifiques qui s'imposent, cette analyse est compatible avec l'interprétation d'un effondrement gravitaire actuel au centre des Alpes. Il s'agit du premier indice.

Figure 12. Déplacement relatif de la station PUYA par rapport à la station JANU considérée comme fixe (en mm/an)
Le mouvement relatif de la station PUYA par rapport à la station JANU montre un très léger éloignement compatible avec l'interprétation d'un effondrement gravitaire au centre des Alpes

Activité 2: Les indices à partir des données sismiques.

Chaque symbole (mécanisme au foyer) représenté sur la carte ci-dessous correspond à l'analyse des sismogrammes enregistrés par plusieurs stations sismiques pour un même séisme. Ces séismes correspondent au jeu soit d'une faille inverse (contexte de convergence), soit d'une faille normale (contexte de divergence), soit d'un coulissage. Le front pennique a été surligné en noir. On remarque que les mécanismes au foyer du cœur des Alpes sont des symboles qui correspondent à des failles normales en accord avec un contexte de divergence lié à l'effondrement gravitaire.

Le module" mécanismes au foyer " permet de faire le lien entre les données sismiques et la symbolique utilisée. Ce module, en cours de révision, traite uniquement le cas d'un décrochement et montre que pour tout séisme, les contraintes sont réparties en quatre zones, deux en distension, deux en compression. C'est en étudiant la répartition de ces zones que les scientifiques définissent le mécanisme au foyer.

Figure 13. Carte sismotectonique synthétique regroupant l'ensemble des solutions focales fiables calculées avec les données SismAlp (D'après la thèse de C.Sue- fig 3.59)
Les mécanismes au foyer du centre des Alpes montrent le jeu de failles normales. Dans les massifs subalpins, on observe à l'inverse le jeu de failles inverses ou de décrochements.

L'analyse des mécanismes au foyer nécessite que le séisme ait été enregistré par des stations qui soient localisées tout autour de l'épicentre. Il faut alors définir comme dans l'application ci-dessus les deux zones en compression et les deux zones en dilatation.

Pour cela, on analyse les sismogrammes de chaque station. Si la première déviation enregistrée (onde P) est orientée vers le haut, cela signifie que le sismomètre est dans une zone en compression, si elle est orientée vers le bas alors le sismomètre est dans une zone en dilatation.

La banque des séismes fournie par le logiciel Sismolog ne présente pas de séisme qui soit encadré par un nombre suffisant de stations pour faire cette étude. L'archive 94061806.zip contient les fichiers (format sismAlp ) qui peuvent être analysés par Sismolog. Ce séisme ne fait pas partie de la banque de données Sismolog, il n'est donc pas dépouillé et il faut repéré seul le premier mouvement du sol lié à l'arrivée de l'onde P.

A condition de laisser de côté les stations OG21, JAUF et OG27, difficiles à interpréter, il est possible de montrer que ce séisme du 18 juin 1994, localisé dans la partie centrale des Alpes correspond au jeu d'une faille normale.

Pour ce séisme 94061806, la station OG15 (1er sismogramme) était dans une zone en dilatation. La station OG22 (2ème sismogramme) était dans une zone en compression.

Figure 14. Sismogrammes de deux stations ayant enregistré ce séisme
Pour la station OG15, la trace du premier mouvement du sol montre des contraintes en distension. Pour la station OG22, il s'agit au contraire de contraintes en compression.

L'analyse de l'ensemble des stations permet de repérer les stations pour lesquelles les premiers mouvements du sol sont en compression et celles pour lesquelles ces premiers mouvements sont en distension. En les reportant sur la carte, on observe que les zones en compression encadrent les zones en distension, il s'agit bien du jeu d'une faille normale.

Cette seconde étude apporte un deuxième argument allant dans le sens d'un effondrement gravitaire actuel au centre des Alpes.

Figure 15. Analyse des mécanismes au foyer pour le séisme 94 06 18 06
Pour ce séisme du 18 juin 1994, les stations sismiques du réseau SismAlp encadrent l'épicentre. L'analyse de chaque sismogramme montre que les stations où le premier mouvement est en distension sont encadrées par des stations où ces premiers mouvements sont en compression. Il s'agit d'un mécanisme au foyer correspondant au jeu d'une faille normale.

Conclusion:

L'utilisation d'applications Unity alliant la vision 3D à l'interactivité permet, comme on vient de le voir, de proposer aux étudiants des activités sur des chapitres du programme difficiles à traiter. La simplicité d'utilisation associée au côté démonstratif de la 3D en font des objets de choix pour l'enseignement de la géologie.

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Estimer la vitesse angulaire de rotation à partir des données GPS.

Estimer la vitesse angulaire de rotation à partir de repères temporels.

Les résultats pour réfléchir.

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Activité 1: Les indices à partir des données GPS.

Activité 2: Les indices à partir des données sismiques.

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