Ondes L

Correction Sujet- Activité sismique & Tectonique
Conséquences d’un séisme.
a. A partir des données rassemblées dans le document 1, précisez les conséquences d’un séisme en surface du globe.
1.
1-a.
« Un premier séisme de magnitude 8,8 sur l'échelle de
Richter a eu lieu à 14h46 heure japonaise ce vendredi, au
large des côtes nord-est de l'archipel. La terre a continué de
trembler pendant plusieurs heures. A 4 heures du matin
samedi (20 heures en France), un deuxième séisme de
magnitude 6,6 a frappé l'autre façade de l'archipel.
Le tremblement de terre a été suivi d'un tsunami avec des
vagues de plus de 10 mètres de haut. »
Site : http://www.liberation.fr/monde/01012325005-alerteau-tsunami-au-japon-et-en-russie
« Le bilan provisoire (au 11 mars) fait état de plus de 1.000
morts »
Site : http://www.slate.fr/lien/35261/seisme-japon-direct
1-b.
… Après le séisme du 11 mars 2011
Manifestations de surface d’un séisme :
- des secousses (vibrations du sol).
A partir de l’amplitude des ondes de surface :
détermination de la magnitude (énergie libérée) du
séisme via l’échelle de Richter : 8,8 dans l’exemple
étudié.
Conséquences des secousses en zones habitées : des
victimes et des endommagements/ destructions de
constructions humaines.
- des fractures appelées failles qui matérialisent le
déplacement des parties séparées (compartiments) et
transforment le paysage : apparition d’un miroir de
faille (surface engendrée par la cassure ).
Déplacement vertical dans l’exemple étudié.
- un tsunami : onde océanique provoquée par un
mouvement rapide d'un grand volume d'eau, engendré
par le déplacement des compartiments séparés. Vague
qui devient déferlante et destructrice au contact des
rivages terrestres (cause de l’essentiel des victimes
dans le cas étudié).
1.
Conséquences d’un séisme.
b. Le document 2 est une carte isoséiste exprimant les différentes intensités du séisme du 11 mars 2011 par zones.
L’échelle utilisée est l’échelle JMA (graduée de 1 à 7). Elle est l’équivalente de l’échelle EMS graduée de 1 à 12.
 Définissez ce que représente l’intensité d’un séisme.
Intensité d’un séisme = mesure des effets et des dégâts causés par un
tremblement de terre sur :
- les populations,
- les habitations
- le paysage.
Classement des effets et dégâts constatés, en fonction de leur
gravité, selon l’échelle EMS (graduée de 1 à 12) ou selon l’échelle
JMA (graduée de 1 à 7).
Echelles arithmétiques avec « 1 » en intensité sismique la plus faible
Pas de caractérisation d’un séisme donné par une intensité sismique
unique : Diminution de l’intensité du séisme à mesure que l’on
s’éloigne de l’épicentre.
1.
Conséquences d’un séisme.
b. Le document 2 est une carte isoséiste exprimant les différentes intensités du séisme du 11 mars 2011 par zones.
 Sur la carte isoséiste du document 2 positionnez par une croix (x) l’épicentre de ce séisme. Justifiez votre
réponse. Quelle remarque pouvez-vous faire sur sa position ?
Isoséiste : courbe joignant sur
une carte les points où
l’intensité d’un séisme est
identique.
EPICENTRE
Pour une zone donnée :
quantification de l’importance
des dégâts via l’échelle JMA
(de 1à 7).
Intensité JMA =
7 ; 6+ ; 6-
Intensité JMA = 5+ ; 5-
Intensité JMA = 4 ; 3
Intensité JMA = 2 ; 1
Echelle
230 Kms
Positionnement de l’épicentre :
au centre de la surface
délimitée par l’isoséiste de plus
grande intensité.
Epicentre situé en mer, au large
de la côte orientale- 115 Kms
(Nord-est de l’archipel).
1.
Conséquences d’un séisme.
c.
Le document 3 présente 2 sismogrammes. Chacun a été enregistré par une station différente à la surface de la
Terre (Station 1 et Station 2), le 11 mars 2011.
 Définissez ce qu’est un sismogramme.
Station 1
Amplitude 15
(mm)
10
5
0
5
10
15
20
0
5
15
25
Temps (seconde)
Temps (seconde)
Amplitude 15
(mm)
e)
10
5
0
5
10
15
20
0
5
15
Station 2
25
Temps (seconde)
Temps (seconde)
e)
Sismogrammes enregistrés en 2 stations du globe : Station 1 et Station 2
(Les 2 enregistrements ont été alignés avec t = 0 : déclenchement du séisme)
Sismogramme = Enregistrement des mouvements du sol lors d’un séisme.
1.
Conséquences d’un séisme.
c.
Le document 3 présente 2 sismogrammes. Chacun a été enregistré par une station différente à la surface de la
Terre (Station 1 et Station 2), le 11 mars 2011.
 A partir de la comparaison des informations apportées par ces sismogrammes (amplitude, temps d’arrivée de
la première vibration), proposez une explication quant à la disposition des zones d’intensité sismique sur la
carte isoséiste du document 2.
Comparaison des 2 sismogrammes :
Station 1
Délai arrivée 1ères
ondes
Amplitude maximale
des ondes
Station 2
Station 1
Station 2
2,5 s
4s
30 mm
10 mm
Séisme à l’origine d’ébranlements qui se
transmettent dans les différentes couches du
globe :
- Ondes P, les plus rapides : vibrations longitudinales en compression (en milieux solides et liquides).
- Ondes S : vibrations (en milieux solides) transversales et en cisaillement perpendiculaires à la direction de propagation.
Ondes P et S : ondes de volume.
- Ondes L (Love) et R (Raleigh), les plus lentes, de plus forte amplitude, superficielles.
Ondes L : mvt du sol dans un plan horizontal perpendiculaire à leur direction de déplacement.
Ondes R : mvt des roches à la fois horizontalement et verticalement dans un plan vertical parallèle à la direction de
déplacement du front de l’onde.
1.
Conséquences d’un séisme.
c.
Le document 3 présente 2 sismogrammes. Chacun a été enregistré par une station différente à la surface de la
Terre (Station 1 et Station 2), le 11 mars 2011.
 A partir de la comparaison des informations apportées par ces sismogrammes (amplitude, temps d’arrivée de
la première vibration), proposez une explication quant à la disposition des zones d’intensité sismique sur la
carte isoséiste du document 2.
Station 1
Station 2
Propagation des ondes sismiques à partir du lieu
de déclenchement du séisme :
- Arrivée plus précoce des ondes P à la station 1
qu’à la station 2 : station 1 plus proche de la
zone frappée par le séisme que la station 2
- Amplitude des différentes catégories d’ondes
plus grande à la station 1 qu’à la station 2 :
amortissement de l’amplitude de vibration
des ondes sismiques à partir du site qui les a
générées.
Amortissement de l’amplitude des ondes sismiques à mesure de leur propagation explique la
disposition des courbes isoséistes.
Au plus près de la zone de déclenchement du séisme : amplitude de vibration la plus élevée
des ondes
aux intensités les plus fortes du séisme
isoséistes les plus internes.
Pour les zones éloignées du séisme : amplitude de vibration peu marquée des ondes
intensités les plus faibles du séisme
isoséistes les plus externes.
2. Cause d’un séisme.
1ère Partie
Le document 4 est un bloc diagramme qui présente un évènement sismique.
a. Légendez ce document en utilisant la numérotation proposée.
1
1-
Forces de compression
2-
Foyer ou hypocentre
3-
Faille
4-
Ondes sismiques
2
3
Bloc-diagramme d’un séisme
4
2. Cause d’un séisme.
1ère Partie
Le document 4 est un bloc diagramme qui présente un évènement sismique.
b. Rédigez, à l’aide de cet ensemble bloc-diagramme, un texte explicatif du cas sismique proposé, en liant cause et
conséquences.
Séisme
rupture d’une roche soumise à
des tensions en compression (Doc.4)
accumulées pendant des années voire des
siècles, avec formation (cas présent) ou re-jeu
d’une faille.
1
A la limite de la déformation élastique des
roches
libération brutale de l’énergie
accumulée au foyer du séisme sous forme :
- de chaleur (70%)
- d’ondes élastiques en propagation dans tous
les directions de l’espace à partir du foyer.
2
3
Bloc-diagramme d’un séisme
4
Premier lieu en surface atteint par les ondes,
situé à la verticale du foyer : l’épicentre
(d’où les dégâts les plus importants).
Propagation des ondes sismiques avec
amortissement en fonction de la distance
parcourue (hors effet de sol).
2. Cause d’un séisme.
2ème Partie
La Terre est constituée en surface d’une lithosphère rigide, couche d’environ 200 Kms d’épaisseur. Celle-ci surmonte, une
couche de 500 Kms d’épaisseur (de 200 à 700 kms de profondeur), l’asthénosphère ductile.
c. Quel est, pour un foyer sismique, l’intervalle théorique de profondeur auquel on peut s’attendre ?
Séisme : rupture d’une roche rigide soumise à des tensions (compression ou extension).
Séisme ne peut affecter que la lithosphère rigide et non l’asthénosphère ductile,
déformable
Foyer d’un séisme en théorie entre 0 et 200 Kms de profondeur.
2. Cause d’un séisme.
2ème Partie
d. Le document 5a présente un profil de répartition d’une partie des foyers sismiques qui ont frappé, au cours du temps,
la zone du Japon où s’est déroulé l’évènement du 11 mars 2011.
 Quels constats faîtes-vous ?
Foyers sismiques répartis selon un
plan incliné orienté est-ouest avec :
- des foyers sismiques superficiels
à l’est (à l’aplomb du plancher
océanique Pacifique),
- intermédiaires (à l’aplomb de
l’archipel),
- profonds à l’ouest (à l’aplomb du
plancher océanique de la mer du
Japon).
Présence de nombreux foyers
sismiques à des profondeurs > 200
Kms… jusqu’à ≈ 450 Kms à
l’intérieur du globe.
2. Cause d’un séisme.
2ème Partie
d. Le document 5a présente un profil de répartition d’une partie des foyers sismiques qui ont frappé, au cours du temps,
la zone du Japon où s’est déroulé l’évènement du 11 mars 2011.
• En quoi sont-ils contradictoires avec la prédiction théorique en (c).
Résultats contradictoires avec la
prédiction précédente :
Profondeur entre 200 et 700 Kms
Asthénosphère ductile, non
cassable.
Hypothèse d’une plongée de
la plaque lithosphérique Pacifique
sous la plaque Nord-Américaine
selon un angle défini par :
- l’horizontale (surface de la plaque
Nord-Américaine)
- le plan incliné de répartition des
foyers sismiques.
2. Cause d’un séisme.
2ème Partie
e.
Les scientifiques peuvent repérer le mouvement des plaques à l’aide de données GPS présentées sur le document
5b. En prenant en compte, ces données GPS et la contradiction entre prédiction (b) et constats sur la profondeur des
foyers sismiques (c) … proposez une description des phénomènes tectoniques qui se jouent entre la plaque NordAméricaine et la plaque Pacifique (document 5a) au niveau du Japon.
Carte avec fond océanique
visible
Déplacements de la position GPS de certains points dans zone du Japon
(Flèches : sens de déplacement de points GPS)
- Alignement de foyers sismiques =
indicateur de frontière entre 2
plaques lithosphériques (Doc. 5a)
- Déplacement des balises GPS au
niveau archipel du Japon en sens
opposés (Doc. 5b)
2 plaques
lithosphériques en convergence
- Présence d’une fosse océanique à la
frontière entre les 2 plaques (Doc. 5-b.) +
répartition des foyers sismiques selon
un plan incliné orienté est-ouest =
indicateurs tectoniques de la plongée
de la plaque Pacifique sous la plaque
Nord-Américaine.
Fosse océanique : matérialisation de
la flexion de la plaque plongeante.
Epicentre étudié, à la
frontière de 2 plaques
lithosphériques en affrontement.
2. Cause d’un séisme.
2ème Partie
e. Les scientifiques peuvent repérer le mouvement des plaques à l’aide de données GPS présentées sur le document 5b.
En prenant en compte, ces données GPS et la contradiction entre prédiction (b) et constats sur la profondeur des foyers
sismiques (c) … proposez une description des phénomènes tectoniques qui se jouent entre la plaque Nord-Américaine
et la plaque Pacifique (document 5a) au niveau du Japon.
- Formation de la plaque Pacifique au niveau de la dorsale océanique située dans l’Est-Pacifique.
- Expansion de la lithosphère océanique formée à l’axe de la dorsale, entraînant la mise en place de
nouvelles unités lithosphériques (vitesse d’expansion 10cm/an).
- Décrochement et plongée, au niveau du Japon, de la lithosphère Pacifique (120-140 millions
d’années), plus lourde et plus dense (par refroidissement) et enfoncement dans l’asthénosphère située
sous la lithosphère Nord-Américaine.
- Enfoncement provoquant des frottements et des relaxations à l’origine de séismes (foyers
superficiels : 0-60 Kms de profondeur et intermédiaires : 60-300 Kms de profondeur) + résistance du
milieu de par sa densité au-delà de cette profondeur : opposition à la poursuite de l’enfoncement à
l’origine des séismes profonds (jusqu’à 450 Kms dans ex. étudié).
- Répartition des foyers selon un plan incliné matérialisant la trajectoire de la plaque subduite
(document 5-a.).
Epicentre 11/03/2011
Plaque Nord-Américaine
Nord-Est du JAPON
Foyer d’origine
superficielle 11/03/2011Domaine des possibles
(détermination précise
impossible avec les
données fournies)
2. Cause d’un séisme.
2ème Partie
f.
Le séisme du 11 mars 2011 s’est matérialisé par un déplacement de terrain atteignant localement une amplitude
de 60 m ! Sachant que l’expansion de la plaque lithosphérique Pacifique s’effectue à la vitesse de 10 cm.an -1 au niveau
de la dorsale, pendant combien d’années s’est exercée la contrainte déformant la plaque Pacifique avant sa rupture au
niveau du Japon ?
- Vitesse d’expansion de la lithosphère Pacifique = 10 cm.an-1 soit 0,1 m.an-1
- Amplitude du déplacement de terrain = 60 m
Durée de la contrainte = 60 / 0,1 = 600 ans soit 6 siècles.
3. Risque sismique.
Le document 6 représente le zonage sismique (aléa) de la France en vigueur depuis le 1er mai 2011.
a. Définissez les termes suivants :
- Aléa sismique
Probabilité pour un site ou une région de subir une secousse sismique de caractéristiques
données dépendant de :





la périodicité du séisme,
la localisation de l’épicentre,
la profondeur du foyer,
le type de mouvement,
l’énergie développée (magnitude).
- Vulnérabilité sismique
Dépend des personnes et des biens exposés à l’aléa, c'est-à-dire :
 de la population :
• de son niveau d’éducation,
• de son niveau économique et social,
• de la vétusté du bâti liée à la pauvreté,
• de l’existence ou non d’une culture sismique;
 des constructions :
• de la qualité de la fondation,
• du mode de construction,
• des matériaux utilisés,
• des aménagements intérieurs.
- Risque sismique
Résulte de la prise en compte de l’aléa sismique et de la vulnérabilité sismique d’une région
donnée.
3. Risque sismique.
Le document 6 représente le zonage sismique (aléa) de la France en vigueur depuis le 1er mai 2011.
b. Quel est la valeur de l’aléa sismique :
 Dans les Alpes à Grenoble
 Aux Antilles
Justifiez votre réponse.
 Aléa sismique dans les Alpes à Grenoble :
4/5 – probabilité moyenne
 Aléa sismique aux Antilles :
5/5 – probabilité forte
 Pour les Alpes :
Aléa 4/5.
Alpes : chaîne de collision entre la plaque
Eurasiatique (Grenoble) et la plaque adriatique
(partie de la plaque Africaine).
Poursuite du mouvement de convergence de ces 2
plaques.
 Pour les Antilles :
Aléa 5/5.
Poursuite de la subduction des plaques Nord et
Sud Américaines sous la plaque des Antilles.
Détermination d’un épicentre … Méthode des courbes isoséistes (Question 1.b.) … Méthode des cercles :
Soit 3 stations qui enregistrent, chacune, à des instants particuliers les ondes P et S issues d’un même séisme superficiel :
Heures d’arrivée ondes P
Heures d’arrivée ondes S
DRGF
15h 00mn 20s
15h 00mn 35s
SJNF
15h 00mn 12s
15h 00mn 22s
SETF
15h 00mn 06s
15h 00mn 10s
Stations
Positionnez sur la carte ci-dessous l’épicentre du séisme étudié sachant que la vitesse moyenne des ondes P est : 6 Km.s -1 et
celle des ondes S est : 3,5 Km.s-1.
Détermination d’un épicentre … Méthode des courbes isoséistes (Question 1.b.) … Méthode des cercles :
Soit 3 stations qui enregistrent, chacune, à des instants particuliers les ondes P et S issues d’un même séisme superficiel :
Heures d’arrivée ondes P
Heures d’arrivée ondes S
DRGF
15h 00mn 20s
15h 00mn 35s
SJNF
15h 00mn 12s
15h 00mn 22s
SETF
15h 00mn 06s
15h 00mn 10s
Stations
Positionnez sur la carte ci-dessous l’épicentre du séisme étudié sachant que la vitesse moyenne des ondes P est : 7 Km.s-1 et
celle des ondes S est : 3,5 Km.s-1.
3 stations d'enregistrement (lieux différents) enregistrant une composante des ondes P et S.
* Avec une seule station, on peut écrire :
- Temps d'arrivée des ondes P : tp = to + (D / Vp) (1)
- Temps d'arrivée des ondes S : ts = to +(D / Vs) (2)
où :
D* = distance épicentrale inconnue (km)
d ≈ D (cas foyer superficiel)
to = temps d'origine inconnu (s)
Stations
(ts-tp)
D
Vp = vitesse de propagation des ondes P = 6 Km.s-1
Vs = vitesse de propagation des ondes S = 3,5 Km.s-1
DRGF
15s
105 Kms
de (1) et (2) il vient :
SJNF
10s
70 Kms
ts - tp = (D / Vs) - (D / Vp)
ts - tp = D * [(1 / Vs) - (1 / Vp)]
SETF
4s
28 Kms
D = (ts - tp) / [(1 / Vs) - (1 / Vp)] (3)
Connaissant la vitesse moyenne de propagation des ondes P et S et en établissant le délai (ts – tp)
à partir du sismogramme obtenu par cette station
Détermination de D : distance d'une
station d'enregistrement à l'épicentre d'un séisme superficiel donné.
Epicentre