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Les déformations de la plaque Sud-Américaine mesurées par GPS
mis à jour le 11/04/2004
Des activités pratiques de tracé des vitesses absolues puis relatives de différents points situés en Amérique du sud sont proposées en utilisant les données GPS sur les mouvements des plaques.
mots clés : tectonique, déformation, géologie, convergence, lithosphère, GPS, Amérique du sud, subduction, tutoriel, Tice
Introduction
Sélectionner les données à utiliser
Tracer les vecteurs représentant les
vitesses sur un fond de carte
Calculer et tracer les vitesses relatives
Etudier les déformations verticales
Pistes pédagogiques
Depuis la mise en place du système GPS par le ministère de la défense des USA, de nombreuses applications civiles ont pu profiter de la très grande précision du positionnement. Les récepteurs portables atteignent une précision de quelques mètres ou moins lorsqu'ils fonctionnent de façon différentielle. Cela a fortement modifié les usages des géologues sur le terrain qui jusqu'alors dépendaient de cartes plus ou moins précises et des caprices des boussoles et des altimètres. La mise en place d'un réseau mondial de récepteurs fixes dont la précision est millimétrique a permis la mesure des mouvements des plaques lithosphériques sur quelques années. Une grande partie des résultats acquis à ce jour est en accès libre sur le site de la NASA : http://sideshow.jpl.nasa.gov/mbh/series.html
L'exploitation de ces données ne peut se faire en Terminale S que si les élèves ont fait une manipulation en Première S. Si l'on désire exploiter les données brutes recueillies en un point pour mesurer les vitesses latitudinales et longitudinales du point on se référera au travail sur la convergence lithosphérique. L'utilisation graphique des résultats est expliquée sur une autre partie de la rubrique SVT de Nantes ainsi que l'utilisation d'un logiciel de dessin vectoriel pour un travail coopératif sur les vitesses de plaques.
En rompant avec le paradigme de la rigidité absolue des plaques, le programme de Terminale S invite à mettre en évidence les phénomènes qui affectent ces plaques dans les zones de convergence. En prenant l'exemple de L'Amérique du sud, le présent travail propose une démarche qui conduit à mettre en évidence les déformations internes de la plaque.
Sélectionner les données à utiliser
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Les données sont disponibles sur le site de la NASA à l'adresse ci contre: Pour afficher les données dans le système de coordonnées géodésiques, cliquez sur "Géodetic Positions an Velocities" |
http://sideshow.jpl.nasa.gov/mbh/series.html
Copie du menu de la page du Jet Propulsion Laboratory |
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Un fichier appelé table2.txt s'affiche dans le navigateur. Ce fichier contient plusieurs parties. La partie nommée "filtered" correspond à des données traitées après leur acquisitions pour corriger des problèmes de positionnement. C'est donc la plus fiable.
Pour plus de commodité le fichier texte a été converti au format du tableur excel (les valeurs correspondent à celles du fichier table2.txt en janvier 2003) Chaque station est repérée par un acronyme de quatre caractères. Les données d'une station correspondent à deux lignes. La ligne POS donne les coordonnées du point les latitudes (LAT) et longitudes (LON) sont en degrés. Les signes négatifs correspondent respectivement à l'hémisphère sud et à l'ouest du méridien international. Les altitudes sont en mm par rapport au géoïde de référence WGS84. La ligne VEL donne les vitesses (velocities) en mm par an avec les mêmes conventions de signes. |
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Le fichier excel est ouvert avec le logiciel
OpenOffice.org 1.1. Chaque ligne correspond à une station en
utilisant les mêmes conventions que précédemment.
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En activant les commandes
"Données"/"Filtres"/"Autofiltre", le tableur s'affiche comme
une base de données.
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En cliquant sur la flèche à droite
d'un nom de champ, on affiche un menu de filtre. Il faut alors
choisir le filtre standard.
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Pour sélectionner la zone incluant
l'Amérique du sud et la plaque Nazca il faut prendre les
points de latitude inférieureà 10 degrés nord et de
longitude comprise entre 20 et 150 degrés ouest. On remplira
donc la boîte de choix en suivant le modèle ci-contre
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En validant ces choix, on obtient les
données correspondant aux stations recherchées.
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Tracer les vecteurs représentant les vitesses sur un fond de carte
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En utilisant le système d'information géographique (SIG) de l'université de Cornell http://atlas.geo.cornell.edu/ , une carte de l'Amérique du sud a été extraite. Cette carte comporte les limites des plaques impliquées dans la collision andine. Des tracés de parallèles et de méridiens ont été faits de 10 degrés en 10 degrés. La carte a ensuite été retraitée pour constituer un arrière plan dans un fichier de dessin vectoriel pour OpenOffice.org 1.1 En faisant un clic droit avec la souris sur l'illustration ci-dessous vous pouvez enregistrer l'image qui sert d'arrière plan dans la suite des travaux. |
On trouvera toutes les informations utiles sur
l'utilisation de ce SIG sur le site d'Orléans-Tours Des informations sur la fabrication de cartes en dessin vectoriel sont disponibles sur la rubrique SVT de Nantes |
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avec l'autorisation de l'université Cornell http://atlas.geo.cornell.edu/ |
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Pour chacun des points sélectionnés
dans la base de données le premier travail consiste à
repérer l'orientation du vecteur vitesse
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En fonction de l'orientation trouvée on trace approximativement le vecteur représentant la vitesse sur le calque de la feuille de dessin vectoriel. On utilise pour cela l'outil "vecteur" de la boîte à outil "lignes et flèches"
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Pour donner au vecteur des dimensions conformes
au données du tableau, il faut activer le menu contextuel par
un clic sur le bouton droit et choisir le menu "Position et
taille".
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Sélectionner le point de base pour la position et la taille conformément à l'orientation trouvée initialement Les valeurs de largeur et de hauteur correspondent respectivement aux valeurs absolues de vel long. et de vel lat. Ici le logiciel a été réglé pour utiliser les millimètres ("Outils"/"Options"/"Dessin"/"Général"/"Unité de mesure") Une fois les valeurs saisies, la validation permet d'afficher le vecteur conformément au choix |
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En utilisant exclusivement les flèches de direction du clavier, le vecteur est déplacé de tel sorte que son origine corresponde avec la position de la station. Ici la station AREQ est située par 16,47 sud et 71,49 ouest. Une légende est ajoutée avec l'outil "Texte" Le même travail sera exécuté pour chacune des stations. Il est tout à fait possible de faire un travail coopératif pour que chaque binôme de TP se charge du tracé d'une station. Une procédure de mise en commun des résultats est réalisable avec OpenOffice.org 1.1. Voir pour cela les pages spécifiques du serveur de Nantes. |
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avec l'autorisation de l'université Cornell http://atlas.geo.cornell.edu/ |
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Les résultats obtenus montrent clairement
que la plaque Nazca entre en collision avec la plaque
sud-américaine. Cette collision a déjà
été repérée en Première S. Le
véritable fait nouveau est
l'hétérogénéité des vitesses au sein de
la plaque américaine. Si les différents points ne vont
ni à la même vitesse ni dans la même direction,
c'est que la plaque sud américaine se déforme sous
l'effet de la subduction de la plaque Nazca.
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Calculer et tracer les vitesses relatives
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Pour étudier les mouvements de
déformation interne d'une plaque il est préférable
de considérer un des points comme fixe et de calculer les
mouvements des autres points relativement à ce point de
référence. Les équations ci-contre permettent de
calculer les vitesses relatives latitudinales et longitudinales.
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Vel lat relative= Vel lat absolue du
point étudié - Vel lat absolue du point choisi comme
référence
Vel lon relative= Vel lon absolue du point étudié - Vel lon absolue du point choisi comme référence |
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Il faut donc créer dans le tableur quatre nouvelles colonnes qui permettent de calculer ces vitesses. Compte-tenu de l'apparente stabilité de l'est Brésilien (tous les points ont quasiment les mêmes direction et vitesse) on choisira comme point de référence la station BRAZ (Brazilia) Dans l'exemple ci-contre, les cellules J15 et K15 reçoivent les reports des valeurs de vélocité correspondant à BRAZ qui correspond à la ligne 48. Les cellules des colonnes H et I reçoivent respectivement les formules du type =E15-J$15. L'utilisation du signe "$" permet de répéter les formules vers le bas sans fausser le calcul. Cette version du tableur est téléchargeable en cliquant ici |
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avec l'autorisation de l'université Cornell http://atlas.geo.cornell.edu/ |
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Les nouvelles valeurs obtenues sont ensuite utilisées pour réorienter puis reparamétrer les vecteurs de la carte précédente de la même manière que ce qui est décrit dans la section concernant le tracé des vecteurs vitesse absolue. Le résultat montre clairement que l'ouest du continent sud américain se rapproche de la partie est. Il y a donc raccourcissement de la lithosphère au niveau de la cordillière des Andes. La partie est du continent montre des vitesses relatives qui sont tellements faibles qu'elles ne peuvent pas être considérées comme significatives. On peut donc opposer une lithosphère stable à l'est à une lithosphère qui se déforme au voisinage de la zone de subduction. |
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Etudier les déformations verticales
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Une plaque étant constituée de matériaux solides, le raccourcissement doit faire appel à un épaississement de la plaque sur la bordure occidentale. En utilisant les données de vitesse altimétrique, une nouvelle carte a été fabriquée. |
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avec l'autorisation de l'université Cornell http://atlas.geo.cornell.edu/ |
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Les valeurs de vitesses altimétriques
étant généralement faibles, nous pouvons
difficilement faire une analyse précise. On constate
toutefois que la partie orientale de l'Amérique du sud a des
mouvements moins amples que ceux de la partie occidentale. La
notion de cordillière liée à la convergence est
ainsi fondée.
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L'exploitation des données GPS offre plusieurs possibilités.
Le programme de Première S permet de dresser la carte des vitesses absolues des différentes plaques. La séance d'activité pratique a été centrée sur un travail collaboratif dans lequel chaque binôme trace le vecteur vitesse du récepteur qui lui a été attribué par le professeur. Il faut donc ouvrir le tableur et le document graphique représentant une planisphère, sélectionner les bonnes valeurs et représenter graphiquement le vecteur en le positionnant en fonction de sa latitude et de sa longitude. Chaque groupe enregistre son travail et la mise en commun est possible en procédant au report des calques des différents groupes sur le document de synthèse. Ce document est imprimé et chacun peut ensuite procéder à son exploitation.
En Terminale S les manipulations seront du même ordre mais on se limitera à un contexte de collision de deux plaques. Si la maîtrise du tableur par les élèves le permet, il est possible de faire tracer les vitesses relatives selon le même principe. Ainsi la notion de déformation interne de la plaque apparaît beaucoup plus nettement.
Ces séquences sont évaluables tant en matière de maîtrise des outils que d'obtention de représentations exactes.
Les données GPS peuvent aussi faire l'objet de TPE. On consultera à ce propos le travail de deux groupes de Première S à propos des déformations de la lithosphère européenne.
François Cordellier, professeur de SVT au lycée Jean Perrin de Rezé
information(s) pédagogique(s)
niveau : 1ère
type pédagogique : travaux pratiques, tutoriel
public visé : enseignant
contexte d'usage : atelier, classe, laboratoire, salle multimedia
référence aux programmes :
Structure, composition et dynamique de la Terre
La convergence lithosphérique et ses effets
fichier joint
information(s) technique(s) : fichier zip à décompresser
taille : 1 mo ;
sciences de la vie et de la Terre - Rectorat de l'Académie de Nantes