Research / Recherche

Ma recherche s’articule autour de deux thèmes principaux :

  • La caractérisation de la déformation lithosphérique dans différents contextes tectoniques (collisions continentales, grandes failles décrochantes, rifts, déformations lentes intracontinentales), en utilisant la technique GPS et la gravimétrie absolue.
  • La quantification de la vapeur d’eau troposphérique, en utilisant la technique GPS.

1 – Les déformations actives et le cycle sismique étudiés par GPS et gravimétrie absolue

Les déformations actuelles ou récentes et le cycle sismique peuvent être étudiés à l’aide du GPS et de la gravimétrie absolue. Le GPS a de nombreuses applications en géodynamique et pour l’étude des séismes.

* Le GPS peut être utilisé pour étudier la cinématique actuelle des plaques. Il permet aussi de tester l’hypothèse de rigidité des plaques et de définir les zones des plaques qui ne se déforment pas.

* Inversement le GPS permet de définir les zones aux limites des plaques qui subissent de la déformation. Ces zones accommodent les mouvements relatifs entre deux plaques non déformées. La déformation totale d’une limite de plaque peut être simplement évaluée lorsque l’on connaît le mouvement des deux plaques en jeu.

* Le GPS permet aussi de détailler comment est accommodée la déformation à l’intérieur de la limite de plaques. Par exemple dans le cas de la limite entre les plaques anatoliennes et Eurasie, l’accommodation se fait principalement par la grande faille décrochante nord anatolienne. Mais les limites de plaques sont souvent beaucoup plus complexes. Le GPS permet de déterminer comment est réparti le mouvement total entre chacune des structures de la zone. Il permet de mettre en évidence des zones non déformées à l’intérieur même de la limite de plaques. Les déformations déduites du GPS peuvent aussi être mises en relation avec les déformations estimées à partir de la sismicité pour quantifier les rôles respectifs des déformations sismique et asismique au cœur de la limite de plaques.

* Le GPS peut être utilisé pour caractériser les styles de déformations à l’intérieur d’une structure particulière de la limite de plaques. Par exemple, la déformation est-elle localisée sur une ou des grandes failles ou est-elle distribuée ? En cas de collision oblique, y a t-il du partitionnement ?

* Enfin, le GPS peut être utilisé pour l’étude des failles et des séismes. Une première application simple est la mesure directe de la vitesse d’une faille. Des réseaux denses, resserrés à travers la faille, permettent de déterminer si la faille est bloquée ou non, de regarder l’évolution du taux de déformation en fonction de l’espace et d’intégrer les données dans une étude plus vaste du cycle sismique. La vitesse estimée par GPS peut être comparée aux vitesses déduites des études paléosismologiques, morphotectoniques et géologiques. En cas de séismes le GPS donne des informations sur le mouvement co-sismique qui peuvent être utilisés pour la modélisation de la rupture et des informations post-sismiques qui servent à caractériser la rhéologie de la lithosphère.

Les déformations se concrétisent aussi par des mouvements verticaux et des transferts de masse. S’ils atteignent 1 cm/an, les mouvements verticaux affectent la pesanteur de 2 à 3 microgal/an en prenant exclusivement en compte le déplacement du point. A cela, il faut ajouter l’effet de transfert de matière qui dépendra du chargement et de la réaction mécanique de la lithosphère. L’estimation des variations temporelles de pesanteur par réoccupation de réseau est possible à condition que la précision des mesures absolues se situe entre 1 et 2 microgals, que l’observation soit réalisée sur des périodes de temps assez grandes et que les autres effets locaux, régionaux ou globaux affectant la variation de la pesanteur soient estimés (marées terrestres et océaniques, mouvement du pôle, atmosphère, stockage de l’eau dans le sol). Ces variations peuvent alors compléter les mesures GPS pour contraindre les modèles de déformation lithosphériques.

J’ai développé ces dernières années divers chantiers pour étudier les déformations tectoniques soit à l’échelle régionale, soit à l’échelle d’une ou d’un ensemble de failles :

  • En Iran (GPS, années 1999 à 2005) : Caractérisation des déformations à l’échelle de la collision Arabie-Eurasie et distribution locales de ces déformations (dans le Zagros, la transition Zagro-Makran, l’Alborz, le NW de l’Iran).
  • En Turquie (GPS, depuis 2004), Syrie (depuis 2009), Israël et Jordanie (depuis 2010) : Etude de la déformation le long des failles nord Anatolienne et de la Mer Morte et au niveau du point triple Arabie-Afrique-Anatolie.
  • En Birmanie (GPS, années 2005 à 2008) : Déformation de la terminaison nord de la faille de Sagaing et de la syntaxe est-Himalayenne.
  • A Taiwan (Gravimétrie absolue, depuis 2006) : Transferts de masse dans l’orogène taiwanaise
  • Dans l’Afar (GPS et gravimétrie absolue, depuis 2010) et le rift est-africain (Tanzanie depuis 2012) : Dynamique du rifting.
  • Dans le fossé rhénan (GPS, depuis 2007) ; Déformation d’une zone à faible taux de déformation mais à la sismicité non nulle.

En parallèle à l’étude de ces chantiers, j’ai développé de nouvelles stratégies de caractérisation de la déformation à partir de l’inversion des variations temporelles des distances entre stations GPS. J’ai revisité une idée développée au début des années 2000 par Spakmann et peu exploitée. Des travaux très récent (Masson, 2014 ; Ziegler et Masson, 2014) montrent que l’on est capable par cette méthode d’estimer des taux de déformation avec une précision inégalée.

2 – Quantification de la vapeur d’eau troposphérique par GPS

J’ai commencé à m’intéresser aux applications météorologiques du GPS à partir de 2002. L’ensemble des travaux effectués jusqu’ici dans ce cadre peuvent être résumés en trois mots : mesures, cartographie d’IWV (Integrated Water Vapor) et tomographie. Ils sont le reflet des objectifs initiaux de mes travaux qui étaient 1- l’amélioration de la détermination des IWV et 2- la réalisation de tomographie.

On peut considérer aujourd’hui que ces objectifs initiaux ont été atteints. Nous sommes capables de déterminer les IWV avec une précision suffisante pour les utiliser en météorologie. Ces données sont aujourd’hui assimilées dans les modèles météorologiques opérationnels de Météo-France. Nous sommes aussi capables de regarder les variations latérales du contenu en vapeur d’eau de la troposphère à partir des gradients. Enfin, nous avons développé un logiciel de tomographie qui permet de cartographier la vapeur d’eau en 4D à des échelles locales et régionales.

Aujourd’hui je m’intéresse à l’étude de situations météorologiques très particulières, où les réseaux GPS denses peuvent apporter une information inédite. Deux projets sont en cours, l’un sur la marge ouest-Afar qui marque en quelques dizaines de kilomètres et un saut topographique de 3000m, le passage de l’Afar aride aux hauts plateaux éthiopiens très arrosés. Un autre projet est développé autour du mont Vésuve en collaboration avec des collègues de Naples.