Modes propres

La gravimétrie est un outil privilégié d’investigation de la Terre profonde aux longues périodes, alors que la sismologie est plus adaptée pour étudier des phénomènes plus hautes fréquences. Les variations temporelles de la gravité en surface sont enregistrées en permanence par des gravimètres relatifs cryogéniques (gravimètres supraconducteurs, SGs) dans le cadre du projet mondial GGP (Global Geodynamics Project). Ces variations sont dues à des phénomènes géophysiques de périodes allant de quelques minutes (modes propres sismiques par exemple) à plusieurs années (mouvement du pôle). Une étude de bruit a montré que les SGs deviennent moins bruités que les sismomètres aux fréquences inférieures à 1 mHz et contribuent donc de manière unique à l’étude des modes propres longues-périodes.

Modes propres sismiques

Après une forte excitation (tel qu’un séisme de magnitude > 6.5), la Terre oscille à différentes fréquences : ce sont les modes propres de la Terre. Leur fréquence d’oscillation est liée à la structure interne de la Terre.

Le séisme de Sumatra-Andaman du 26 décembre 2004 de magnitude Mw > 9 a fortement excité les modes sismiques les plus graves.

Voir aussi:

http://eost.unistra.fr/recherche/institut-de-physique-du-globe-de-strasbourg/equipes/dynamique-globale-et-deformation-active/pages-personnelles/severine-rosat/research/#c49792

Spectre d’amplitude des variations temporelles de la gravité enregistrées à Strasbourg suite au séisme de Sumatra du 26 décembre 2004 (Mw = 9.0). Les modes propres sismiques les plus graves sont fortement excités, en particulier le mode 0S0 (période 20.5 minutes) appelé mode « respiration » de la Terre puisqu’il s’agit d’un mode de déformation radiale associé à des changements de circonférence de la Terre.
Spectre d’amplitude des variations temporelles de la gravité enregistrées à Strasbourg suite au séisme de Sumatra du 26 décembre 2004 (Mw = 9.0). Les modes propres sismiques les plus graves sont fortement excités, en particulier le mode 0S0 (période 20.5 minutes) appelé mode « respiration » de la Terre puisqu’il s’agit d’un mode de déformation radiale associé à des changements de circonférence de la Terre.
Spectre d’amplitude des variations temporelles de la gravité enregistrées à Strasbourg suite au séisme de Sumatra du 26 décembre 2004 (Mw = 9.0). Les 5 singlets (pics spectraux) constituant le mode « football » 0S2 de période 54 min sont parfaitement résolus. Cet éclatement fréquentiel est dû à la rotation et l’ellipticité de la Terre, et l’amplitude de l’éclatement est directement liée à la densité moyenne dans le manteau.
Spectre d’amplitude des variations temporelles de la gravité enregistrées à Strasbourg suite au séisme de Sumatra du 26 décembre 2004 (Mw = 9.0). Les 5 singlets (pics spectraux) constituant le mode « football » 0S2 de période 54 min sont parfaitement résolus. Cet éclatement fréquentiel est dû à la rotation et l’ellipticité de la Terre, et l’amplitude de l’éclatement est directement liée à la densité moyenne dans le manteau.

Modes propres de rotation

Parce-que la Terre possède un noyau fluide, sa rotation est perturbée. L'effet du noyau liquide, dont l'axe de rotation est incliné par rapport à celui du manteau, se traduit par une nutation libre, appelée Nutation Libre du Noyau (Free Core Nutation). L'effet en rotation est 300 fois plus grand que l'effet en déformation et donc ce mode est mieux observé dans les données de nutations par interférométrie à large bande (VLBI). Cependant, comme cette nutation a une période quasi-diurne dans un repère terrestre tournant, le forçage par les marées diurnes entraînent un effet de résonance associé à la FCN qui se traduit par une amplification ou la réduction de l'amplitude de certaines ondes diurnes. Par ajustement d'un modèle de résonance non-linéaire, il est possible d'estimer les paramètres de la FCN (amplitude et facteur de qualité Q) qui apportent des contraintes sur les couplages à l'interface noyau - manteau (CMB).

Voir aussi:

http://eost.unistra.fr/recherche/institut-de-physique-du-globe-de-strasbourg/equipes/dynamique-globale-et-deformation-active/pages-personnelles/severine-rosat/research/#54564

FCN resonance in SG gravimetric and VLBI nutation data
FCN resonance in SG gravimetric and VLBI nutation data

Quelques publications sur le sujet

  • Cui, X., Sun, H.-P., Rosat, S., Xu, J.-Q., Zhou, J.-C., Ducarme, B., 2014. Investigation of the time variability of diurnal tides and resonant FCN period, J. of Geodyn., 79, 30-38, doi:10.1016/j.jog.2014.05.003
  • Rosat, S., T. Sato, Y. Imanishi, J. Hinderer, Y. Tamura,H. McQueen, and M. Ohashi (2012), Correction to “High-resolution analysis of the gravest seismic normal modes after the 2004 Mw = 9 Sumatra earthquake using superconducting gravimeter data”, Geophys. Res. Lett., 39, L22601, doi:10.1029/2012GL054248.
  • Rosat, S., Fukushima, T., Sato, T. et Tamura, Y., Application of a Non-Linear Damped Harmonic Analysis method to the normal modes of the Earth, J. of Geodyn., 45 (1), 63-71, 2008.
  • Rosat, S., Sailhac, P. et Gegout, P., A Wavelet-Based Detection and Characterization of Damped Transient Waves Occurring in Geophysical Time Series: Theory and Application to The Search for the Translational Oscillations of the Inner Core, Geophys. J. Int., 171, 55-70, 2007.
  • Rosat, S., Watada, S. et Sato, T., Geographical variations of the 0S0 normal mode amplitude: predictions and observations after the Sumatra-Andaman earthquake, Earth Planets Space, 59, 307-311, 2007.
  • Rosat, S., Sato, T., Imanishi, Y., Hinderer, J., Tamura, Y., McQueen, H., Ohashi, M., High resolution analysis of the gravest seismic normal modes after the 2004 Mw=9 Sumatra earthquake using superconducting gravimeter data, Geophys. Res. Lett., 32, L13304, doi:10.1029/2005GL023128, 2005.
  • Rosat, S., Hinderer, J. et Rivera, L., First observation of 2S1 and study of the splitting of the football mode 0S2, Geophys. Res. Lett., 30 (21), 2111, 2003.
  • Rosat, S. & Lambert, S.B., 2009. Free core nutation resonance parameters from VLBI and superconducting gravimeter data, Astron. Astrophys., 503, 287-291.
  • Rosat, S., Florsch, N., Hinderer, J. et Llubes, M., 2009. Estimation of the Free Core Nutation parameters from SG data: sensitivity study and comparative analysis using linearized Least-Squares and Bayesian methods, J. of Geodyn., 48, 331-339.