mardi 29 novembre 2011

La sismologie, plus que des séismes - Reconnaître les explosions nucléaires

Le sismologue est un géologue qui interprète les traces sismiques.

Source : Indiana University
Les ondes P (compression, primaires), plus subtiles, arrivent en premier alors que les ondes S (cisaillement, secondaires) arrivent plus tard et ces deux ondes permettent de calculer la distance entre le sismographe et l'épicentre.
À l'aide de plusieurs sismogrammes, il est capable de calculer la profondeur d'un tremblement de terre et sa position à la surface de la planète.

Source : USGS
L'onde P est l'onde de compression, la première onde à être enregistrée. L'onde pP et sP
servent à calculer la profondeur d'un séisme.
À travers le monde, les sismographes peuvent enregistrer plus de 20 000 tremblements de terre par année. Ces chiffres sont conservateurs car certains tremblements de terre, avec de très petites magnitudes, surviennent tous les jours dans des régions qui ne sont pas couvertes par les sismographes.

Cependant, les sismologues ne font pas que suivre les séismes naturels. En effet, les séismes d'origine humaine peuvent être enregistrés et ont une courbe très différente d'un séisme naturel.

La sismique et les essais nucléaires

Depuis les premiers essais nucléaires aux États-Unis en 1945, les sismographes ont servi à enregistrer les effets sur les sols environnants. Puisque les sismographes peuvent voir un séisme à des milliers de kilomètres de l'épicentre, les sismologues sont les témoins privilégiés des tests atomiques effectués dans n'importe quel pays. Ces informations n'étant pas classifiées, il est important pour un sismologue de savoir faire la différence entre une signature naturelle et une plus humaine.

Le TICE (Traité d'interdiction contre les essais nucléaires, ou le CTBT en anglais) a été signé aux Nations Unis en 1996 mais n'a pas encore été enforcé. Pour l'instant, le TICE se contente d'observer, d'analyser et d'enregistrer les possibles essais nucléaires.

L'une des principales différences entre un séisme naturel et un essai nucléaire (ou de tout autre forme d'explosion) est la profondeur du séisme. Habituellement, même dans le cas d'essais souterrains, le séisme généré par une explosion se produira près de la surface ( tout au plus à quelques centaines de mètres de profondeur) alors que plusieurs tremblements de terre de même magnitude se situerait à des profondeurs d'au moins une dizaine de kilomètres.

L'une des principales caractéristiques d'un essai nucléaire est le ration onde P versus onde S. Comme le premier graphique le montre, pour un séisme d'origine naturel, l'onde P est beaucoup plus faible que l'onde S. Dans le cas d'un essai nucléaire, la force de l'explosion est telle que l'onde P va être pratiquement de la même magnitude que l'onde S, sinon plus grande.

Source : Lawrence Livermore National Laboratory
Le premier tracé montre l'enregistrement sismique pour un essai nucléaire, comparé à des séismes naturels survenus dans la même région.
Utile seulement pour les essais nucléaires?

Les sismographe ne servent pas qu'exclusivement à différencier un tremblement de terre naturel d'un essai nucléaire. En Août 2000, une pipeline de gaz naturel a explosé au Nouveau-Mexique. Des sismographes localisés à proximité ont enregistré l'événement. Les sismologues ont pu aider à retracer et analyser les événements menant au feu.

Source : New Mexico Tech
Les trois sismographes (du plus près de l'explosion au plus loin) ont enregistré trois explosions distinctes. Également visible sur les enregistrements sont les ondes associées au feu qui a suivi l'explosion #2.

En fait, avec le nombre impressionnant de séismes naturels (dus à la tectonique, aux volcans, aux effondrements naturels) enregistré à tous les ans, les sismologues sont des experts à repérer ce qui n'est pas dû aux éléments naturels. Ils sont en fait des espions à l'écoute de tout ce qui fait trembler la terre, de façon naturelle ou humains.

Pour en savoir plus...
Forensic Geophysics (bombes, explosion dans un sous-marin, essai nucléaire, etc)
Forensic Seismology supports the Comprehensive Test Ban Treaty
New Mexico Pipleine Explosion Seismic Study

mardi 22 novembre 2011

Trois beaux sites à intérêts géologiques

La géologie englobe beaucoup plus que l'étude et l'analyse d'événements destructeurs tels que des tremblements de terre et des séismes. Quelque fois, il s'agit d'expliquer des beautés naturelles.

Voici trois sites géologiques qui me fascinent particulièrement.

La cave des Cristaux Géants, mine de Naica, Mexique

Source : National Geographic

Le site de la mine de Naica a été découvert en 1794, au sud de la ville de Chihuahua. Jusqu'en 1900, l'intérêt principal de cette mine était l'argent et l'or pour ensuite faire place au zinc et au plomb.

Peu de temps avant la fermeture de la mine en 1911 (elle sera réouverte en 1922), une première cave contenant des cristaux exceptionnels fut découverte à une profondeur de 120 mètres. Cette cave est surnommée la "cave des épées" compte tenu des cristaux d'environ un mètre qui parsemaient le sol et les parois.

Ce n'est qu'en 2000 que la cave des Cristaux Géants a été découverte lorsque la construction d'un nouveau tunnel a brisé une paroi de cette caverne. Aussitôt, les responsables de la mine ont fait plusieurs démarches pour garder cette cave intact. Une porte de fer en ferme l'accès et le tunnel fut détourné.

Cette caverne naturelle s'est créée à l'intérieur d'une montagne de "pierre à chaux" (limestone), un calcaire qui se dissout facilement dans l'eau. Le limestone est reconnu pour donner naissance à des réseaux de cavernes, un peu partout dans le monde. En fait, avant la construction du tunnel, la compagnie minière avait pompé l'eau qui se trouvait dans les failles environnantes, ce qui a permit de vider la caverne et de dévoiler ses richesses.

Source : National Geographics

La taille des cristaux de sélénite est exceptionnelle : le plus grand cristal mesure près de 14 mètres de hauteur pour une largeur de 4 mètres. La sélénite est une des formes de gypse, et les cristaux se sont formés grâce à la chaleur et l'humidité ambiante. Après le pompage, la température à l'intérieur de la cave atteint les 65°C (150°F) et l'humidité est de 100%. Une personne ne peut survivre dans de telles conditions pour plus de 10 minutes sans subir des dommages physiques et mentales. La cave n'est pas ouverte au publique.

À quelques kilomètres sous la caverne se situe une chambre magmatique qui chauffe l'eau dans les cavernes, créant un lieu propice à la croissance des cristaux. D'ailleurs, depuis que l'eau a été pompée, des dommages sont visibles sur les cristaux. La compagnie minière compte sceller et submerger la caverne pour préserver les cristaux.

La Chaussée des Géants, Irlande du Nord

Cette formation, qui ne se retrouve pas uniquement en Irlande, est le résultat du refroidissement de lave chaude en contact directe avec l'eau (comme dans le cas actuel de Hawaii). Le refroidissement rapide crée, en majorité, un craquement hexagonale (structure à six côtés) du basalte ainsi formé, à cause de la contraction de la roche. Plus ce refroidissement est rapide, plus les hexagones de basalte seront petits.


Source : Travels in Ireland

D'autres structures semblables se retrouvent dans le monde. La Gorge de Garni (en Arménie) et Devil's Postpile en Californie en sont deux exemples intéressants.

Les Chutes Victoria, entre le Zambie et le Zimbabwe

Source : Victoria Falls Guide
Cliquez sur le lien pour voir d'autres images

Les Chutes Victoria ne sont ni les plus hautes (108 mètres) ni les plus longues (1708 mètres), mais en saisons de plus. elles sont les plus larges, formant un mur d'eau ininterrompu sur toute leur longueur.

La rivière Zambèze coule sur un plateau de basalte (roche volcanique très dure). Le plateau est entrecoupé de fractures qui donnent accès au grès, une pierre sédimentaire beaucoup plus friable et qui se trouve sous le basalte. Le grès se désagrège sous la force de l'eau qui coule à angle droit avec les fractures dans le basalte. Au fil du temps, la rivière a creusé 8 gorges, reculant lentement la position des chutes sur la rivière.

Source : World Heritage Sites

La vidéo suivante a été prise au "Devil's Pool", une piscine naturelle au sommet des chutes. Un rebord de basalte empêche les gens d'être emportés par le courant. Les moments les plus intéressants sont à 0:20 et à partir de 2:00. Pour ceux qui n'aiment pas les rivières, chutes d'eau et hauteurs, cette vidéo n'est peut-être pas conseillée!



Pour en savoir plus...
Les cristaux de la mine de Naica
La Chaussé des Géants
Histoire des chutes Victoria

mardi 15 novembre 2011

Le monde des volcans - Bouclier, stratovolcan, fissure, tuya...

Au cours des derniers mois, plusieurs volcans ont fait les manchettes. À chaque fois, le type de volcan en éruption était indiqué, sans plus d'explications. Un volcan de point chaud à l'île de Hierro, une fissure volcanique au Chili ou encore la caldera de l'ancien stratovolcan de Nabro, il semblerait qu'un volcan ne peut être qu'un volcan. Voici un petit guide, qui je l'espère, permettra de reconnaître les différents types de volcan.

Aperçu général du volcan

En général, un volcan se compose d'une chambre magmatique situé à plusieurs kilomètres sous le volcan, d'une cheminée volcanique, des cheminées secondaires et un cratère. Les pentes du volcan sont formés par les couches de lave refroidies qui se sont écoulées du volcan.

C'est dans la chambre magmatique que s'accumule le magma sous le volcan avant une éruption. Lorsque la pression est suffisante, le magma va remonter dans les cheminées, principale et secondaires. Le cratère est le cône par lequel s'écoule la lave.
Source

Le Volcan Bouclier

Le volcan bouclier se distingue par une apparence plate. Les pentes sont peu prononcées et les coulées de lave peuvent couvrir plusieurs dizaines de kilomètre tout autour du volcan. Les éruptions ne sont pas explosives et le volcan va se former lorsque le magma est très fluide.

Un des volcans boucliers les plus célèbres est le volcan Mauna Loa qui couvre 85% de l'île de Hawaï. Sa base est au niveau du plancher océanique et il est le plus gros volcan sur la planète.

Le volcan Nyamuragia, au Congo, qui est entré le 6 novembre dernier dans sa plus violente éruption dans la dernière centaine d'années, est également un volcan bouclier.

Source : Geology and tectonics of Þingvellir
Le mont Skjaldbreidur (Islande), dont le nom signifie "volcan bouclier"

Le Stratovolcan

Le stratovolcan, appelé également volcan composite, a une forme plus conique que le volcan bouclier, dû à la texture "pâteuse" de la lave. Cela fait en sorte que la lave coule moins vite que dans le cas du volcan bouclier, et donc, elle ne se rend pas aussi loin autour du volcan. Les différentes couches de lave vont se refroidir en alternance avec les débris volcaniques (roches, cendres, etc), ce qui forme un volcan en "couches".

Il est "l'image" modèle du volcan.

Leurs éruptions sont habituellement explosives et dévastateurs. L'une de leurs particularités sont les "bombes", des roches de taille variant entre un livre et une voiture, qui sont éjectés du volcan jusqu'à des distances de 20 km autour du volcan.

Particulièrement communs sur les zones de subduction, ils se retrouvent un peu partout à travers le monde. Ils sont également présents sur certains points chauds.

Les Monts St-Helens et Rainier aux États-Unis, le Popocatépetl au Mexique, le Mont Garibaldi en Colombie-Britannique (Canada), Mont Erebus en Antarctique, le Krakatoa en Indonésie, le mont Fuji au Japon, le Pinatubo aux Philippines, Eyjafjallajökull en Islande, les monts Etna et Vésuve en Italie ne sont que quelques exemples bien connus d'un stratovolcan.

Source : Wikipedia
Mont Popocatépetl, situé à 70 km au Nord-Ouest de la ville de Mexico.
Les Fissures Volcaniques

Les fissures volcaniques ressemblent à des failles dans le sol desquelles la lave s'échappe.

Contrairement à l'image du volcan traditionnel, une montagne, les fissures volcaniques sont plates. On les retrouve habituellement sur les fonds océaniques le long des dorsales (la dorsale médio-atlantique entre autre).

Lorsque les fissures ne sont pas associées à une dorsale, elles se retrouvent près d'un volcan bouclier. Dans tous les cas, il s'agit d'une faille qui s'ouvre sous la pression du magma.
Source : The Center for the Study of Active Volcanoes
Fissure volcanique associé au volcan bouclier de Kilauea (Hawaii)

Le Cône Volcanique

Le cône volcanique partage une caractéristique avec le stratovolcan : des pentes abruptes. Au contact de l'air, la lave va se solidifier en emprisonnant des bulles d'air dans la roche vitreuse. Le volcan est ainsi formé de cendres volcaniques et de débris, trop légers pour que la lave s'écoule du sommet, elle va plutôt sortir par les côtés. Si la lave monte jusqu'au sommet, l'éruption va ressembler à une fontaine.

Ces volcans se retrouvent habituellement à l'intérieur d'un cratère (lors d'une nouvelle éruption), ou sur les flans des autres volcans. Ils montrent alors la présence d'une nouvelle cheminée dans le volcan.

Le cône volcanique le plus célèbre est celui de Paricutin, au Mexique, qui s'est élevé au milieu d'un champ de maïs, en 1943, et a été en éruption pendant 9 ans avant son extinction. Dès sa première journée, le cône avait déjà atteint 50 mètres de hauteur. Il est exceptionnel que la vie complète d'un volcan puisse être étudiée en temps réel.
Source : USGS
Cône volcanique sur un flan du volcan bouclier Mauna Lao (Hawaii)

Les Tuyas

Les Tuyas sont des anciens volcans (éteints) de type bouclier qui sont entrés en éruption sous un glacier. La lave a fait fondre la glace autour du cratère, mais à cause du poids et de la température du glacier, la roche s'est refroidie sur place, avant de pouvoir faire fondre la glace le long des parois pour s'écouler.

Les Tuyas ont une forme particulière de "table" et sont rares puisqu'ils ne se retrouvent que dans les endroits ayant été recouverts de glaciers, en plus d'avoir une activité volcanique.

Le nom de Tuya provient du nom d'une chaîne de montagnes en Colombie-Britannique (Canada) et de Tuya Butte qui fit l'objet de la première étude géologique sur les Tuyas.

Les Points chauds


Les points chauds sont des endroits sur Terre où le volcanisme n'est pas associé à une zone de subduction. Les points chauds restent stationnaires et peuvent devenir éteint après plusieurs millions d'années.

Puisque les points chauds ne se déplacent pas, mais que les plaques tectoniques oui, les points chauds peuvent naissance à une série d'île (dans l'océan) ou une série de montagnes.

Le terme point chaud provient du fait que le manteau de la terre en cet endroit est beaucoup plus chaud qu'ailleurs, ce qui permet au magma de remonter vers la surface. Ce sont des points d'ébullition.

Un point chaud peut se développer en volcan bouclier ou en stratovolcan puisque ceux-ci dépendent en particulier de la consistence du magma.

Hawaii est l'exemple le plus connu, l'Islande, Yellowstone, et les Azores sont également des points chauds. Le volcan Nabro, en Erythrée, est situé près d'un point chaud (Afar).
Source : USGS

La Caldera

Une caldera est le nom donné au cratère d'effondrement à l'endroit d'un ancien volcan. Après une éruption volcanique, la chambre magmatique est vide et va s'effondrer sous le poids du volcan au-dessus d'elle.

Lorsque l'activité volcanique reprend dans une caldera (la chambre magmatique se rempli à nouveau, forçant les débris de l'effondrement vers le haut), un nouveau dôme va se former dans la caldera.

La caldera ne représente pas un volcan ou un cratère, elle représente un volcan qui s'est effondré. Une caldera peut se former progressivement (au fur et à mesure de l'évacuation du magma) ou de façon explosive (lorsqu'une grand partie du magma s'échapper d'un coup).

Une caldera peut être active (comme à Yellowstone) avec des déformations du sol, des geysers, etc. Elle peut éventuellement exploser (Toba). Tant que l'édifice volcanique ne sera pas à nouveau en place, on ne peut parler de volcan.
Source : USGS
Caldera Aniakchak, Alaska. La caldera a un diamètre de 10 km.

La vidéo suivante est une démonstration de la formation d'une caldera par le USGS (un ballon dans de la farine, le ballon est rempli d'air pour simuler un volcan, et l'air est expulsé pour simuler l'expulsion du magma).


Autres termes associés aux volcan

D'autres termes peuvent être associés aux volcans. En voici quelques uns.

Lahars. Les lahars sont constitués des débris et cendres volcaniques déposées autour du volcan et qui sont emportés par l'eau comme de la boue. Ces coulées sont souvent le résultat des débris dans une rivière. Très dangereuses.

Téphras. Les téphras sont les débris éjectés par le volcan. Ils prennent la forme de cendres, de roches et de blocs qui peuvent atteindre la taille d'une voiture (ces derniers sont également appelé bombes volcaniques)

Coulées pyroclastiques (nuées ardentes). Un mélange de gaz, de cendres et de blocs de tailles diverses, le tout à très haute température (au moins 500°C), qui dévale les pentes du volcan. Les nuées ardentes sont très rapides (au moins 100km/h) et détruit tout sur son passage. Ce sont les nuées ardentes qui ont tués les habitants de Pompéi lors de l'éruption du Vésuve en 79.

La vidéo suivante est un exemple d'une coulée pyroclastique lors de l'éruption volcanique de Unzen, dans la préfecture de Nagasaki au Japon, en 1991. Cette coulée a fait 43 morts.


Pour en savoir plus...
Shield Volcano (USGS)
Éruption du volcan Nyamuragira, au Congo, le 6 novembre 2011 (vidéo)
Stratovolcano (USGS)
Paricutin, the volcano born in a Mexican cornfield (livre, 1993)
Article sur les cônes volcaniques en Arizona
Tuyas : flattened volcanoes

mardi 8 novembre 2011

Les Vikings auraient-ils pu utiliser un cristal pour naviguer?

Des légendes Vikings parlent d'une "pierre du soleil" qui permettraient de naviguer même lorsque le ciel était couvert. C'est ce qui leur aurait permit de mettre le pied sur le sol nord-américain plusieurs centaines d'années avec les Européens.

Cependant, aucun outil ou "pierre du soleil" n'a été trouvé jusqu'à présent dans les tombes des rois vikings (dont certains se faisaient enterrer avec un bateau et leur trésor) ou dans les épaves de bateaux coulés. Cette "pierre du soleil" reste une légende.

Récemment, des scientifiques ont créé ce à quoi une telle "pierre du soleil" aurait pu ressembler, avec des matériaux qui leur aurait été disponible.

Source : Guy Ropars, Université de Rennes
L'utilisation en est très simple. Après calibration durant une journée où le soleil est présent, une personne n'a qu'à placer cette boite à l'extérieur et observer les deux points lumineux qu'on peut voir au fond de cette boîte. Ensuite, l'utilisateur va tourner la boite pour que les deux rayons aient la même intensité lumineuse. À ce moment, la flèche pointe vers le soleil.

Un minéral nommé Calcite

Le secret est dans le cristal utilisé dans la boite. Il s'agit d'un simple cristal de calcite, connu également sous le nom de "calcite optique" et "Spath d'Island (Iceland Spar)".

Source : Gemstone Buzz 
Cette pierre est très connu grâce à sa capacité à "dédoubler" tout ce qui est placé derrière, comme dans l'image ci-haut. Ce phénomène est la biréfringence.

Un peu de physique : la biréfringence

La lumière naturelle du soleil (non-polarisée) qui passe à travers ce cristal se sépare en deux rayons polarisés : le rayon ordinaire et le rayon extraordinaire. 

Source : Leland Standford Junior University
Scintillator Materials Group
L'intensité lumineuse pour chacun de ces rayons va varier en tournant le cristal. À un angle particulier, l'intensité lumineuse des deux rayons va être égale, à un autre angle, un va être brillant et l'autre opaque et à un autre angle, les deux rayons seront opaques (tout cela grâce à la polarité des rayons). Voir la vidéo qui démontre cette caractéristique (pas besoin de comprendre l'anglais).

Ainsi, il n'y a que deux angles pour lequel il est facile de stabiliser le crystal de manière répétitive : lorsque les deux points ont la même intensité lumineuse et lorsqu'ils sont tous les deux opaques. 

Les Vikings n'auraient eu qu'à calibrer l'appareil (en fonction de la calcite) pour que l'aiguille pointe vers le soleil à ce moment précis. Par la suite, malgré la couverture nuageuse, la lumière du soleil parviendrait tout de même à la boite et l'utilisateur n'aurait qu'à tourner la boite pour obtenir deux points de même brillance et l'aiguille pointerait vers le soleil. 

La "pierre du soleil" aurait donc pu exister grâce à la calcite, une pierre disponible un peu partout en Scandinavie.

mardi 1 novembre 2011

Séisme au Pérou - 28 Octobre 2011

Un séisme de 6.9 a frappé le centre du Pérou, vendredi le 28 octobre 2011, près de la ville de Ica, au sud-est de la capital du pays, Lima.

Source : Google Earth

La même région a été touché par un tremblement de terre d'une magnitude de 8.0 le 15 août 2007, faisant plusieurs centaines de morts et beaucoup de dommages aux structures. La ville de Pisco fut détruite à 80%.

En 2007, le tremblement de terre s'était produit à une plus grande profondeur (39 km) qu'en 2011 (23,9 km). Ces deux séismes sont considérés comme de faible profondeur. À cause de la position et le mouvement particuliers des plaques tectoniques dans cette région, le Pérou et le Chili au sud sont susceptible aux tremblements de terre importants avec le plus fort enregistré à une magnitude de 9.5 au Chili, le 22 mai 1960.

La tectonique du Pérou

Le mouvement des plaques tectoniques affectant le Pérou affecte également toute la côte ouest de l'Amérique du Sud.


Source : BC Emergency Management

La plaque de Nazca (sous l'océan Pacifique) se glisse sous la plaque de l'Amérique du Sud sur une bonne partie de la côte. La plaque de l'Antarctique fait le même mouvement dans le sud du Chili.

Ce mouvement n'est pas très différent de ce qui se produit autour de la ceinture de feu du Pacifique. La seule exception est la "ride de Nazca".

Source : USGS
La ride de Nazca


La ride de Nazca est une colline sous-marine de 1,5 km de hauteur qui passe sous l'Amérique du Sud. Au fil du temps (sur plusieurs millions d'années), la plaque de l'Amérique du Sud a dû accommoder le passage d'une telle masse. Par rapport à la topographie environnante, la plaque de l'Amérique du Sud s'est élevé de 800 mètres et les cours d'eau ont été détournés.

Contrairement à la plaque entourant la ride, celle-ci se retrouve à être plus légère que le plancher océanique et a plus de difficulté à descendre dans le manteau pour y être détruite.

Les enregistrements sismiques donnent un aperçu de ce qui se passe sous la plaque de l'Amérique du Sud.


Source : USGS
Le premier graphique montre un profil "normal" des séismes associés à une plaque océanique (dans ce cas-ci Nazca) qui se glisse sous une plaque continentale (Amérique du Sud). Les points rouges montrent les séismes de faible profondeur, les verts indiquent ceux d'une profondeur intermédiaire et les points bleus sont les séismes profonds.

La courbe suit le mouvement de la plaque océanique qui est de plus en plus profonde vers l'intérieur de la plaque continentale.

Contrairement au profil "normal", le profil du bas montre ce qui se passe à la hauteur de la ride de Nazca. Au lieu de descendre en profondeur, le plaque de Nazca est trop légère pour s'enfoncer dans le manteau.

Au lieu de se produire en profondeur, les séismes dans cette région se produisent relativement près de la surface, mais avec la même force, ce qui donne lieu à des séismes plus dévastateurs que s'ils se produisaient en profondeur.

Le séisme du 28 octobre

Le séisme s'est produit près de la côte et un tsunami, créé par un glissement de terrain sous-marin, aurait pu se produire (ce qui ne fut pas le cas) puisque la fosse accompagnant la subduction (le passage de de la plaque océanique sous la plaque continentale) est très abrupte et sujette à ce genre d'événements.

D'après des sismologues péruviens, ce tremblement de terre serait considéré comme une réplique de celui de 2007. En effet, les séismes d'importances peuvent générer des répliques à plusieurs années d'intervales à cause du relâchement de pression à un endroit et l'accumulation de pression à un autre endroit tout près.

Pour en savoir plus...
Subduction of the Nazca Ridge
Informations sur le séisme de 28 octobre 2011 (avec mise à jour régulière)