par Philippe Cosentino
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RÉSUMÉ |
| Avec tectoglob3D il est désormais possible d’afficher, sous la forme d’un nuage de points, l’ensemble des stations sismiques ayant enregistré des ondes S directes, et des ondes P directes et réfractées (l’intérêt de cette activité repose sur l’utilisation de cette base de données inédite). En utilisant l’outil « cercle de distance » il est alors possible de déterminer l’intervalle de distance correspondant à la zone d’ombre sismique. Il est enfin possible d’interpréter cette observation en modélisant, toujours dans Tectoglob3D, la trajectoire des ondes sismiques à partir du modèle PREM. |
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PLACE DE L’ACTIVITÉ |
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| Niveau concerné | 1ère spécialité |
| Place dans le programme | L’apport des études sismologiques et thermiques à la connaissance du globe terrestre |
| Place dans la démarche / séquence | L’activité devrait être menée en début de séquence, avant que les discontinuités (Moho, Gutemberg) soient établies. |
| Mots-clés / notions fondamentales | Transmission des ondes sismiques, zones d’ombre. |
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OBJECTIFS PÉDAGOGIQUES |
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| Connaissances | Les informations tirées du trajet et de la vitesse des ondes sismiques permettent de comprendre la structure interne de la Terre (croûte – manteau – noyau ; modèle sismique PREM, (…), état du noyau externe liquide et du noyau interne solide). |
| Capacités | – Traiter des données sismologiques. – Étudier la propagation profonde des ondes (zone d’ombre, mise en évidence des discontinuités) en utilisant les lois de Snell-Descartes |
| Compétences travaillées ( en lien avec socle collège- celles des préambules des programmes en lycée) | Pratiquer des démarche scientifique : Interpréter des résultats et en tirer des conclusions.
Pratiquer des langages : Utiliser des outils numériques. |
| Compétence du cadre de référence des compétences numériques
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Traiter des données. |
| MODALITÉS | |
| Durée indicative | 2h |
| Matériel nécessaire | Logiciel Tectoglob3D (éventuellement) Matériel pour modélisation analogique de la zone d’ombre (laser etc.) |
| Prérequis | Aucun en dehors des acquis de la classe de seconde. |
| DESCRIPTION DU SCÉNARIO / ACTIVITÉ |
L’activité comporte 2 objectifs :
- la détermination des caractéristiques de la zone d’ombre (à partir de la répartition des stations sismiques ayant enregistré les ondes sismiques)
- l’interprétation de cette zone (à partir de la modélisation numérique et/ou analogique de la trajectoire des ondes sismiques).
Dans les 2 parties, on se basera sur le même événement, un puissant séisme (magnitude 7,5) dont l’épicentre se situe à la frontière entre le Pérou et l’Equateur (consultez cette page pour en savoir plus).
On commencera par exploiter les ondes S, car ces dernières sont plus faciles à interpréter (pas d’ondes S enregistrées aux antipodes, ondes qui ne se propagent pas dans les liquides etc.).
1ère partie : détermination des caractéristiques de la zone d’ombre
A ce stade l’élève ne sait même pas qu’il existe une zone d’ombre. L’objectif est qu’il s’en rende compte par lui même, puis qu’il en délimite la portée.
Pour cela, on fournit à l’élève :
– les coordonnées de l’épicentre du séisme (-2,2°N -77°E)
– les coordonnées des stations ayant enregistré des ondes S « directes » (sous la forme d’un fichier CSV à télécharger et à dézipper)
Si l’on souhaite guider l’élève, la consigne pourrait être « Décrire de manière précise la répartition des stations sismiques ayant enregistré des ondes S. »
L’élève va donc commencer par localiser l’épicentre. Plusieurs solutions sont possibles avec ce logiciel, mais la plus simple revient à cliquer sur la loupe et à saisir les coordonnées. On coche également la case « Placer un repère » et on lui donne un nom « Epicentre ».
L’épicentre apparaît alors sous la forme d’une punaise.
Ensuite l’élève va charger le fichier CSV qui contient les coordonnées des stations sismiques, via le menu « Importer / Importer une liste de points ».
Les principales stations sismiques ayant enregistré des ondes S « directes » apparaissent alors en cyan sur le globe.
L’élève devrait à ce stade constater qu’au delà d’une certaine distance à l’épicentre, aucune station sismique n’a enregistré des ondes S.
Répartition des stations ayant enregistré des ondes S « directes ».
Reste à « préciser » ce constat, comme exigé dans la consigne.
Pour cela l’élève va devoir déterminer la distance à partir de laquelle les stations n’enregistrent plus d’ondes S.
L’outil adapté pour cette tâche est le « cercle de distance » accessible via le menu « Actions/Ajouter/Cercle de distance ».
En double cliquant au niveau de l’épicentre (qui sera le centre de ce cercle), et en réglant la distance dans la fenêtre « Réglages », l’élève devrait arriver à tracer un cercle au delà duquel il n’y a plus de marqueurs cyans.
Voici le résultat obtenu pour une distance de 108° (ou de 12 000 km si l’élève préfère travailler en distances métriques).
A partir de là, l’élève peut enfin affiner son constat : « On constate qu’au delà de 12 000 km de distance par rapport à l’épicentre, aucune station sismique n’enregistre d’ondes S. »
On procède ensuite de même pour les ondes P, mais là les choses se compliquent un peu.
Répartition des stations sismiques ayant enregistré des ondes P « directes » (en jaune) et « réfractées » (en cyan).
En effet, si on constate bien qu’au delà d’une certaine distance (environ 12 000 km également), on n’enregistre plus aucune onde P « directe », on constate également que bien plus loin de l’épicentre, au delà de 15 500 km (soit 142°), des ondes P sont à nouveau enregistrées, mais il ne s’agit plus d’ondes P « directes », mais d’ondes P « réfractées ».
Pour arriver à ce constat, l’élève devra tracer 2 cercles de distances.
Mise en évidence de la zone d’ombre des ondes P à l’aide de 2 cercles de distances.
L’élève peut alors préciser son constat : « On constate qu’entre 12 000 km et 15 500 km de distance à l’épicentre aucune onde P n’est enregistrée par les stations sismiques. ».
Remarque : en réalité des ondes P sont enregistrées dans la zone d’ombre sismique, notamment des ondes P diffractées (Pdiff). Mais pour que les données soient exploitables par les élèves, j’ai préféré filtrer et éliminer les stations ayant enregistré de telles ondes.
2ème partie : interprétation de la zone d’ombre
Pour interpréter la zone d’ombre, il faut forcément recourir à la modélisation, que celle-ci soit numérique et/ou analogique. Il n’existe à mon avis pas d’alternative valable.
La modélisation analogique la plus communément utilisée repose sur l’utilisation d’un laser et de deux cristallisoirs remplis de liquides différents.
Cet article du site « Planet Terre » décrit en détail comment mener cette modélisation.
Image extraite de l’article du site Planet Terre
Cette manipulation présente de nombreux points forts, notamment dans la rigueur qu’elle requiert dans son exécution, mais à elle seule elle ne permet pas forcément à l’élève d’interpréter correctement la zone d’ombre sismique.
En effet, il est souvent difficile pour l’élève de faire le rapprochement entre un rayon laser et un rai sismique, et lorsqu’on interroge un élève en cours de manipulation sur le rapport avec ce qui a été observé précédemment (la zone d’ombre), bien souvent il est incapable de répondre spontanément.
C’est pour cela que je suis convaincu qu’il est indispensable d’accompagner cette modélisation analogique d’une autre modélisation, numérique cette fois-ci, avec le logiciel Tectoglob3D.
Pour accéder à cette modélisation, l’élève doit d’abord charger les sismogrammes de cet événement, via le menu « Fichier / Charger des sismogrammes ».
Lorsque les sismogrammes sont chargés, l’élève voit apparaître à l’écran ces derniers, à droite de l’écran, ainsi que les emplacements des stations correspondantes, à gauche.
Rien qu’à ce stade, l’absence de tracé significatif pour la station KOUNC, située dans la zone d’ombre, saute aux yeux, et devrait donc renforcer la compréhension de l’élève, en faisant le lien entre zone d’ombre et sismogramme « plat ».
Mais il est possible d’aller bien plus loin avec Sismolog3D ; en effet, grâce au menu « Sismogrammes/Projeter les stations sur une coupe », l’élève va basculer sur une représentation 2D du globe (en coupe) sur laquelle l’épicentre et les différentes stations (celles correspondant aux sismogrammes) sont placés.
Sur cette coupe sont également simulées les trajectoires des ondes sismiques (rais sismiques), en appliquant les lois de Snell-Descartes, et en utilisant les vitesses de propagation théoriques du modèle PREM.
Pour information, la formule que j’utilise (« pas à pas ») dans Tectoglob3D, pour tracer ces rais est :
sin(i1)/v1 = sin(i2)/v2
Où i1 et i2 sont les angles d’incidences, et v1 et v2 les vitesse de propagation.
Il est important que l’élève comprenne bien la différence entre le modèle et la réalité :
- à gauche de l’écran, c’est le modèle, et plus précisément, le modèle PREM (vitesses théoriques en fonction de la profondeur) et les trajectoires déduites de ce modèle
- à droite de l’écran, c’est la réalité du terrain, c’est à dire les sismogrammes réellement enregistrés
Le fait que le modèle rend bien compte de ce que l’on observe sur le terrain valide celui-ci. On peut d’ailleurs faire remarquer à l’élève que d’autres modèles de vitesses existent, comme AK135 (un autre modèle très utilisé par les scientifiques), ou d’autres, totalement fantaisistes (comme celui où la vitesse est constante), qui eux ne rendent pas compte de la réalité (pas de zone d’ombre).
L’élève peut « tester » ces différents modèles en les sélectionnant via le menu « Sismogramme ».
Une fois le modèle sélectionné, le tracé des rais est modifié.
Il est aussi possible de basculer des ondes P aux ondes S, grâce au menu déroulant « Rais » situé dans la fenêtre de réglage, en bas à droite de l’écran.
S’il sélectionne « Ondes S », l’élève constatera que, conformément à ce qu’il a observé en début de séance, les ondes S ne parviennent pas aux antipodes de l’épicentre.
L’élève peut également visualiser le modèle de vitesse (le graphique de la vitesse en fonction de la profondeur), en agrandissant la fenêtre (réduite en bas de l’écran) nommée « Modèle de vitesse ».
En agissant ainsi, il verra que seuls les modèles comportant une importante discontinuité dans la vitesse des ondes sismiques à une profondeur d’environ 2900-3000 km sont capables d’expliquer la présence d’une zone d’ombre sismique entre 105 et 142° de distance.
A noter : il est également possible de récupérer la longueur totale d’un rai sismique et sa durée en cliquant sur celui-ci. Cela permet de calculer la vitesse moyenne de propagation le long de ce rai (si l’enseignant y trouve un intérêt).
| PISTES D’ÉVALUATION |
Une partie essentielle de cette activité repose sur la capacité de l’élève à prendre en main l’outil numérique et à réaliser correctement une série d’actions techniques ciblées : localiser un épicentre à partir de coordonnées, importer un jeu de données, puis utiliser l’outil « cercle de distance » pour mettre en évidence une zone d’ombre sismique.
Il ne s’agit pas ici d’évaluer l’interprétation ou la compréhension conceptuelle, mais bien la maîtrise fonctionnelle de l’outil, au service d’une démarche scientifique.
Cette dimension, souvent évaluée de manière implicite, peut faire l’objet d’une évaluation explicite sous forme de curseur. Ce type d’évaluation permet de rendre visibles des degrés d’autonomie et de précision, sans enfermer l’élève dans une logique binaire réussi/échoué. Elle pose néanmoins une question de fond : jusqu’où le geste technique relève-t-il d’un apprentissage scientifique, et non d’une simple compétence logicielle ? Le choix est ici assumé, car ce geste conditionne directement l’accès aux observations.
| Niveau | Descripteur |
| 0 | L’élève n’a réussi ni à localiser l’épicentre ni à délimiter la zone d’ombre, malgré les aides apportées par l’enseignant. |
| 1 | L’élève est parvenu uniquement à localiser l’épicentre (ou à tracer les cercles au choix), à l’aide d’aides répétées ou très guidées. |
| 2 | L’élève est parvenu uniquement à localiser l’épicentre et à délimiter la zone d’ombre par 2 cercles, à l’aide d’aides répétées ou très guidées.
ou L’élève est parvenu uniquement à localiser l’épicentre (ou à tracer les cercles au choix), mais sans aide ou à l’aide d’une simple aide mineure. |
| 3 | L’élève est parvenu à localiser l’épicentre sur le globe virtuel et à délimiter correctement la zone d’ombre à l’aide de deux cercles de distance, sans aide ou à l’aide d’une aide mineure (sans le guider). |
| +1 | Le tracé des cercles et la localisation de l’épicentre ont été réalisées de manière rigoureuse (la marge d’erreur tolérée est à la discrétion de l’enseignant). |
| Note finale /4 |
| CONCLUSION – OUVERTURE – ESPRIT CRITIQUE |
Cette activité a un vrai intérêt car elle place l’élève dans une démarche d’enquête : la zone d’ombre n’est pas “donnée”, elle est déduite à partir de données réelles (répartition des stations) puis délimitée quantitativement avec les cercles de distance. Le choix de commencer par les ondes S sécurise l’entrée dans le problème et fait émerger un premier constat simple.
L’interprétation gagne ensuite en solidité grâce au couplage observation/modélisation. La comparaison entre sismogrammes réels et rais calculés (modèle PREM) rend concrète l’idée qu’un modèle est une construction qui doit rendre compte des faits. Le test d’autres modèles (AK135, modèle à vitesse constante) ouvre utilement vers la validation et les limites des modèles.
Limites et vigilance : les données sont filtrées (exclusion d’ondes comme Pdiff), et un seul séisme est utilisé, donc on simplifie la réalité pour la rendre exploitable. C’est acceptable, à condition de le dire clairement et, si possible, d’ouvrir vers une extension : comparer avec un autre événement ou réintroduire progressivement des signaux plus complexes.
Il faut enfin signaler une dernière limite : l’activité met bien en évidence la zone d’ombre des ondes S, mais n’explique pas explicitement sa cause physique, la non-propagation des ondes S dans le noyau externe liquide. Ce point devra donc être apporté par l’enseignant, via un court complément ou une activité associée.
