UE 1 de L3 STU « Tectonique et Tectonophysique - Perso-sdt
publicité
Licence S5 2016-2017 UE 1 de L3 STU « Tectonique et Tectonophysique » Partie J. Déverchère • A. Déformation cassante: Géométrie des failles et structures tectoniques (2 séances CM, 1 TP) • B. Mesures de la déformation (1): Le GPS (2 séances CM, 1 TP) • C. Mesures de la déformation (2): Géomorphologie quantitative (2 séances CM, 1 TP) Licence S5 2016-2017 B. Mesures de la déformation (1): la géodésie spatiale GPS - Les échelles de temps – La méthodologie – Les intérêts en tectonique 6h (3h CM, 3h TP) Mobilité des continents: mythe ou réalité? Failles, zones de déformation: sont-elles actives? Où? De combien? Peut-on le vérifier? Le mesurer? 1 Plan • 1. Introduction: Echelles de la tectonique active • 2. GPS: Principes – – – – A. Outils B. Positionnement C. Stratégies d’acquisition D. Incertitudes sur les mesures et les vitesses • 3. Intérêts « long terme » – Mouvements des plaques – Déformation intra-plaque • 4. Intérêts « court terme » – Cycle sismique: séries géodésiques – Accumulation élastique intersismique: exemples en Californie https://perso-sdt.univ-brest.fr/~jacdev/ 1. Echelles de la Tectonique active Mouvements globaux Limites de plaques Post-glacial rebound Failles actives Séismes -> Notions: Taux de déformation Déformation localisée Déformation distribuée 2 up down Rupture de surface du séisme de Edgecumbe, Nouvelle Zélande Images sismiques 3D d’un pli-faille, delta du Niger: en amplitude (a) et en amplitude + semblance (corps géologiques “perturbants”) (Iacopini & Butler, 2011) Atlas sismique virtuel: www.seismicatals.org Terrasses marines soulevées par séismes -> Notions: successifs, Nouvelle Zélande Distribution spatiale et temporelle de la déformation: visualisations DIRECTES ou INDIRECTES Faille majeure dans l’île du Sud, Nouvelle Zélande Déformation active: quelle signification? • Sismologie: quelques secondes Importance du temps • Géodésie: quelques années • Géologie océanique: quelques millions d’années Vitesses de déformation:-> Notion à considérer: la résolution temporelle • n x quelques secondes = idem sur quelques années? • n x quelques années = idem sur quelques milliers d’années? 3 Doc. E. Calais 2. Principes • Mesures répétées Þ changements de positions (relatives) • Idées: Trouver des vitesses de déplacement à la surface - Tester des modes de déformation – • Exemple: Comportement des failles: “creep”, cisaillement distribué, failles “discrètes”, etc.? Vitesses instantanée et ‘steady-state’ déplacement - Temps courts: Vitesse instantanée, dite intersismique - Temps longs: Vitesse dite « steady-state » (Vst) - Termes correspondants: déformations « transitoires » (à l’échelle temporelle du cycle sismique), instantanées, ou permanentes ->2 champs de vitesse différents car les propriétés mécaniques de la lithosphère varient en fonction du temps (mais aussi dans l’espace) déformation permanent e Vst post- intersismique sismique cosismique cosismique temps 4 Vitesses instantanée et ‘steadystate’: Illustrations Pollitz, 2003, GJI Temps -> Espace -> A. Outils Global Positioning System Usage 1: Nav/posit. Temps réel Une constellation de satellites envoyant un signal radio vers la Terre Précision: § Récepteur à 100 € Þ 10-100 m § Récepteur à 10 000 € Þ 1 mm! Doc. E. Calais 24h/24 Partout GPS: antenne et récepteurs enregistrent et convertissent le signal radio en distances satellite-antenne Constellation constituée de 20-30 satellites répartis sur 6 orbites circulaires espacées de 60° de longitude, à l'altitude de 20 183 km, d'inclinaison 55° et de période 11h58mn, assurant une couverture mondiale 5 CNES @CNES GALILEO En Guyane, lancement des deux premiers satellites du « GPS européen » #Galileo le 10/09/2015. 24 mai 2016: La moitié des satellites du futur GPS européen Galileo sont désormais en place - La constellation pourra fournir ses premiers services à la fin de l'année 2016 Précision au mm: 3 applications scientifiques principales: - géodésie: forme et rotation de la Terre, cadre de référence terrestre - Géophysique: déformation de la croûte terrestre - Sciences de l’atmosphère : vapeur d’eau troposphérique, ionosphère, ... • Que faut-il installer? Marqueurs (bornes ou repères géodésiques), lignes de base, et réseaux • Mesures de distance Þ positions (relatives) • Mesures répétées Þ changements de positions (relatives) Doc. E. Calais 6 A. Outils Global Positioning System 3 segments: Doc. E. Calais B. Positionnement GPS • Satellites émettent signaux aux fréquences de 1.2 GHz et 1.5 GHz: – Satellite 1 envoie un signal à te1 satellite 2 – Récepteur au sol reçoit ce signal à tr – La mesure de distance r1 au satellite 1 est: satellite 3 r1 = (tr-te1) x vitesse de l’onde – Localisation: sur une sphère centrée sur satellite 1, rayon r1 r2 – 3 satellites => intersection de 3 sphères -> LOCALISATION SI LES 3 MESURES SONT SIMULTANEES ET SI LA POSITION DES SATELLITES EST CONNUE r3 DANS UN REFERENTIEL FIXE TERRESTRE • MAIS l’horloge du récepteur est non parfaitement synchronisée avec les horloges des satellites: – différence de temps entre les deux: dt -> pseudistance r = “pseudorange” -> Inconnue supplémentaire => 4 observations = 4 satellites visibles ensemble NECESSAIRES satellite 1 r1 Vous êtes ici x Terre, référentiel Cartésien fixe Doc. E. Calais 7 B. Positionnement GPS • Données GPS = mesures de distances satelliterécepteur (r) • Distances estimées par: – (1) Mesure du temps de propagation du signal GPS: • Facile, pas cher • Traitement postérieur: limité • Aussi précis que les mesures temporelles: ~1-10 m – (2) Comptage du nombre de cycles de la fréquence porteuse: • Plus difficile à acquérir • Traitement postérieur: complexe, lourd • Aussi précis que la détection des phases ~1 mm –Cours Vigny sur géodésie, géoïde: http://www.geologie.ens.fr/~vigny/cours.html –Cours Calais: http://web.ics.purdue.edu/~ecalais/teaching/gps_geodesy/ (en anglais) –Cours Nocquet: http://renag.unice.fr/regal/PERSO/JMN/enseignement/cours_m2_2.pdf B. Positionnement GPS: compléments sur: Doc. E. Calais Signal GPS: 8 B. Positionnement GPS: compléments sur: Pseudo-distances: Doc. E. Calais B. Positionnement GPS: compléments sur: Pseudo-distances: Doc. E. Calais 9 B. Positionnement GPS: compléments sur: - Problèmes de propagation (réfraction atmosphérique, retards dans la troposphère et l’ionosphère, etc…) - Problème de dégradation volontaire (militaire): Doc. E. Calais Pour en savoir plus, voir aussi : http://www.geologie.ens.fr/~vigny/cours/M2_2011-cours-GPS_CV.pdf C. Stratégies d’acquisition Þ Un positionnement GPS précis nécessite – Equipement “double-fréquence” – Procédures de terrain rigoureuses – Longues sessions d’observations (plusieurs jours) – Traitement différé des données (complexe) Mouvements cosismiques après le séisme du Japon de 2011 (magnitude 9.0): déplacements aux sites GPS, modèle 2 stratégies: •Campagnes répétées •Mesures continues à des sites permanents 10 1. Campagnes GPS Campagne GPS typique, avec tripode, Mongolie Campagne GPS typique, République Dominicaine § Stratégie de terrain – – – – Réseaux de marqueurs Distances: 10-100 km Récepteurs GPS bi-fréquence 2 à 3 sessions de mesures de 24 heures, échantillonnage 30 sec – Déplacement au site suivant (plusieurs groupes). – Transferts du récepteur au PC, contrôle qualité, sauvegarde § Avantages: – Grand nombre de sites avec peu de récepteurs – Relativement bon marché § Problèmes: – Déformations transitoires – Monumentation – Installation de l’antenne Doc. E. Calais 2. Sites GPS permanents § Mise en place classique: – Dual frequency GPS receivers – Phase and pseudorange measurements at 30 sec rate, continuously, 24h/day, 365 days/year – GPS antenna mounted permanently on a stable geodetic monument – Site protected and unattended – Receiver, power supply and modem in a shelter by the antenna – Data downloaded daily or more frequently if needed (and if possible) § Avantages: Permanent GPS site, antenna on concrete pillar anchored in bedrock – Better long-term precision – Better detection of transient signals § Problèmes: – – – – – Cost and number of sites Power supply Lightning Vandalism Sites not as stable as originally thought… Doc. E. Calais Shelter with GPS receiver, solar panels 11 D. Incertitudes sur les mesures et les vitesses D1. Précision / Exactitude Mesures Estimated values true value • Une mesure = une valeur et son incertitude associée. • L’incertitude est aussi importante que la valeur mesurée. • Les incertitudes résultent de: – Erreurs aléatoires: peuvent être déduites de techniques statistiques -> définissent la précision – Erreurs systématiques = biais: -> définissent l’exactitude précise et exacte Précise mais inexacte (biaisée) • L’incertitude fournit une estimation de: – Erreur aléatoire = erreur en précision (degré de reproductibilité d’une mesure) – Erreur systématique (Biais) = erreur en exactitude Imprécise mais exacte Doc. E. Calais +/+/- Doc. E. Calais 12
