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La Recherche

Volet 2 : Applications (Terre Solide et Enveloppes Fluides)

Déformation crustale / Activités sismiques et volcaniques

Depuis plusieurs années, nous conduisons des recherches sur l’étude des déformations de surface et variations de masse liées aux activités sismiques ou volcaniques dans le but de mieux caractériser et comprendre les sources et les processus en jeu. Ces recherches conduites principalement dans les Andes, doivent se poursuivre dans le cadre des programmes de l’IRD sur les risques naturels en partenariat avec diverses institutions de plusieurs pays (Chili, Pérou, Argentine, etc.) et partenaires français (IPGP, ENS, GeoAzur, ISterre, LMV). Sur la marge Andine (Chili, Pérou), des observations d’Interférométrie radar (ALOS, prochainement Sentinel) et GPS sont notamment acquises et interprétées conjointement pour étudier les réponses co- et post sismiques de grands séismes de subduction et mieux comprendre le fonctionnement des zones sismogènes (ex : localisation des zones de glissement co- et post-sismiques, des zones couplage inter-plaques, etc.). Des observations spatiales (GRACE) et des mesures gravimétriques très précises au sol (réseaux de gravimétrie absolue) sont également acquises conjointement aux réseaux GPS pour tenter de mieux caractériser et interpréter les variations de masse et les mouvements verticaux induits dans la croute et le manteau supérieur par de grands séismes (magnitude supérieure à 8.5). Sur ces chantiers, une nouvelle instrumentation (gravimètre absolu à onde de matière), en cours d’acquisition dans le cadre INSU/RESIF, devrait permettre de quantifier plus précisément les variations de gravité produites lors du cycle sismique. A noter enfin qu’une nouvelle collaboration est également prévue dans les années à venir sur l’étude des risques sismiques en Algérie par GPS et InSAR en collaboration avec ISTerre.

Le suivi et la modélisation des déformations volcaniques dans les Andes doit également se poursuivre en appui à l’étude et à la surveillance des volcans andins en collaboration avec des institutions et universités sud- américaines. Toutes ces recherches sont également accompagnées d’actions de formation sur le terrain ou en laboratoire auprès d’étudiants et jeunes chercheurs de ces institutions et universités.

  • Principales observations : GPS, InSAR, gravimétrie absolue, GRACE
  • Principaux chantiers : Andes

 

Structure interne / Géodynamique

Les outils de la géophysique, terrestre ou spatiale, de la géologie et de la géochimie sont combinés pour analyser la structure de la lithosphère et du manteau supérieur, et l'interaction entre les deux. Les chantiers comprennent des zones de dorsales océaniques (Océan austral ou Mer de Chine du Sud), de marges continentales (Mer de Chine et Méditerranée), et de chaînes de montagne (Pyrénées). Entre autres, le projet STORM (South Tasmania Ocean Ridge and Mantle) propose d’étudier la dynamique du manteau terrestre dans l’une des zones les moins connues du globe, à la frontière entre les domaines mantellaires Pacifique et Indien. Le manteau supérieur du Pacifique semble migrer vers l’Ouest, en gagnant sur le manteau supérieur Indien. Le projet inclut une campagne en mer sur la dorsale SE Indienne au Sud de la Tasmanie, qui a eu lieu début 2015, pendant laquelle nous avons cartographié et échantillonné le plancher océanique sur la dorsale Sud-Est Indienne entre 128°E et 140°E, ainsi que les volcans hors-axe clairement identifiés sur les cartes gravimétriques satellitaires mais jamais étudiés, et prospecté pour découvrir de nouvelles sources hydrothermales.

Une étude de la structuration de la chaîne Pyrénéenne, l’un des chantiers fédérateurs du laboratoire, a également été initiée dans le cadre du projet RGF (Référentiel Géologique de la France) du BRGM (avec pour site pilote les Pyrénées). L’objectif est de mieux contraindre la structure interne de la chaîne de montagne en exploitant les données géophysiques les plus récentes disponibles (données sismologiques de l’ANR Pyrope, données gravimétriques en cours d’acquisition en collaboration avec le BGI, le GET et l’UM2 Montpellier) et les observations de la mission gravimétrique / gradiométrique GOCE. Ce projet utilisera en particulier les développements numériques actuellement en cours sur l’inversion couplée de données sismologiques et gravimétriques (voir ci-après).

  • Principales observations : GOCE, gravimétrie (BGI), sismique, sismologie.
  • Chantiers : Chaînes (Pyrénées, Andes) ; bassins sédimentaires (Méditerranée...); dorsales océaniques

 

Masses d’eau à la surface de la Terre / Hydrosphère & Cryosphère

Les recherches conduites sur l’étude des masses d’eau à la surface du globe se poursuivront à travers une détermination des variations temporelles régionales du champ de gravité durant la prochaine décennie (mission spatiale GRACE et GRACE FO). Les points suivants seront abordés :

- Amélioration des résolutions spatiale et temporelle par combinaison optimale de différents types de données (spatiales, observations en surface) décrivant la dynamique des phénomènes - ou bien en considérant d’autres modes de représentation du signal gravimétrique sur la sphère terrestre.

- Traitement des observations de la nouvelle mission GRACE-FO (prévue autour de 2017). Utilisation des nouvelles solutions globales et régionales pour assurer la continuité du suivi des variations des masses sur des échelles de temps allant de quelques jours (e.g., crues des fleuves, déformations co- et post-sismique) à plusieurs années (e.g., relaxation lente de la Terre solide).

- Préparation des prochaines missions géodésiques. Etude de différents scénarios de configurations d’orbite pour réduire les erreurs d’ «aliasing».

  • Principales observations : Gravimétrie GRACE, GRACE FO et altimétrie spatiale
  • Principaux chantiers / projets : Australie, Antarctique, Bassin amazonien, etc.

 

Surcharges et propagations

La précision actuelle des systèmes spatiaux est telle qu’elle nécessite de prendre en compte de nombreux phénomènes géophysiques d’origines internes et externes. Certains phénomènes ne sont appréhendés qu’ensemble et nécessitent d’être séparés en leurs différentes composantes. D’autres ne sont que partiellement échantillonnés (aliasés) et nécessitent d’être connus globalement a priori à l’interprétation des mesures des techniques spatiales. Les recherches sont consacrées à décrire à partir de diagnostics géophysiques externes les impacts de dynamiques externes et internes sur les paramètres observables géodésiques des systèmes spatiaux : la manière dont le champ de gravité variable modifie la trajectoire des satellites et les mesures gravimétriques, le mouvement des sites d’observation associé aux variations de formes des surfaces solides et fluides, la propagation des signaux électromagnétiques modifiée par la variation des paramètres physiques atmosphériques. Le tableau suivant synthétise les composants et quelques dynamiques de la Terre globale à caractériser car impactant à la précision actuelle les observables géodésiques de toutes les techniques spatiales.

 

Imagerie géophysique

Les activités en modélisation numérique et en problème inverse (en particulier inversion conjointe de données de forme d’onde ou de champ de potentiel) seront renforcées. L’objectif est de mettre en œuvre et d’appliquer à des observations gravimétriques globales et régionales des techniques de modélisation et de calcul haute performance développées jusqu’alors pour des problèmes de sismologie globale et des études de la Terre solide. Les anomalies gravimétriques seront calculées à la fois à l’échelle globale (projet en cours) et également aux échelles régionales (par exemple à l’échelle des Pyrénées) tout en tenant compte des réponses des modèles de densité aux échelles globales. Ceci permettra d’éviter les problèmes d’effets de bord éventuels au moment de modéliser les anomalies proches de la surface (pour des profondeurs <200km).

Un projet a été entrepris pour exploiter les nouvelles données gravimétriques et gradiométriques de la mission spatiale GOCE (en orbite depuis 2009 et finalisée fin 2013) ainsi que des données gravimétriques de surface disponibles au BGI pour mieux contraindre la structure interne et superficielle du globe à différentes échelles spatiales. Un point clé pour la réalisation de ces objectifs est de pouvoir disposer de codes de calcul optimisés permettant la prise en compte de modèles de Terre réalistes ainsi que de différents degrés de complexité géologique incluant une discrétisation suffisamment précise proche de la surface. Ainsi nous pourrons restituer au mieux les masses superficielles (topographie, bathymétrie, océans et mers, différents modèles crustaux, bassins sédimentaires, etc.). Ces modèles sont déjà présents dans la base de données du code de propagation sismique SPECFEM3D qui est maintenant très utilisé depuis une quinzaine d'années. Ce code est basé sur la technique d'éléments finis d'ordre élevé de type éléments finis spectraux aussi bien pour la partie sismique que gravimétrique. Ces nouvelles techniques de calcul seront tournées sur des plateformes nationales et européennes (machines de CALMIP et du CEA/GENCI) afin d’augmenter leur précision et leur rapidité.

A l’échelle régionale nous nous concentrerons sur la modélisation du site bien instrumenté de la chaîne des Pyrénées en exploitant les modèles et les données sismiques et gravimétriques issus du BGI et de la campagne PYROPE. L'un des objectifs sera de pouvoir inverser conjointement des données sismiques (notamment télésismiques) et gravimétriques, ainsi que de simuler les champs de gravité et sismiques complets internes et externes. De nombreuses applications en exploration géophysique et en observation spatiale sont attendues. Le site pilote des Pyrénées permettra ainsi de valider des outils d'imagerie géophysique qui tiennent compte des échelles globales et régionales et aussi de différents types de données géopysiques. Une fois ces outils amenés à maturation nous les appliquerons à d'autres sites d’étude du laboratoire tels que la Cordillère des Andes, le plateau Tibétain, le Japon, ou l'Antarctique toujours dans le cadre de collaborations entre différents spécialistes (numériciens, géologues, géophysiciens) et différentes équipes thématiques.

  • Observations : Sismologie (formes d’onde) ; Champs de potentiel (gravimétrie ; magnétisme)
  • Méthodes : Inversion conjointe ; SPECFEM3D, TOMOFAST3D, etc.
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