Ecole et Observatoire des Sciences de la Terre

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Niveau: Supérieur, Doctorat, Bac+8
Ecole et Observatoire des Sciences de la Terre Institut de Physique du Globe de Strasbourg (UMR 7516) These presentee pour obtenir le grade de Docteur de l'Universite Louis Pasteur Strasbourg I Discipline : Sciences de la Terre et de l'Univers Specialite : gravimetrie et geodesie par Caroline ROZIER de LINAGE Mesures gravimetriques au sol et satellitaires : etude du rapport entre variation de pesanteur et deplacement vertical et apport de la mission spatiale GRACE a l'etude des surcharges hydrologiques et des tres grands seismes Soutenue publiquement le 9 septembre 2008 devant les membres du jury : M. Jacques HINDERER Directeur de Recherche, EOST Directeur de These M. Jean-Jacques LEVEQUE Directeur de Recherche, EOST Rapporteur Interne M. Pierre BRIOLE Directeur de Recherche, ENS Rapporteur Externe M. Olivier de VIRON Maıtre de Conferences, IPGP Rapporteur Externe M. Richard BIANCALE Ingenieur, CNES Examinateur M. David CROSSLEY Professeur, Saint-Louis University Invite

  • donnees grace

  • ground vertical

  • sciences de la terre et de l'univers

  • ratio between gravity

  • sor- ties de modeles globaux

  • ipgp rapporteur

  • grace


Publié le : lundi 1 septembre 2008
Lecture(s) : 56
Source : scd-theses.u-strasbg.fr
Nombre de pages : 196
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Ecole et Observatoire des Sciences de la Terre Institut de Physique du Globe de Strasbourg (UMR 7516)
Thèse présentée pour obtenir le grade de Docteur de l’Université Louis Pasteur Strasbourg I
Discipline : Sciences de la Terre et de l’Univers Spécialité : gravimétrie et géodésie
par
Caroline ROZIER de LINAGE
Mesures gravimétriques au sol et satellitaires : étude du rapport entre variation de pesanteur et déplacement vertical et apport de la mission spatiale GRAC alétudedessurchaÈrgeshydrologiques et des très grands séismes
Soutenue publiquement le 9 septembre 2008 devant les membres du jury :
M. Jacques HINDERER M.JeanJacquesLÉVÊQUE M. Pierre BRIOLE M. Olivier de VIRON M. Richard BIANCALE M. David CROSSLEY
Directeur de Recherche, EOST Directeur de Recherche, EOST Directeur de Recherche, ENS Mâıtre de Conférences, IPGP Ingénieur, CNES Professeur, SaintLouis University
Directeur de Thèse Rapporteur Interne Rapporteur Externe Rapporteur Externe Examinateur Invité
Ecole et Observatoire des Sciences de la Terre Institut de Physique du Globe de Strasbourg (UMR 7516)
Thèse présentée pour obtenir le grade de Docteur de l’Université Louis Pasteur Strasbourg I
Discipline : Sciences de la Terre et de l’Univers Spécialité : gravimétrie et géodésie
par
Caroline ROZIER de LINAGE
Mesures gravimétriques au sol et satellitaires : étude du rapport entre variation de pesanteur et déplacement vertical et apport de la mission spatiale GRAC alétudedessurchaÈrgeshydrologiques et des très grands séismes
Soutenue publiquement le 9 septembre 2008 devant les membres du jury :
M. Jacques HINDERER M.JeanJacquesLÉVÊQUE M. Pierre BRIOLE M. Olivier de VIRON M. Richard BIANCALE M. David CROSSLEY
Directeur de Recherche, EOST Directeur de Recherche, EOST Directeur de Recherche, ENS Mâıtre de Conférences, IPGP Ingénieur, CNES Professeur, SaintLouis University
Directeur de Thèse Rapporteur Interne Rapporteur Externe Rapporteur Externe Examinateur Invité
Résumé
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Nous modélisons le rapport entre variation de pesanteur et déplacement vertical du sol dus à une surcharge à la surface d’un modèle de Terre à symétrie sphérique, stratifié et élastique. Les résultats théoriques sont comparés aux valeurs numériques trouvées pour diverses charges à partir des sor ties de modèles globaux. Nous évaluons la résolution et la précision des variations temporelles du contenu en eau du sol estimées par la mission de gravimétrie spatiale GRACE. Cellesci sont com parées aux prédictions des variations saisonnières de plusieurs modèles hydrologiques. En Europe, la validation des mesures GRACE par les mesures des gravimètres du réseau GGP repose sur une analyse en composantes principales et met en évidence la sécheresse de l’été 2003. Les signatures gravitationnelles cosismique et postsismique associées au séisme de Sumatra (2004) sont extraites des données GRACE. Une modélisation de l’effet cosismique montre que la réponse statique de l’océan ne peut être négligée.
Motsclés:gravimétrie, variations temporelles de gravité, GRACE, déplacement vertical, sur charges, hydrologie, cycle sismique, Sumatra, relaxation postsismique
Abstract
Ground and space gravity measurements: study of the ratio between gravity va riation and vertical displacement and contribution of the GRACE space mission to the study of hydrological loadings and very large earthquakes.
We model the ratio between gravity variation and ground vertical displacement that are due to a load located at the surface of a stratified, spherically symmetric and elastic earth model. Theore tical results are compared to numerical values found for different loads by using outputs of global models. We assess the resolution and the accuracy of the temporal variations of the water content in the ground estimated by the GRACE space gravity mission. These are compared to the seasonal variations predicted by several hydrological models. In Europe, the validation of the GRACE mea surements by those of the GGP network gravimeters is based on a principal component analysis and highlights the drought of summer 2003. The gravitational coseismic and postseismic signatures of the Sumatra earthquake (2004) are extracted from the GRACE data. A modelling of the coseismic effect shows that the static response of the ocean must not be neglected.
Key words:gravimetry, time variable gravity, GRACE, vertical displacement, loadings, hydrology, seismic cycle, Sumatra, postseismic relaxation
iv
Remerciements
v
Je souhaite exprimer ma profonde gratitude à mon directeur de thèse, Jacques Hinderer, pour m’avoir chaleureusement encadrée et conseillée au cours de ces années de doctorat. Son enthou siasme et son dynamisme m’ont particulièrement soutenue. Je le remercie aussi de m’avoir fortement incitée à publier mes résultats dans des revues scientifiques.
Je suis reconnaissante à Yves Rogister pour son intérêt et son implication dans mes travaux de recherche. J’ai particulièrement apprécié son approche rigoureuse des problèmes scientifiques et ses conseils toujours pertinents. Son aide à la rédaction des articles m’a été précieuse.
Je remercie chaleureusement JeanPaul Boy pour son aide scientifique et technique, notamment dans le domaine informatique. Toujours disponible et prêt à rendre service, il m’a aidée à résoudre de nombreux problèmes avec l’entrain et la rapidité qui le caractérisent. Un grand merci à Luis Rivera qui m’a consacré une partie de son temps et ouvert une porte inattendue sur l’étude des grands séismes par les modes propres. J’ai beaucoup apprécié sa volonté d’aller au fond des problèmes scientifiques et sa passion pour la recherche, sans oublier sa chaleur humaine. Je souhaite remercier tous les membres de l’équipe de Dynamique Globale pour leur accueil: particulièrement, Bernard Luck, pour son humour et sa gentillesse, Hilaire Legros, Pascal Gégout et Séverine Rosat, pour leurs conseils scientifiques concernant la préparation de congrès ou la sou tenance de la thèse, JeanJacques Schott, pour son intérêt amical, Martine Amalvict pour m’avoir introduite dans l’équipe lors du DEA, Aude Chambodut, pour ses explications sur les ondelettes et ses conseils amicaux. Les remarques et conseils scientifiques de Nicolas Florsch ont toujours été très pertinents et m’ont permis de progresser. Je l’en remercie. Je remercie JeanMichel Lemoine, Richard Biancale et Sylvain Loyer d’avoir mis à ma dispo sition les solutions de champ de gravité du GRGS et d’avoir été disponibles pour me donner les renseignements scientifiques et techniques nécessaires à leur utilisation. Je souhaite également remercier Pierre Briole, Richard Biancale, JeanJacques Lévêque, Olivier de Viron et David Crossley d’avoir accepté de juger mon travail de thèse. Merci en particulier à JeanJacques Lévêque pour ses remarques et conseils scientifiques fins et pertinents. Monique Martiny et Caroline Lazarus ont contribué au bon déroulement des missions en France et à l’étranger. Je n’oublie pas non plus Binta Mesmacque pour son aide efficace et sa bonne humeur. Un souvenir particulier concerne Janine Fischbach pour ses qualités d’écoute et sa gentillesse. Enfin, je remercie chaleureusement mes amis, doctorants ou postdoctorants de l’IPGS, randon neurs, ou amis tout simplement, avec lesquels j’ai partagé petits bonheurs et périodes de doute au cours de ces années strasbourgeoises: Amélie Neuville, Bernard Durr, Eva Kucerova, Fatima Boum lik, Juan Ramirez, Mélanie Grob, Rosaria Tondi, Sana Amir, Valérie Calbini et Vera Bartholdy.
vi
1
Aspects théoriques du rapport A search for the ratio between gravity variation and vertical displacement due to a surface load (de Linageet al., 2007,GJI, 171(3), 986994)11 Abstract . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 1.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 1.2 Vertical displacement and gravity variation induced by a surface load . . . . . . . . . 13 1.2.1 Vertical displacement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 1.2.2 Gravity variation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 1.2.3 Ratio between gravity variation and vertical displacement . . . . . . . . . . . 15 E 1.3 Asymptotic limit ofg /u. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 1.3.1 Interpretation of the limit in the plane approximation  Bouguer correction . 17 1.3.2 Numerical investigation of equivalent densityρ. . . . . . . . . . . . . . . . ˜ . 18 1.4 Spectral mean value ofg/u. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 1.4.1 Definition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 1.4.2 Application to spherical caps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 1.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
xi
iii
v
1
Introduction générale
TABLEDESMATIÈRES
des
matières
Résumé  Abstract
Liste des tableaux
2
Remerciements
Table des figures
Table
Investigation numérique du rapport Variability of the gravitytoheight ratio due to surface loads (de Linageet al.,PAGEOPH, accepté)27 Abstract . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 2.2 Theoretical aspects of the gravitytoheight ratio induced by a surface load . . . . . 29 2.2.1 Vertical displacement and gravity variation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 2.2.2 Ratio between gravity variation and vertical displacement . . . . . . . . . . . 32 2.3 Numerical application with global models of time variable surface loads . . . . . . . 35
I Étude du rapport entre la variation de gravité et le déplacement vertical dus à une distribution de charges à la surface de la Terre
9
xvii
vii
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. . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . .
2.4
3
. . . . . . . . . . . . . .
97 98 98 98 99 100 102 103 105 111 111 111 112 114 117
Variations de gravité et hydrologie en Europe 2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2 Variations temporelles du contenu en eau observées par GRACE . . . . . . 2.2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.2 Traitement des données . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.3 Résultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3 Problèmes liés à la comparaison entre données spatiales et terrestres . . . . 2.3.1 Résolutions spatiales et temporelles  Sensibilité aux effets locaux . . 2.3.2 Effet du déplacement vertical . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4 Décomposition en EOF des différents résidus de gravité . . . . . . . . . . . 2.4.1 Principe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4.2 Données et traitement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4.3 Résultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4.4 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Apports de la mission de gravimétrie spatiale GRACE
La mission GRACE Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Présentation et objectifs de la mission GRACE . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.1 Bref historique de la gravimétrie spatiale . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.2 Généralités . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.3 Mesures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.4 Corrections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Etude des solutions globales de champ de gravité . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.1 Principe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.2 Solutions contraintes du GRGS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.3 Solutions libres du CSR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.4 Erreurs et résolution spatiale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Apports et limites de la contribution de GRACE à l’hydrologie globale . . . 1.4.1 Fonctions de transfert pour l’hydrologie . . . . . . . . . . . . . . . . 1.4.2 Filtrage des solutions libres du CSR . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.4.3 Comparaison avec des modèles hydrologiques globaux . . . . . . . . Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1
Conclusion
Signature gravitationnelle du séisme de SumatraAndaman Separation of coseismic and postseismic gravity changes for the 2004 SumatraAndaman earthquake from 4.6 years of GRACE observations and modelling of the coseismic change by normalmodes summation (de Linageet al.,GJI, accepté)119 Abstract . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 3.2 Estimation of earthquake signature in GRACE gravity solutions . . . . . . . . . . . 123
2
1.1 1.2 1.3 1.4 1.5
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II
viii
. . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . .
55
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57 58 58 58 59 60 61 63 63 64 65 67 70 70 77 81 95
. . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . .
TABLEDESMATIÈRES
35 39 42 50
2.3.1 Methodology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.2 Description of the surface loads considered in this study . . . . . . . . . . . . 2.3.3 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . .
TABLEDESMATIÈRES
3.3 3.4
3.5
3.6
ix
3.2.1 Methodology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 3.2.2 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126 Modelling of the impact of global hydrology and oceanic circulation . . . . . . . . . 136 Modelling of coseismic effect in gravity field . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140 3.4.1 Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140 3.4.2 Numerics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141 3.4.3 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142 Comparison with previous studies and discussion. . . . . . . . . . . . . . . . 144 3.5.1 Coseismic effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144 3.5.2 Postseismic effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
Conclusion générale
Annexes
A Inversion par moindres carrés généralisés
B Modélisation du déplacement vertical cosismique
C de Linage et al.,BIM, 2006
Bibliographie
147
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153
155
157
167
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