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traiter des séries de mesures GPS pour mettre en évidence des mouvements relatifs de la lithosphère

mis à jour le 09/02/2005


traitements

Les séries temporelles de mesures GPS sont traitées avec un tableur pour calculer des déplacement relatifs entre des plaques lithosphériques ou à l'intérieur de celles-ci lors de séismes.

mots clés : séisme, GPS, plaques, lithosphère, convergence, subduction, déformation, tableur, Tice, tutoriel


Objectifs

Les données GPS des récepteurs fixes peuvent êtres acquises assez facilement auprès de serveurs Internet qui les mettent gratuitement à la disposition des chercheurs et des étudiants. Ces données sont généralement au format texte et doivent être converties avant utilisation. Il devient ainsi possible d'utiliser un tableur grapheur pour calculer et représenter graphiquement des mouvements relatifs d'une station par rapport à une autre. Le travail a été entrepris avec Excel 2000. Par souci de simplicité et de compatibilité avec OpenOffice.org, la procédure employée n'utilise pas de macro mais celles-ci peuvent être mises au point par automatisation de la démarche si l'on a un grand nombre de données à traiter. Des fichiers de données déjà converties sont disponibles au format Excel pour faciliter le travail de ceux qui voudraient utiliser les données relatives aux différents exemples sans avoir à entreprendre la démarche de conversion. Cette fiche technique fait parti d'un dossier consacré aux "déformations de la lithosphère étudiées par GPS"

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Acquisition des données

L'objectif du traitement est de produire sur un tableur grapheur un ensemble de données qui montre les variations de la différence de position entre deux stations GPS. Il faut donc collecter des données concernant au moins deux stations GPS. Le site de la Nasa http://sideshow.jpl.nasa.gov/mbh/series.html permet de télécharger des fichiers de données brutes à partir d'un serveur FTP il suffit de cliquer sur "FTP Numerical Results"

Le dossier "filtered" ne contient que certains fichiers de particulièrement bonne qualité alors que le dossier "point" contient les résultats de toutes les stations. Si la station recherchée ne se trouve pas dans le premier, utiliser le second dossier.
On a choisi ici d'étudier les mouvements de la station AREQ par rapport à la station KOUR. Trois fichiers correspondent à une station. Le fichier AREQ.lat correspond aux variations de latitude, le fichier AREQ.lon aux longitudes et le fichier AREQ.rad correspond aux altitudes. Télécharger ces trois fichiers ainsi que ceux correspondant au récepteur KOUR (KOUR.lat, KOUR.lon et KOUR.rad). Garder une copie de chacun des fichiers dans un dossier spécifique. Un exemplaire de chacun de ces fichiers est téléchargeable à la rubrique téléchargement ci-dessous pour permettre de s'entraîner

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Conversion des fichiers au format txt

Pour pouvoir être lus facilement, Les fichiers vont ensuite être renommés en changeant le suffixe. En utilisant la fonction renommer on aura ainsi respectivement AREQlat.txt, AREQlon.txt, AREQrad.txt, KOURlat.txt, KOURlon.txt et KOURrad.txt,
 

Ce court extrait du fichier au format texte montre que chaque ligne correspond à une date en année décimale avec quatre chiffres après la virgule. Les données suivantes concernent :
- l'écart à la position de référence,
- l'incertitude de cet écart,
- le code de la station,
- le nom de la mesure (LAT, LON ou RAD),
- la date en notation abrégée américaine au format texte.

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Conversion au format "Excel"

Les manipulations décrites ont été effectuées avec Excel 2000 mais elles sont très voisines de celles qui sont réalisables avec Excel 97 ou les versions ultérieures. Le premier acte consiste à ouvrir le logiciel avant d'ouvrir le fichier .txt.

Il faut ensuite demander l'ouverture du fichier au format .txt. Le logiciel propose une série de trois boîtes de dialogue qui permettent de régler l'affichage des données dans le tableur.

Pour ce cas précis il suffit de garder toutes les options par défaut en cliquant deux fois sur "suivant" puis sur "terminer"

Dans la notation américaine des nombres, le point est le séparateur décimal. Sur les versions françaises d'Excel les nombres avec des points sont donc reconnus comme des textes. Pour forcer Excel à les reconnaître comme des nombres il faut remplacer tous les points par des virgules. En cliquant "Remplacer" dans le menu "Edition", Une boîte dialogue permet de paramétrer le remplacement.

Cliquer ensuite sur "Remplacer tout" et vérifier maintenent que toutes les données numériques sont considérées comme telles.

Terminer ensuite la manipulation en faisant une copie de sauvegarde au format Excel.

 

  Faire le même travail pour les six fichiers textes.

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Mise en relation des séries de mesures, calcul de la variation de latitude et tri des données utilisables

Plutôt que d'observer le mouvement absolu de la station, il a été choisi de l'observer de façon relative c'est à dire en calculant les variations des différences de latitude et de longitude entre la station à étudier (ici Arequipa au Pérou) et une station de référence (ici Kourou). On dispose donc de trois paires de fichiers tels que celui reproduit à droite.

L'objectif de la manipulation est d'obtenir un fichier ou les deux séries de mesures sont mises en parallèle de façon à pouvoir représenter graphiquement les variations temporelles de positions d'Arequipa par rapport à une autre station qualifiée de station de référence.

On remarquera que seule les deux premières colonnes seront utilisées.

Ouvrir un nouveau tableur Excel que l'on appellera par exemple AREQ_KOURlat.xls et y recopier les deux premières colonnes du fichier AREQlat.xls

Ouvrir ensuite le fichier de la station de référence KOURlat.xls et décaler la colonne B dans la colonne C en insérant une colonne en deuxième position.
Recopier les données des trois premières colonnes de KOURlat.xls sous les données de la station d'AREQlat.xls. De cette manière, la colonne des dates est désordonnée mais les données de positions ne risquent pas d'être écrasées.
Pour éviter toute perte de données il est maintenant nécessaire d'insérer une ligne en première position pour donner un nom à chaque colonne. Une quatrième colonne destinée à accueillir les données calculées sera créée avec pour intitulé AREQ-KOUR.

Pour ordonner la série des dates il faut au préalable transformer notre tableur en base de données. Pour cela il faut mettre toutes les colonnes concernées en surbrillance et choisir "Données", "Filtre" puis "Filtre automatique".

Les têtes de colonnes se transforment alors par addition d'une petite flèche qui ouvre une boîte de dialogue.

Procéder ensuite à la mise en ordre de la colonne A par la commande "Données" puis "Trier" en choisissisant la colonne A et l'ordre croissant.

On remarquera que beaucoup de données sont partielles. A certaines dates, une des deux stations n'a pas fait d'enregistrement. Toutes ces mesures ne sont pas utilisables et il faut trouver une formule pour afficher uniquement ce qui est significatif.

Le fragment de fichier ci-contre montre que si deux cellules consécutives An et An+1 contiennent la même date on peut s'en servir pour calculer la variation de la latitude entre AREQ et KOUR. Cette variation est égale à AREQlat-KOURlat soit Bn - Cn+1. Si ce n'est pas le cas on demandera le renvoi d'un message signifiant que la mesure est absente.

Dans la cellules D2 sera saisie l'expression ci-contre qui est la traduction de la phrase ci-dessus. Cette formule sera étendue vers le bas en faisant glisser la petite croix située dans le coin inférieur droit de la cellule. La colonne D contient maintenant les variations de la différence de latitude entre AREQ et KOUR.

Lorsqu'une des deux mesures manque, la mention "abs" s'affiche

 

En utilisant la boite de requête à droite de l'étiquette AREQ-BRAZ on affiche une boîte de dialogue qui permet de sélectionner toutes les lignes qui ne contiennent pas la mention "absent" dans la colonne D. Il faut pour cela choisir un filtre personnalisé.

On possède maintenant une table qui donne les variations de la différence de latitude en fonction du temps.

Il va être possible d'en tracer une représentation graphique.

 

Ce travail sera aussi fait pour les variations de différences de longitudes et d'altitudes.  

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Traçage de représentations graphiques

Pour représenter graphiquement la variation de différence de latitude entre AREQ et KOUR sélectionner d'abord la colonne A puis la colonne D en maintenant la touche <ctrl> enfoncée.
Sélectionner l'outil graphique
Choisir un graphique en nuage de points.
Indiquer les titres et les légendes
Placer le graphique sur une nouvelle feuille.
  Au terme de ce travail sur les variations de latitude entre Aréquipa et Brazilia, on voit qu'une brutale rupture de pente affecte la série temporelle. Il faut maintenant réaliser les mêmes traitements pour les variations de différences de longitude. Pour l'interprétation de ces résultats on se reportera à la page concernant le séisme d'Arequipa

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Pistes pédagogiques

Le traitement développé ci-dessus peut être utilisé pour tout les couples de station dont les séries temporelles sont disponibles sur le serveur http://sideshow.jpl.nasa.gov/mbh/series.html

Il est ainsi possible de traiter tous les types de mouvements relatifs à condition de posséder des séries temporelles établies sur la même base de temps.

Pour ce qui concerne la géologie, les thèmes ci-contre seront explorés dans le présent dossier mais la liste n'est pas exhaustive. Selon le problème traité, le niveau et le type d'activité, l'étendue du travail fourni par les élèves ne sera pas la même.

La recherche et la conversion des fichiers bruts ne peuvent être envisagées qu'en TPE ou à la rigueur en IDD tandis que les traitements de tableurs déjà enregistrés et la construction des représentations graphiques peuvent faire partie d'une activité pratique en classe de quatrième de première ou de terminale S. On notera que les compétence nécessaires sur le tableur sont celles qui sont inscrites au B2I niveau 2.

Fonctionnement d'une faille inverse liée à la subduction de la plaque Nazca sous la plaque sud américaine.

Mise en évidence des mouvements de la lithosphère liés au Tsunami du 26 décembre 2004

Pour faciliter le travail des collègues un certain nombre de fichiers déjà convertis sont fournis avec différents niveaux de traitement dans une section spéciale de ce dossier. Données utilisées

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auteur(s) :

François Cordellier, professeur de SVT au lycée Jean Perrin de Rezé

information(s) pédagogique(s)

niveau : 4ème, 1ère S, Terminale S

type pédagogique : travaux pratiques, démarche pédagogique, tutoriel

public visé : enseignant

contexte d'usage : salle multimedia, classe, laboratoire

référence aux programmes :

L'activité interne du globe
Structure, composition et dynamique de la Terre
La convergence lithosphérique et ses effets 

La tectonique des plaques : l'histoire d'un modèle




fichier joint

information(s) technique(s) : fichier pdf

taille : 564 ko ;

ressource(s) principale(s)

GPS sismo les déformations de la lithosphère étudiées par GPS 20/02/2005
Les séries temporelles de mesures GPS sont utilisables pour calculer les amplitudes des déformations de la lithosphère à petite échelle et en particulier les mouvements des failles.
séisme, GPS, plaques, lithosphère, convergence, subduction, déformation, tectonique, Arequipa, Sumatra, isostasie, tsunami, tice François Cordellier

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