LDD3 Géosciences, Physique

I - RAPPELS (3h) Rappels des théorèmes généraux pour les systèmes de points et les solides 2D Principe Fondamental de la Dynamique ; Théorème du Moment Cinétique ; Energie Dynamique dans un référentiel non Galiléen

II – PRINCIPE VARIATIONNEL (2h) Principe variationnel (moindre action), équations d’Euler-Lagrange (sans contrainte) Applications : Snell-Descartes (maitre nageur), brachistochrone

III – MECANIQUE LAGRANGIENNE (5h) Construction du Lagrangien, Equation de Lagrange 1D (masse-ressort, pendules) Degrés de liberté, contraintes (holonomes, rhéo/sclero-nomes), coordonnées et forces généralisées. Eq. Lagrange à n dimensions. Coordonnées cycliques et moments conjugués (théorème de Noether) Théorème du Viriel Notions sur les multiplicateurs de Lagrange, minimisation sous contrainte

IV - OSCILLATIONS (3h) Petites oscillations. Oscillateurs couplés, modes normaux Résonance

V – DYNAMIQUE DU SOLIDE INDEFORMABLE 3D (5h) Rappels cinématique du solide, degrés de liberté, vecteur instantané de rotation Tenseur d’inertie, axes principaux, théorème de Koenig Equations d’Euler, angles d’Euler Gyroscopes, mouvement d’une toupie (précession / nutation) Instabilités de rotations tri-axes

VI – INTRODUCTION A LA MECANIQUE HAMILTONIENNE (2 h) Equations de Hamilton, flot dans l’espace des phases, illustrations simples (pendule) Avantages/inconvénients du formalisme Lagrange vs. Hamilton (solveurs numériques)

• Les outils mathématiques pour la physique quantique.
• Les postulats de la mécanique quantique.
• L’oscillateur harmonique et ses applications.
• Théorie générale du moment cinétique.
• Le moment cinétique de spin.
• L’atome d’hydrogène.

– Quantique : rudiments , Jean-Marc Levy-Leblond et Françoise Balibar, Inter Editions CNRS, 1984. – Physique Quantique : introduction , Christian et Hélène Ngo, Masson 1991. – Introduction à la mécanique quantique , Jean Hladik et Michel Chrysos, Dunod, 2006. – Mécanique Quantique , Christophe Texier, Dunod, 2011.

• Equations différentielles et introduction aux équations aux dérivées partielles.
• Complément d'Algèbre linéaire : scalaires, vecteurs et opérateurs, bases non orthonormales, changement de base.
• Transformation de Fourier au sens des fonctions et compléments d'intégration.

• Equations différentielles et introduction aux équations aux dérivées partielles.
• Complément d'Algèbre linéaire : scalaires, vecteurs et opérateurs, bases non orthonormales, changement de base.
• Transformation de Fourier au sens des fonctions et compléments d'intégration.

Programme

• Généralités

Du microscopique au macroscopique, degrés de liberté, systèmes classiques et quantiques, ordres de grandeurs, théorème ergodique, probabilités et méthodes statistiques.

• Systèmes à l’équilibre

Entropie statistique, ensembles d’équilibre (micro-canonique, canonique et grand-canonique), fonctions de partition et grand potentiels, statistiques de Fermi-Dirac et de Bose-Einstein, fluctuations, applications à la physique des fluides et des solides, à l’électronique, aux transitions de phases, au rayonnement.

- Physique statistique : introduction , C. Ngô et H. Ngô, Dunod, 2008 (3eme éd.). - Physique statistique , B. Diu, C. Guthmann, D. Lederer, B. Roulet, Hermann, 1996. - Eléments de physique statistique , S. Vauclair, Dunod, 1993. - Thermodynamique et physique statistique , B. Jancovici, Nathan Université, 1996. - Introduction to modern statistical physics , D. Chandler, Oxford University Press, 1987.

Les Objectifs d’Apprentissage Visés de cette UE sont de :

• Reconnaître les différents types de roches magmatiques et métamorphiques à travers l’observation et la description . L’étudiant observera et distinguera les grands types de roches magmatiques (volcaniques et plutoniques) et métamorphiques par la manipulation d’échantillons macroscopiques et microscopiques (lames minces de roches) à partir de leur minéralogie et texture en Travaux Pratiques.
• Analyser les modalités de formation des roches magmatiques et métamorphiques d’après les observations macroscopiques et microscopiques . L’étudiant pourra évaluer l’origine géodynamique des différentes roches en lien avec les connaissances acquises pendant les cours magistraux.
• Reconnaître les différents types de roches magmatiques d’après les compositions en éléments majeurs et traces . L’étudiant devra se familiariser avec les compositions en éléments majeurs et les spectres de Terres Rares et les utiliser pour reconnaître ces roches et savoir analyser leur origine géodynamique.
• Comprendre les notions de formation des magmas et de leur évolution dans les différents contextes géodynamiques . L’étudiant devra, à travers le comportement des éléments chimiques, comprendre comment les magmas se forment dans le manteau terrestre ou dans la croûte (fusion partielle) et comment les magmas évoluent en composition lors des processus pétrogénétiques (cristallisation, mélange), et qui amènent à la diversité pétrologie et géochimique des roches magmatiques.
• Comprendre les transformations minéralogiques des différents types de roches associées au métamorphisme . L’étudiant devra se familiariser avec l’évolution minéralogique des différentes roches métamorphiques et évaluer les conditions pression-température auxquelles les roches ont été soumises dans les différents contextes géodynamiques.

La grande variété des roches magmatiques et métamorphiques sur le globe indique que ces roches sont le résultat d’une suite de processus complexes, dont les compositions minéralogiques et géochimiques sont la mémoire.

Le cours présente les caractéristiques pétrologiques et géochimiques des roches du manteau terrestre et des magmas dans les différents contextes géodynamiques, en insistant sur les relations entre compositions minéralogique et géochimique. Les compositions en éléments majeurs, traces et isotopiques sont utilisées pour discuter les processus impliqués dans la formation de ces différents types de magma (source, fusion partielle, cristallisation fractionnée, mélange).

Les Travaux Pratiques servent à illustrer les différences pétrologiques et minéralogiques dans les différents contextes géodynamiques, en macroscopie et microscopie, à travers des exemples de séries magmatiques et métamorphiques.

Cette unité d’enseignement utilise les savoirs / connaissances acquis au cours de la licence de Sciences de la Terre (L1, L2 et premier semestre de L3). L’étudiant devra notamment mobiliser les apprentissages acquis dans les enseignements de pétrographie magmatique ainsi qu’en géochimie (GEOS220, GEOS207, GEOS329).

Les compétences acquises seront évaluées au cours des séances de travaux dirigés et de travaux pratiques (0,4), lors de l’examen partiel (0,2), puis lors de l’examen final (0,4 ; écrit : 0,2 et Travaux Pratiques : 0,2). Lors de la deuxième session, un examen écrit aura lieu (0,6), la note d’examen de Travaux Pratiques étant conservée (0,4).

Les Objectifs d’Apprentissage Visés de cette UE sont de :

• Choisir la pertinence d'une méthode géophysique adaptée selon le but recherché et les caractéristiques du site étudié
• Traiter et analyser les données des différentes méthodes de prospection géophysique.
• Développer un sens critique par rapport aux données
• Interpréter les données de différentes méthodes de prospection géophysique, synthétiser et construire un modèle conceptuel
• Faire le lien entre des connaissances géologiques et physiques et utiliser ou développer ses compétences mathématiques et informatiques
• S'initier à des méthodes d'imagerie du proche sous-sol classiquement utilisées dans les entreprises de géophysique et les bureaux d'études.

Ce module présente l'ensemble des méthodes de la géophysique appliquée (appelée aussi géophysique de subsurface) permettant d'explorer, d'imager et plus généralement d'obtenir des informations sur le sous-sol. Parmi toutes les méthodes géophysiques existantes, l'étudiant sera initié à la prospection sismique, magnétique, gravimétrique, les mesures de résistivité électrique et le radar de sol. Il s'appropriera les principes physiques, les mesures ainsi que les bases de traitement et d'interprétation de ces différentes méthodes.

J. Dubois et M. Diament, Géophysique, Cours et Exercices corrigés, Dunod, 2ème édition 2001.

Les Objectifs d’Apprentissage Visés de cette UE sont :

• Quantifier l’altération en fonction des éléments chimiques mesurés dans les eaux.
• Interpréter la géométrie et la formation d’un gisement de type socle/couverture. Comprendre le lien entre la concentration en F/Ba dans les roches sédimentaires et l’altération des formations du socle.
• Analyser et interpréter les modalités de formation des roches magmatiques, métamorphiques et sédimentaires d’après les types de roches observés et les relations structurales entre différentes unités magmatiques/métamorphiques observées sur le terrain. L’étudiant pourra proposer un contexte géodynamique à l’origine des différentes roches en lien avec les connaissances acquises pendant les cours magistraux et les documents proposés sur le terrain. L’étudiant sera capable d’adopter une démarche méthodologique et scientifique nécessaire à la description pétrographique et à l’élaboration de classification de faciès et microfaciès permettant la construction d’un LOG sédimentaire. L’étudiant devra intégrer le changement d’échelle entre ses observations, parfois très ponctuelles, ou à l’échelle de l’affleurement (terrain et géophysique) et ses interprétations à l’échelle de la dizaine de kilomètres ou même à l’échelle du bassin.
• Interpréter les conditions de formation des sols. L’étudiant déduira les conditions de formation des sols en fonction de leurs caractéristiques, afin d’en déduire un environnement de formation (paysage 3D) incluant des informations sur les processus et les conditions climatiques (température, humidité/aridité). Il fera le lien avec les usages.
• Interpréter l’écoulement des eaux souterraines et la relation entre la nappe et la rivière à partir de données hydrologiques et géophysiques .
• Interpréter une zone d’occupation archéologique d’après les données géophysiques, pétrographiques et hydrologiques, les conditions de formation des fractures. L’étudiant déduira les conditions de formation des fractures en fonction de leurs caractéristiques, afin d’en déduire un processus de formation et de contrainte.
• Comprendre les processus et géométries sédimentaires .
• Retranscrire et synthétiser les informations obtenues sur le terrain de manière chronologique et proposer une synthèse géodynamique de l’objet global étudié.
• Travailler en équipe en répartissant le travail sur le terrain mais aussi en salle. Savoir élaborer une stratégie de travail sur le terrain pour la semaine, synthétiser les informations de terrain et interpréter en groupe en salle les données.

Avec les informations/prélèvements issus du stage de terrain multidisciplinaire en Géosciences , l’étudiant interprétera ses données d’observation et d’expérimentation en groupe pour répondre à des grandes questions telles que :

• Comment une roche s’enrichit-t-elle en éléments chimiques et devient un gisement ?
• Quel est le lien entre le taux d’érosion/altération et les types de sol/substrat géologique des bassins versants ?
• Quelle est l’influence de la géologie du substrat sur la chimie/qualité des eaux ?
• Quels sont les facteurs contrôlant la géométrie des roches ?
• Quelle est l’influence de la qualité d’un sol sur des zones cultivables (graminées, vignes…) ?
• Quelle est l’origine du sel dans les eaux des Fontaines Salées ?

Afin d’y répondre, l’étudiant manipulera et maîtrisera les mécanismes fondamentaux de changement d’échelles spatiales (atomique à régionale) et temporelles et devra rédiger et présenter (écrit et oral) de façon scientifique son propos en resituant son travail dans l’état de l’art (bibliographie française et anglaise).

Modules de physique et de Sciences de la Terre de Licence 1, 2 et 3 permettant d’appréhender et intégrer différents concepts développés en géophysiques, en hydrologie et chimie des eaux, en pédologie, en pétrologie et en ressources minérales.

L’étudiant manipulera et maîtrisera les mécanismes fondamentaux de changement d’échelles spatiales (atomique à régionale) et temporelles et devra rédiger et présenter (écrit et oral) de façon scientifique son propos en resituant son travail dans l’état de l’art (bibliographie française et anglaise).

Les Objectifs d’Apprentissage Visés de cette UE sont :

• Apprendre et tester les instructions de base sous Python. Manipuler les différents types de variables et opérations de base (affectation, affichages, opérateurs, initialisations, ...).
• Créer des représentations graphiques variées. Utiliser la bibliothèque matplotlib
• Structurer, écrire et exécuter un script Python. Ecrire les indentations, commentaires, structures en blocs, structures de contrôle (if, while, for,….)
• Manipuler des fichiers. Lire des données dans fichiers de données de différents types. Ecrire les résultats dans un fichier de sortie. Manipuler les formats de données.
• Effectuer des calculs et des analyses de base sur des jeux de données en Géosciences. Utiliser la bibliothèque numpy et pandas.
• Faire des exercices d’application en Géosciences (analyse et représentation graphique de données)Traiter des mesures en laboratoire : exemple type : sur des données thermiques : l’étudiant apprendra 1-à lire un fichier de données correspondant à des mesures de températures dans le sol à différentes profondeurs, 2-à représenter ces températures sous forme graphique (Evolution temporelle de température à une profondeur donnée, profil thermique à un instant donné), 3-à effectuer des calculs de flux de chaleur à partir de ces températures mesurées.
• Traiter des mesures de terrain : exemple type : sur des données hydrologiques : l’étudiant apprendra 1-à lire un fichier de données correspondant à des mesures de vitesses locales dans une section de rivière, 2-à représenter ces vitesses sous forme graphique (Profils verticaux, horizontaux, courbes d’iso-vitesses), 3-à effectuer des calculs de débits à partir de ces vitesses mesurées.
• Ecrire un script sur un projet de son choix si possible appliqué en Géosciences.

Le but de cette option est d’apprendre à l’étudiant à utiliser les bases de programmation sous Python qui lui permette d’écrire des petits scripts utiles en Sciences en général et en Géosciences en particulier. L’étudiant apprendra sous Python à :

• connaitre les instructions de base
• faire des représentations graphiques variées
• lire des fichiers de données de différents types
• effectuer des calculs et des analyses sur des jeux de données en Géosciences.

Il appliquera ces bases de programmation pour écrire des petits scripts d’analyse et de représentation de données en géosciences qu’on lui donnera. Il écrira ensuite un petit script de lecture, traitement et représentation de données dans un domaine de son choix en Géosciences de préférence.

Des notions en programmation ne sont pas pré-requises. Notions de calculs scientifiques et de traçages de courbes avec un tableur souhaités.

https://rr-france.github.io/bookrr/ http://swcarpentry.github.io/python-novice-inflammation/ https://www.w3schools.com/python/python_intro.asp https://docs.python.org/fr/3/tutorial/introduction.html

https://fr.wikibooks.org/wiki/Programmation_Python

Les TP seront notés et il y aura un projet individuel.

Des notions en programmation ne sont pas pré-requises. Notions de calculs scientifiques et de traçages de courbes avec un tableur souhaités.

Les Objectifs d’Apprentissage Visés de cette UE sont de :

• Connaitre et comprendre les bases de la géochimie isotopique, notamment les notions d’isotope, de radioactivité, d’abondance isotopique et de fractionnement isotopique.
• Savoir restituer clairement les principes des méthodes d’analyse des abondances isotopiques comme la spectrométrie de masse.
• Connaître les principales méthodes de datation absolue et savoir les choisir et les appliquer en fonction des matériaux géologiques à dater.
• Savoir utiliser les abondances isotopiques de certains éléments comme traceur de source et/ou de mélange mais aussi comme des témoins de processus géologiques ou climatiques.
• Savoir extraire des informations pertinentes et construire un raisonnement à partir d’un jeu de données isotopiques exposées sous forme de tableau ou de graphique.
• Être capable de mobiliser ses connaissances en géochimie élémentaire et isotopique dans le but de discuter des processus géologiques responsables de la composition actuelle et de l’évolution isotopique de certains réservoirs terrestres.

Cette UE a pour objectif de fournir aux étudiants les connaissances fondamentales en géochimie isotopique en explorant d’une part les principes de la géochimie des isotopes radioactifs et radiogéniques et d’autre part les bases de la géochimie des isotopes stables. Ces notions théoriques seront ensuite utilisées pour comprendre les signatures isotopiques des réservoirs internes et externes de la Terre et ainsi discuter de leur histoire et de leur dynamique. Ainsi, cette UE abordera des sujets aussi variés que la différentiation de la Terre, la paléoclimatologie ou les cycles biogéochimiques, sujets pour lesquels des systèmes isotopiques sont utilisés pour dater, reconstruire une histoire thermique, tracer des transferts et des mélanges ou évaluer la dynamique d’éléments ou de réservoirs.

Cette unité d’enseignement nécessite de mobiliser les savoirs et connaissances acquis dans les modules de L1 et L2 de Sciences de la Terre, notamment ceux abordés dans les UE « Chimie en Ge´osciences » et « Géochimie élémentaire » (ou équivalent).

Cette unité d’enseignement nécessite de mobiliser les savoirs et connaissances acquis dans les modules de L1 et L2 de Sciences de la Terre, notamment ceux abordés dans les UE « Chimie en Ge´osciences » et « Géochimie élémentaire » (ou équivalent).

Cette UE a pour objectif de fournir aux étudiants les connaissances fondamentales en géochimie isotopique en explorant d’une part les principes de la géochimie des isotopes radioactifs et radiogéniques et d’autre part les bases de la géochimie des isotopes stables. Ces notions théoriques seront ensuite utilisées pour comprendre les signatures isotopiques des réservoirs internes et externes de la Terre et ainsi discuter de leur histoire et de leur dynamique. Ainsi, cette UE abordera des sujets aussi variés que la différentiation de la Terre, la paléoclimatologie ou les cycles biogéochimiques, sujets pour lesquels des systèmes isotopiques sont utilisés pour dater, reconstruire une histoire thermique, tracer des transferts et des mélanges ou évaluer la dynamique d’éléments ou de réservoirs.

Les objectifs d’apprentissage visés de cette UE sont :

• De reconnaitre des formations superficielles issues de l’altération d’une roche
• De décrire les mécanismes géochimiques conduisant à la formation d’une formation superficielle issue de l’altération d’une roche
• De comprendre leur formation et leur évolution, dans l’espace et dans le temps
• De discuter de leur rôle environnemental et sociétal

Ce module a pour objectif la découverte du fonctionnement géochimique des formations superficielles, issues de l’altération chimique (impliquant l’eau et les gaz atmosphériques) des roches, en incluant les sols. Ces formations, situées à la surface de la Terre (on parle souvent d’épiderme de la Terre) sont observées quasiment partout, recouvrent le substratum géologique rarement affleurant, mais sont généralement peu étudiées. Or, elles ont un certain nombre de fonctions environnementales et sociétales, comme la régulation du cycle du carbone, la qualité de l’eau, la production végétale, ...

Dans cette UE, les notions d'autochtonie et d'allochtonie, qui sont fondamentales pour comprendre l'origine et le devenir des formations superficielles, seront tout d'abord abordées. Les formations superficielles issues de l’altération du substratum géologique seront ensuite étudiées, notamment les arènes granitiques, les latérites, les sols, ... Dans ce cadre, les principales réactions géochimiques contrôlant l’altération des minéraux et donc des roches seront étudiées, en cours mais également en TD, au travers d’exemples choisis. L’altération peut être appréhendée par l’étude de la phase solide résiduelle, mais également par l’étude du matériel dissous et en suspension qu’on trouve dans les cours d’eau. Des notions de potamologie (science des cours d'eau) seront ainsi données aux étudiants, afin d’établir le lien entre altération et composition chimique des eaux. Les sols, qui apparaissent comme un cas particulier de formations superficielles, seront également abordés, ce qui permettra d'illustrer le degré élevé d'interaction entre biologie (végétaux, animaux, micro-organismes), matières organiques, et domaine minéral (solution et matière minérale). Les formations superficielles étant le siège de réactions biophysicochimiques majeures, nous détaillerons les réactions contrôlant les cycles de l’azote et du soufre en conditions supergènes. Enfin, l'impact de l'Homme à la fois sur les sols (nature des occupations, pollution directe) et plus largement sur les formations superficielles (modification paysage, dynamique de l'allochtonie, fonctions environnementales, ressources) sera abordé.

Plan du cours:

• Concept de formations superficielles, définition, relation avec substratum et vecteur de mise en place (i.e. autochtonie, allochtonie), éléments cartographiques Formations superficielles autochtones
• Rappels sur l'altération supergène (désagrégation, hydrolyse, acidolyse, …), minéralogie des argiles, oxydes
• Altérites de dégradation et variabilité climatique (arène, latérite, argiles de décarbonatation, …) et altérite d'aggradation (silcrète, ferricrète, …)
• Notions de potamologie
• Sols (pédogenèse, redistribution de matière, rôle environnemental, fertilité...)

Des TD (analyses de cartes, photographies aériennes, bilans d'altération, cas pratiques ...) illustrent ces cours théoriques, ainsi que deux TP (2 x 3h) portant sur l’observation de la diversité des sols présents sur le campus d’Orsay ainsi que sur l'analyse minéralogie d'échantillons d'un profil d'altération.

Les étudiants devront avoir des notions de minéralogie, pétrologie et chimie, de niveau L2 sciences de la Terre ou équivalent.

• M. Campy, J.J. Macaire, 1989. Géologie des formations superficielles ; géodynamique, faciès, utilisation, Masson
• M. Campy, J.J. Macaire, 2003. Géologie de la surface, Dunod
• Y. Dewolf, G. Bourrié, 2008. Les formations superficielles ; genèse, typologie, classification, paysages et environnements, ressources et risques, Ellipse
• M.-C. Girard et al., 2005. Sols et environnement, Dunod

Les étudiants devront avoir des notions de minéralogie, pétrologie et chimie, de niveau L2 sciences de la Terre ou équivalent.

Les objectifs d’apprentissage de cette UE sont :

• Comprendre que la notion de ressource est contrôlée à la fois par la géologie (quels sont les mécanismes qui aboutissent à la concentration d’une substance), la technologie (quelle sont les utilisations de cette ressource, comment évoluent-elles avec le temps) et l’économie (quelle est la valeur ajoutée et quelles sont les orientations du marché).
• Reconnaître pour les différents types de gisement les processus majeurs à l’origine de la concentration en analysant la part respective du rôle de la source, du transport, du dépôt et de la préservation.
• Comparer les grands types de gisement : gisements primaires (contextes magmatiques et précipitation en milieu sédimentaire essentiellement), gisements secondaires (métasomatisme, circulation de fluides enrichis dans différents contextes pétrographiques et géodynamiques), gisements supergènes et processus d’altération.
• Identifier la géologie des matériaux de base et les minéraux dits intelligents et analyser les contextes géologiques favorables à leur accumulation.
• Sensibiliser aux ressources en énergie qu’elles soient fossiles (pétrole, gaz, charbon) ou renouvelables (géothermie) ainsi qu’aux nouvelles applications de stockage dans les bassins sédimentaires.

Contenu : Ce module donne une vue générale sur les énergies fossiles et renouvelables de la Terre et sur les matériaux géologiques économiquement importants pour l’activité humaine. C’est une unité qui apportera des connaissances fondamentales sur les principales ressources géologiques exploitées mais qui est également à caractère professionnalisant destinée à apporter des notions sur les métiers des mines et des carrières.

Programme :

• Mines et carrières, notions de gisement, de ressource, de réserve.
• Introduction sur les hydrocarbures (pétrole, charbon, gaz naturel).
• Problème d’actualité : l’énergie nucléaire dans le contexte des énergies renouvelables (eau, vent, soleil, géothermie).
• Origine des concentrations métallifères (Fe, Pb, Zn, Au, Cu, U, Ni…) et des matériaux industriels (fluorine, barytine, phosphates, charges minérales, ...) dans leur contexte géologique et géographique.
• Les matériaux de construction et de voirie (calcaires, grès, granites, etc…)
• Méthodes d’exploitation de ces ressources et impact sur l’environnement.
• Travaux dirigés et pratiques : méthodes d’exploration, exploitation et gestion des ressources, pétrologie (macroscopie et microscopie : minerais et matériaux). Visite d’une mine ou d’une carrière.

Cette unité d’enseignement utilise les savoirs / connaissances acquis au cours de la licence de Sciences de la Terre (L1, L2 et premier semestre de L3). L’étudiant devra notamment mobiliser les apprentissages acquis dans les enseignements de pétrographie sédimentaire et magmatique, et géochimie.

• Arndt & Ganino (2010) Ressources minérales, Dunod
• Jébrak & Marcoux (2008) Géologie des ressources minérales, Ministère des ressources naturelles du Québec
• Robb (2005) Ore forming processes, Blackwell

Grâce aux travaux dirigés et des travaux pratiques, l’étudiant sera capable de définir une séquence de cristallisation, de comprendre la place des éléments recherchés dans la séquence minérale et d’évaluer les mécanismes à l’origine de la formation d’un gisement.

Les connaissances et compétences seront évaluées au cours des séances de travaux dirigés et de travaux pratiques (0,4) et lors de l’examen final (0,6). Lors de la deuxième session, les notes de TD/TP seront conservées et un examen final (0,6) sera réalisé.

Cette unité d’enseignement utilise les savoirs / connaissances acquis au cours de la licence de Sciences de la Terre (L1, L2 et premier semestre de L3). L’étudiant devra notamment mobiliser les apprentissages acquis dans les enseignements de pétrographie sédimentaire et magmatique, et géochimie.

Les Objectifs d’Apprentissage Visés de cette UE sont de :

• Reconnaître, décrire la géomorphologie des bassins versants, les sols, les roches magmatiques, métamorphiques et sédimentaires (minéralogie, structure, texture, …), les associations minérales dans un gisement de fluorine/baryte de type interface socle-couverture et l’état de fracturation et les relations structurales . Il décrira les liens modelé-dynamique des cours d’eau, incision des vallées, formation des méandres. L’étudiant décrira les caractéristiques pétrographiques des échantillons observés sur le terrain à travers un vocabulaire adéquat. L’étudiant décrira, caractérisera et reconnaîtra les plutoniques du Morvan et les faciès sédimentaires de roches carbonatées du Jurassique du Bassin de Paris. L’étudiant retranscrira ses observations ou descriptions de roches sédimentaires sur un LOG (lithologie, faciès, figures sédimentaires). L’étudiant devra reconnaître les différents minéraux constituant le gisement et établira une paragenèse. L’étudiant sera capable d’effectuer une reconnaissance sur terrain des fractures sur formations sédimentaires et plutoniques. L’étudiant sera amené à observer et décrire plusieurs sols l’amenant à découvrir leur diversité, typologie et usage.
• Planifier et exécuter des mesures géophysiques (sismique, géoélectrique, radar géologique, magnétisme) sur des sols, des formations magmatiques et sédimentaires et sur un gisement de fluorine. L’étudiant fera des mesures géophysiques (radar, sismique, résistivité, magnétisme) sur des sols/formations magmatiques, sédimentaires et d’un gisement de fluorine.
• Savoir exécuter un relevé GPS pour positionner des coordonnées d’échantillonnage/mesures et représenter ces relevés sur une carte, en vue d’une réalisation d’une base de données.
• Connaître et mettre en œuvre les principales mesures de prévention en matière d'hygiène et de sécurité dans des conditions de terrain . Savoir effectuer des mesures de débit en rivière et les relier à une surface de bassin versant caractérisée sur une carte. Savoir utiliser des sondes pH et conductivité et comprendre les origines de différences marquées selon les points de mesures. Savoir prélever de l’eau selon un protocole bien défini. Effectuer des mesures piézométriques.
• Traiter, analyser et interpréter les données géophysiques acquises en termes de propriétés physiques des différents types de roches et de sols.
• Analyser les sols et les faciès sédimentaires, métamorphiques et magmatiques en vue de les classifier. L’étudiant analysera les différentes caractéristiques des sols et les différents composants des roches (minéraux, faune, flore, structures) en vue de les classifier.
• Interagir, travailler en équipe au sein d’un petit groupe, retranscrire de manière ordonnée et géoréférencé ses données, et présenter des observations/mesures de terrain. Les informations obtenues sur le terrain seront mises au propre et présentées fin de synthèse les données obtenues en vue d’effectuer un projet à long terme sur des questions soulevées.

Il s'agit d'un stage multidisciplinaire couplant plusieurs approches (pétrographie, hydrologie, minéralogie, géophysique) afin d’avoir une vision intégrée sur des sites géologiques d’intérêts majeurs (économique ou écologique) : gisement de fluorine, site archéologique, réserve naturelle nationale, parc naturel régional, géosite. Le stage a lieu dans le Morvan.

Les grandes questions qui pourront être abordées : - Comment une roche s’enrichit-t-elle en éléments chimiques et devient un gisement ? - Quelle est l’influence du substrat sur la qualité des eaux ? - Quels sont les facteurs contrôlant la géométrie des roches ? - Quelles est l’influence du sol sur les vignes ?

Modules de physique et de Sciences de la Terre de Licence 1& 2 permettant d’appréhender les concepts développés en géophysiques, en géochimie, en pédologie, en pétrologie et en ressources minérales. Maîtriser les principes de cartographie géologique et les concepts de changement d'échelles spatiales.

Le stage dure 7 jours transport compris. Modalités de contrôle des connaissances : travail sur le terrain (participation, carnet de terrain), rendu de carte géologique, rapport de synthèse.

Mathématique pour la Physique Noirot,Yves De la Physique avec Mathématica Garrigos Robert, De Boexk, 200

Les Objectifs d’Apprentissage Visés seront évalués :

• OAV analyse : rapport
• OAV compétence transversales : présentation orale
• OAV interprétation : réponse aux questions
• OAV : compétences préprofessionnelles : présentation orale

Les pré-requis sont : - Bases de mathématiques. Par exemple : Mathématiques en géosciences : algèbre et champs vectoriels ; - Mathématiques en géosciences : analyse et statistiques, ou équivalent. Ce module enseigne les outils de modélisations de base, nécessaire à la description des systèmes en géosciences (transfert de matière, de chaleur, de rayonnement, déformation, …). Les approximations des milieux continus et leurs méthodes de résolution seront introduites. Il sera focalisé sur la modélisation analytique et les outils modernes informatiques de calcul formel. Ce module est basé sur une forte proportion de TP informatique où l’étudiant peut manipuler les objets lui-même

Il s’agit d’une UE d’introduction à l’Astrochimie dont l’objectif principal est de montrer aux étudiants comment on s'appuie sur différents domaines de la chimie et connaissances de base en chimie pour étudier et comprendre l'histoire de la matière dans notre Système solaire et au-delà. Pour cela, l’UE se focalisera sur quelques objets astrophysiques pouvant varier d’une année à l’autre et qui seront abordés suivant le type de chimie ou domaine chimique les concernant.

L’UE fonctionnera sous la forme de séances de cours/séminaires où les différents thèmes seront introduits et expliqués. A la suite, les étudiants seront répartis par groupes de 4-5 (au max.) avec un sujet bibliographique alloué à chaque groupe. Ces sujets (en lien direct avec les thèmes abordés en cours) seront accompagnés de documents scientifiques (articles, extraits de livres ou de thèses, en anglais et en français) que chaque groupe devra étudier de manière critique (une grille de lecture et un questionnaire les guidera) pour en faire une synthèse critique sous forme d’un court rapport écrit et d’une présentation orale qui se fera en présence de l’ensemble des étudiants de l’UE. Des séances de TD seront consacrées à aider et guider chaque groupe dans son étude bibliographique. Thèmes principaux proposés : - "Poussières et gaz dans le milieu interstellaire" : les briques initiales. Focalisation sur la photochimie des glaces et la confrontation entre simulation expérimentale en laboratoire et observations astrophysiques. - "Les petits corps du Système solaire et l'histoire de sa formation" : l'archéologie spatiale. Ce thème parlera des astéroïdes, des comètes, et des missions spatiales actuelles ou récentes les concernant, ainsi que des poussières extraterrestres et météorites qu'on analyse en laboratoire. On se focalisera ici sur l'aspect "chimie du carbone" et sur les techniques d'analyse physico-chimique. - "Chimie du soufre sur Io" : un exemple d'objet totalement dépourvu de carbone et d'hydrogène et de ce point de vue totalement "exotique" pour la chimie classique étudiée habituellement. Modélisation thermodynamique des volcans d’Io et simulation expérimentale de la chimie du soufre à sa surface.

- Un niveau d’anglais scientifique de base permettant de lire les documents scientifiques fournis - Programme de chimie générale et de physico-chimie de niveau L1 à L3.

Semestre 5

Sciences de la Terre et de l’Univers », sous la direction de J-Y Daniel, Ed. Vuibert. « Aux confins du système solaire », A. Doressoundiram, E. Lellouch, Ed. Belin – Pour la Science « A la rencontre des comètes – De Halley à Rosetta », J. Lequeux, Th. Encrenaz, ED. Belin – Pour la Science. « Astronomie et Astrophysique », A. Acker, Ed. Sciences sup.

Les étudiants seront notés sur leurs rapports écrits et sur leurs présentations orales. Le travail collectif et l’investissement individuel seront tous deux pris en compte.

OA1 : Être sensibilisé aux risques physico-chimiques, toxiques et écotoxiques liés entre autres aux activités de chimie (recherche / industrie) et à leur prévention OA2 : Acquérir des notions de base sur l'action des substances étrangères (xénobiotiques) sur l'organisme (toxicologie) et sur l'environnement (écotoxicologie) OA3 : Savoir établir un état de l'art (au niveau licence) de synthèse bibliographique des connaissances concernant l'impact toxicologique et/ou écotoxicologique de substances xénobiotiques.

• Généralités sur le risque chimique, physico-chimique et toxique au laboratoire, dans la société et pour l'environnement. • Notions d'écotoxicologie et biogéochimie des polluants : - polluants dans l'environnement, divers types de pollutions - cycles biogéochimiques (carbone, azote…) et leur perturbation par l'Homme, - impact des polluants sur les écosystèmes. • Toxicologie humaine et impacts sur la santé : - origine et voies d'exposition aux substances étrangères xénobiotiques (alimentation, polluants, COVs, exposition professionnelle, industrie, agriculture…), - notions de toxicologie : toxicité aigüe, toxicité à long terme, - métabolisme des xénobiotiques ; effets cellulaires (cibles), - exemples de xénobiotiques cancérogènes, reprotoxiques, perturbateurs endocriniens.

Notions de chimie générale et de chimie organique de L1-L2 ou de DUT Chimie. notions de base de biologie (lycée)

Semestre 5

PICOT André, MONTANDON Frédéric (coordonnateurs). Écotoxicochimie appliquée aux hydrocarbures. Editions Lavoisier. 2013. PICOT André, DUCRET Jean. Sécurité et prévention des risques en laboratoire de chimie et de biologie (3e Éd.). Editions Lavoisier. 2013. RAMADE François. Introduction à l’écochimie – Les substances chimiques de l’écosphère à l’homme. Editions Lavoisier. 2011 RAMADE François. Éléments d'écologie. Écologie appliquée (7e Éd.). Dunod. 2012.

Cours et travaux dirigés (dont études de cas). Mise à disposition de documents sous forme numérique. Travail personnel collaboratif des étudiants de synthèse bibliographique et analyse de publication scientifique, donnant lieu à une soutenance.

Cette UE est un entraînement aux oraux destinée aux étudiants qui souhaitent se présenter aux concours d’admissions sur titre aux écoles d’ingénieurs.

Essentiellement une préparation aux épreuves orales des écoles d'ingénieurs ("colles"). Mais également des préparations aux entretiens, lettres de motivation, etc.

• Les postulats de la Relativité et leurs conséquences : temps, espace et relativité – Les postulats d’Einstein – Dilatation des temps et contraction des longueurs – La transformation de Lorentz : simultanéité et causalité.
• L’espace-temps : diagrammes d’espace-temps et applications – Composition des vitesses, aberration de la lumière – Espace de Minkowski : invariants de Lorentz, quadrivecteurs – L’effet Doppler.
• Dynamique relativiste : dynamique des particules libres – Référentiel du centre de masse – Application aux collisions élastiques ou non, aux désintégrations – Forces électromagnétiques et transformations des champs électrique et magnétiques.

L’option d’Astrophysique du parcours de L3 Physique et Applications permet de découvrir les grands concepts liés aux Systèmes stellaires et planétaires. Nous étudierons les principes physiques gouvernant la formation et l’évolution de ces systèmes ainsi que les moyens dont nous disposons pour les caractériser. Les missions spatiales, notamment d’exploration du Système Solaire, constitueront des exemples concrets sur lesquels nous pourrons nous appuyer .

Programme :

• Mécanique spatiale – orbites et trajectoires des astres et satellites artificiels
• Naissance et évolutions des systèmes solaires – Etoiles, petits corps et planètes
• Mesures isotopiques – datation et mise en évidence de processus astrophysiques
• Transfert radiatif, bilans énergétiques et mesures associées
• Instrumentation spatiale : l’exemple de la spectroscopie infrarouge

L’objectif de cette option, dispensée entièrement en anglais, est d’offrir un premier contact avec les systèmes dynamiques, la physique du chaos, et la formation de motifs. L’enseignement sera fait sous forme de cours magistraux (~ 15 heures), mais une part notable du temps sera dédiée à des travaux dirigés (~10 heures) qui seront complétés par des études numériques simples que les étudiants pourront accomplir par eux-mêmes chez eux ou à l’Université. Les exemples d’application seront extraits de diverses branches de la science dont la physique, l’astrophysique, la chimie, la biologie.

Cette option d’introduction se déclinera essentiellement autour des thèmes suivants :

• Systèmes non-linéaires, portraits de phase, points fixes, stabilité
• Systèmes dynamiques discrets, suite logistique
• Chaos : introduction, bifurcations, transition vers le chaos, attracteurs étranges
• Morphogenèse, modèle de Turing
• Instabilités hydrodynamiques (e.g. Rayleigh-Bénard)

Contexte Une étude très documentée de l’American Physical Society (APS-2008) évalue à 12.6% le rendement de conversion entre le potentiel énergétique de l’essence et la puissance motrice utilisée au niveau des roues motrices des véhicules automobiles ( tank to wheel efficiency), ce chiffre descend à 11% si les dépenses énergétiques liées à l’extraction au raffinage et au transport de l’essence sont prises en compte ( well to wheel efficiency), nous somme donc loin des 30% affichés par les constructeurs… Les questions de l’efficacité et du rendement des systèmes de conversion et de stockage de l’énergie, questions de physique appliquée, sont ainsi souvent obscurcies par les enjeux économiques (commerciaux) et sociétaux (politiques). Les choix, à venir, de transition énergétique implique une clarification physique et, dans cette perspective, appellent à une réactualisation de nos cursus de physique appliquée. Au-delà de l’expertise physique amont pour les choix politiques à venir, le renouveau de l’enseignement de l’énergétique physique offrira aussi des formations en phase avec la nécessité de l’innovation dans ces domaines de hautes technologies. L’enseignement décrit ici propose un ensemble de méthodes, outils et résultats permettant aux physiciens de comprendre et comparer les systèmes classiques et innovants de conversion et de stockage de l’énergie, conversion et stockage orientés vers le vecteur électrique. Les gradients de variables intensives constituent des écarts à l’équilibre thermodynamique permettant d’extraire du travail de notre environnement ou de stocker de l’énergie libre : différences de potentiels mécanique et électrique, pression, température et potentiel chimique. Les procédés de stockage d’énergie doivent œuvrer au maintien de ces gradients pour préserver la disponibilité de ces sources d’énergies libres. Les procédés de conversion d’énergie, utilisant ces sources d’énergies libres, sont toujours accompagnés d’une production d’entropie. L’extraction d’énergie libre des gradients de potentiel mécanique, de potentiel électrique et de pression, mettant en jeu un petit nombre de degrés de liberté cette production d’entropie est faible et l’efficacité des machines hydrauliques, pneumatiques et électriques est voisine de l’unité. Par contre, l’utilisation des gradients de températures et de potentiels chimiques est fortement limitée par le fait que l’énergie cinétique d’agitation thermique (température), et l’énergie potentielle d’engagement au sein de liaisons chimiques (potentiel chimique), sont distribuées sur un très grand nombre de degrés de liberté, ainsi la production d’entropie est élevée et l’efficacité plus faible. Programme Ce cours est articulé autour de deux axes principaux :

• L’étude des concepts et méthodes de la physique des processus irréversibles, orientée vers la problématique de l’efficacité de stockage et de conversion énergétique vers la forme électrique. La présentation les deux principaux types de convertisseurs : les machines thermiques de Carnot et les machines chimiques de Van’t Hoff.
• La description et l’analyse physique des principes et limitations des générateurs photovoltaïques et électrochimiques (piles à combustible).

Conversion et Dissipation, processus irréversibles

• Energie et entropie, conservation et conversion
• Flux couplés et Conversion d’Energie
• Physique des machines Thermiques et Chimiques
• Machines de Carnot, machines de Van’t Hoff et machines de Landsberg
• Rendement de Van’t Hoff
• Machines endoréversibles
• Cycle exoréversible à régénération
• Efficacité de Novikov-Curzon-Ahlborn

Physique des stockages capacitif et inductif

• Stockages inductif et capacitif
• Comparaisons des performances (J/m3, J/kg…) des procédés de stockage
• Unification et comparaison des procédés de stockage à travers le théorème du viriel

Conversion et Stockage Electrochimique

• Equilibre de Nernst, interface métal-Solution
• Machines électrochimiques de Butler-Volmer
• Surtensions et polarisations, irréversibilité
• Surtension d’activation, irréversibilité
• Piles à hydrogène, conversion et stockage

Conversion et efficacités Photovoltaïque

• Lois de Kirchhoff et luminance du Corps Noir
• Conservation de l’Etendue optique
• Entropie et Concentration
• Conversion Photovoltaïque, cellule à 2 niveaux
• Efficacité de Landsberg
• Relation de Shockley, limite de Shockley-Queisser

J-M RAX, Physique de la Conversion d’Energie, Editions EDP-Sciences, Collection Savoir Actuels, 340 pages, 210 figures, 2015. G. BOYLE, B. EVERETT, J. RAMAGE, Energy systems and sustainability, power for a sustainable future, Oxford University Press, Oxford, 2004. P. WURFEL, Physics of solar cells from principles to new concepts, Wiley-VCH, Weinheim, 2005. R.DECHER, Energy conversion systems, flow physics and engineering, Oxford University Press, New York Oxford, 1994. R.A. HUGGINS, Energy storage, Springer, New York, 2010.