UE 1 de L3 STU « Tectonique et Tectonophysique - Perso-sdt
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Licence S5 2015-2016 UE 1 de L3 STU « Tectonique et Tectonophysique » Partie J. Déverchère • A. Déformation cassante: Géométrie des failles et structures tectoniques (2 séances CM) • 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) • TP: Déformation finie Licence S5 2015-2016 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 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 A. Outils Global Positioning System 3 segments: Doc. E. Calais 6 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: satellite 1 r1 Vous êtes ici – différence de temps entre les deux: dt -> pseudistance r = “pseudorange” -> Inconnue supplémentaire => 4 observations = 4 satellites visibles ensemble NECESSAIRES x Terre, référentiel Cartésien fixe Doc. E. Calais 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 7 B. Positionnement GPS: compléments sur: Doc. E. Calais Signal GPS: B. Positionnement GPS: compléments sur: Pseudo-distances: Doc. E. Calais 8 B. Positionnement GPS: compléments sur: Pseudo-distances: Doc. E. Calais 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 9 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 1. Campagnes GPS Campagne GPS typique, avec tripode, Mongolie § Stratégie de terrain Campagne GPS typique, République Dominicaine – – – – 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 10 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
