Gravimétrie et Tectonique

GRACE et tectonique active: la signature du séisme de Sumatra de 2004

Nous avons étudié la signature du séisme de Sumatra-Andaman du 26/12/2004 dans les solutions de champ de gravité globales élaborées à partir des données de la mission GRACE par le Groupe de Recherche en Géodésie Spatiale (GRGS) du CNES. La signature cosismique se dégage des signaux hydrologiques et océaniques et est de l’ordre de 20 µGal pic à pic, avec une anomalie négative en mer d’Andaman atteignant -16 µGal et une anomalie positive à l’ouest de l’arc de subduction atteignant +4 µGal (voir fig. ci-dessous). Dans le géoïde, nous trouvons essentiellement des valeurs négatives, atteignant de très fortes valeurs dans la mer d’Andaman, jusqu’à -8.0 mm ; à l’ouest de l’arc de subduction, les valeurs restent faiblement négatives.

Effet cosismique du séisme de Sumatra-Andaman déduit des données GRACE (en haut) et modélisé (en bas), exprimé en hauteur de géoïde (à gauche) et en gravité (à droite).
Effet cosismique du séisme de Sumatra-Andaman déduit des données GRACE (en haut) et modélisé (en bas), exprimé en hauteur de géoïde (à gauche) et en gravité (à droite).

Nous avons calculé l’effet cosismique dans le champ de gravité (à la même résolution spatiale que les solutions GRACE) en utilisant une technique de sommation de modes dans un modèle de Terre sphérique, élastique, compressible, auto-gravitant et sans rotation (PREM) ainsi qu’un modèle de source. Les amplitudes prédites sont du même ordre de grandeur que les amplitudes observées. De plus, la forme générale de la signature et son orientation sont comparables. Enfin, un effet post-sismique est également présent dans les solutions GRACE et a été évalué simultanément à l’effet cosismique. Nous ne trouvons pas de constante de temps très claire caractéristique du processus post-sismique et devons imposer un a priori fort lors de l’inversion de ce paramètre (valeur de l’ordre de 0.5-0.7 an). Ce phénomène serait à mettre en relation avec un processus de relaxation visqueuse.

Gravimétrie absolue et tectonique active

Comme précédemment dit, la mesure de la pesanteur et l’observation de sa variation temporelle à l’aide d’un gravimètre absolu font partie de nos activités de recherche et les finalités sont variées. La comparaison de ces variations avec les observations de déplacement vertical par positionnement de précision par satellite peut fournir des informations sur l’évolution tectonique et les mécanismes de transfert de masse en jeu. En particulier, nous nous intéressons en détail à l’interprétation du rapport dg/dh (variation de pesanteur versus déplacement vertical) dans le contexte de la tectonique active. Nous détaillons ci-après quelques chantiers où nous sommes intervenus dans ce cadre-là.

Iles sub-antarctiques

Dans le cadre d’un programme de mesures de gravité sur les îles sub-antarctiques financé par l’Institut Polaire Français (IPEV), nous avons remesuré à Kerguelen et sur l’île de la Réunion en 2005. La variation sur 4 ans de la valeur de la pesanteur à Kerguelen conduit à une augmentation non significative de la pesanteur de +1,3 ± 1,8 µGal/an, ce qui pourrait correspondre à une subsidence, alors que les vitesses données par le GPS et DORIS sont toutes deux positives. Pour La Réunion, la valeur observée en 2003 est beaucoup plus forte que celles de 2001 et 2005, phénomène qui pourrait être mis en relation avec une forte éruption volcanique survenue en 2003 peu après notre mesure. La forte valeur de la pesanteur en 2003 serait alors due à une quantité de masse magmatique plus importante que lors des périodes ‘normales’.

Alborz (Iran)

Afin de mieux comprendre l’activité tectonique actuelle du Massif de l’Alborz (entre Téhéran et la Mer Caspienne), des mesures répétées (en général à un rythme annuel) ont été faites en collaboration avec Géosciences Montpellier depuis 2000 en 3 sites privilégiés dont la station d’Abali à plus de 3000 m. Ces mesures sont accompagnées de mesures de positionnement par GPS (souvent permanentes sinon de type campagne) pour estimer le déplacement vertical de cette zone de collision continentale. Les résultats obtenus sur 6 ans suggèrent un soulèvement vertical de 2.5 ± 1.5 mm/an dans la partie à l’Est de la faille de Mosha. Cette étude montre aussi l’intérêt d’associer ces deux types de mesures pour mieux interpréter le mouvement vertical dans les zones tectoniquement actives.

Chili

Ce projet s’inscrit dans le cadre de la coopération franco-chilienne en sciences de la terre (principalement géologie, sismologie, géodésie) établie depuis près d’une quinzaine d’années entre différentes équipes chiliennes et françaises. Ce projet présente deux objectifs fondamentaux : la détermination des mouvements verticaux liés à la surrection des Andes et l’estimation des variations de pesanteur et des mouvements verticaux associés à un séisme majeur attendu dans la région du nord Chili. L´approche originale proposée dans ce projet est la mise en oeuvre conjointe en un même site de mesures de gravimétrie absolue et de GPS, afin de permettre une meilleure résolution dans la détermination de la composante verticale de la déformation tectonique (quelques millimètres par an en période inter-sismique). Pour atteindre cet objectif, un réseau de 5 sites de mesures de gravimétrie absolue a été installé selon un profil Est-Ouest au centre de la lacune sismique du nord Chili (lacune longue de plusieurs centaines de km, où un séisme de magnitude supérieure à 8 est statistiquement « attendu » dans les prochaines années) et réparti sur les 5 grandes unités morpho-structurales de l’avant-arc des Andes (Cordillère de la côte, Dépression centrale, Pré-cordillère, Cordillère occidentale, Altiplano). Nous avons à notre disposition deux campagnes de mesure de gravimétrie, l’une initiale en 2002 et la répétition en 2005, et, en complément, les mesures de positionnement par GPS de ces mêmes points. Ce projet de quantification du mouvement vertical dans une zone de subduction s’inscrit incontestablement sur le moyen et le long terme. Il sert aussi d’appui à une approche multi-paramètres, combinant des observations au sol et depuis l’espace, pour l’étude de la déformation crustale active dans les Andes.

Fossé Rhénan

Superposition des variations de temporelles de gravité vues par gravimétrie absolue (FG5) et supraconductrice (SG) ; les prédictions des modèles hydrologiques (LaDworld et GLDAS) sont également superposées
Superposition des variations de temporelles de gravité vues par gravimétrie absolue (FG5) et supraconductrice (SG) ; les prédictions des modèles hydrologiques (LaDworld et GLDAS) sont également superposées

La superposition des mesures de gravité absolue régulières et des mesures continues du gravimètre supraconducteur à Strasbourg a été poursuivie et montre une évolution notable de la pesanteur dans notre site (cf. fig. ci-dessus). Conjointement nous avons aussi analysé la tendance à long terme qui se dégage des mesures de déplacement vertical par GPS, en particulier en étudiant la différence entre une station des Vosges (WELS) et Strasbourg (STJ9). Il y a une convergence pour cette dernière station dans le sens où l’augmentation de pesanteur est aussi accompagnée d’une subsidence apparente cependant trop forte pour être de nature purement tectonique. Nous avons aussi une contribution gravifique à long terme de nature hydrologique (humidité du sol) qui explique certaines variations saisonnières et interannuelles. Il semble néanmoins difficile d’expliquer l’amplitude de la tendance à long terme en gravité par une lente recharge des aquifères régionaux (la pente présente dans les contributions hydrologiques de la figure est fictive et ajustée à la pente de la gravité car la tendance séculaire n’est pas prise en compte dans les modèles globaux de type LaDWorld ou GLDAS).

Quelques publications sur le sujet

  • Amalvict, M., J. Hinderer, E. Calais, P. Exertier, J.-J. Walch, M.-F. Lalancette, N. Florsch & M. Llubes, 2001. Time stability of gravity at different sites in France, IAG Symposia, vol. 123, M. Sideris (ed.), Gravity, Geoid and Geodynamics 2000, Springer Heidelberg, 199-203.
  • Amalvict, M., Hinderer, J., Makinen, J., Rosat, S., & Rogister, Y., 2004. Long-term and seasonal gravity changes and their relation to crustal deformation and hydrology, J. of Geodyn., 38, 343-353.
  • Amalvict, M., Hinderer, J., & Rozsa, S., 2006. Crustal vertical motion along a profile crossing the Rhine graben from the Vosges to the Black Forest Mountains: Results from absolute gravity, GPS and levelling observations, J. Geodynamics, 41, 358–368.
  • Amalvict M., Rogister Y., Luck B., & Hinderer J., 2007, Absolute gravity measurements in the Southern Indian Ocean, in Dynamic Planet: Monitoring and understanding a dynamic planet with geodetic and oceanographic tools, Tregoning and Rizos (eds.), IAG Symposia, vol. 130, 433-437.
  • de Linage, C., L. Rivera, J. Hinderer, J.-P. Boy, Y. Rogister, S. Lambotte and R. Biancale, 2009. 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, Geophys. J. Int., 176 (3), 695-714.
  • Hinderer, J., Sedighi, M., Bayer R.., Ghazavi, K., Amalvict, M., Luck, B., Nilforoushan, F. Masson, F., Peyret, M., Djamour, Y. and Kouhzare, A., 2003. The absolute gravity network in Iran: an opportunity to analyse gravity changes caused by present-day tectonic deformation, in Proc. IMG-2002 (Instrumentation and Metrology in Gravimetry) Cahiers du Centre Européen de Géodynamique et de Séismologie, Luxembourg, 22, 137-141.
  • Rosat, S., J.-P. Boy, G. Ferhat, J. Hinderer, M. Amalvict, P. Gégout and B. Luck,, 2009. Analysis of a ten-year (1997-2007) record of time-varying gravity in Strasbourg using absolute and superconducting gravimeters: new results on the calibration and comparison with GPS height changes and hydrology, J. of Geodyn., 48, 360-365.