Thèse 2019-2022

Contraintes magnétiques, gravimétriques et géodésiques sur la dynamique du noyau

Le champ magnétique terrestre est produit par la dynamique du noyau terrestre. Les modèles numériques de géodynamo décrivent assez bien la nature de ce champ magnétique mais pâtissent du problème de dimensionnement des quantités qui caractérisent le système. Ces modèles sont donc éloignés du vrai régime terrestre. Les données magnétiques, en particulier les variations séculaires du champ, sont habituellement utilisées afin de reconstruire les mouvements fluides dans le noyau. Les modèles de flux ainsi obtenus souffrent cependant de non unicité et se limitent aux grandes échelles spatio-temporelles. Ils ne peuvent pas représenter la dynamique rapide du noyau aux échelles de temps interannuelles et infra-décennales. Les mouvements fluides dans le noyau entraînent des variations de densité dans le temps par le déplacement de structures hétérogènes qui vont engendrer des variations de gravité à la surface de la Terre. En plus de l’effet en densité, des déformations élastiques vont intervenir afin de rétablir l’équilibre mécanique de la planète et perturber également le champ de gravité. Ces variations de densité vont être accompagnées de pressions fluides aux interfaces du noyau qui vont induire des couples et des rotations différentielles entre la graine et le manteau perturbant aussi la gravité (Fang et al. 1996, Greff-Lefftz et al. 2004). L’amplitude de telles variations de gravité est suffisamment grande pour qu’il soit possible de les détecter en surface (Dumberry 2010). Des variations de gravité ont en effet été observées à partir des mesures spatiales des satellites GRACE et des variations séculaires du champ magnétique ont été vues dans les données du satellite CHAMP (Mandea et al. 2012) à des échelles de temps décennales. La corrélation entre ces mesures a été interprétée comme étant due à des processus de dissolution et cristallisation à la CMB (Mandea et al. 2015). Par ailleurs, un signal périodique à environ 6 ans a été observé dans des données de variations de la longueur du jour, dans des données GPS et dans des données magnétiques de surface (Ding & Chao 2018). Ce signal à 6 ans peut être interprété comme étant dû à la libration axiale de la graine générée par un couplage gravitationnel entre la graine et le manteau (Mound & Buffet 2003, 2006, Davies et al. 2014), ou à des ondes de torsion se propageant dans le noyau fluide (Gillet et al. 2010) – ces ondes pourraient d’ailleurs être excitées par le couplage gravitationnel entre la graine et le manteau (Jackson 2010) - ou à des sauts de variation séculaire du champ magnétique – « jerks » (Silva et al. 2012, Holme & de Viron 2013). Ce sujet a pour objectif de confirmer et compléter ces observations via la recherche de signaux interannuels dus aux mouvements fluides dans le noyau dans des données magnétiques et géodésiques et d’identifier la source de ces variations interannuelles. Ainsi les données spatiales GRACE et les données gravimétriques enregistrées en continu par des gravimètres supraconducteurs seront analysées et combinées aux observations GNSS. Des méthodes de sommation et d'analyses en ondelettes seront développées afin d’identifier d’éventuels signaux transitoires en plus du signal principal périodique à 6 ans. Les effets des couches fluides superficielles (atmosphère, océans et eaux continentales) devront être correctement corrigés afin d’accéder aux processus internes. A partir des observations géodésiques, gravimétriques et magnétiques, de nouvelles contraintes seront ainsi établies sur la dynamique du noyau et sur les processus de couplage à ses interfaces. Ce sujet de thèse reposera sur la valorisation des données magnétiques et gravimétriques des services d’observation nationaux ainsi que sur l’exploitation des données des services internationaux (International Earth rotation and Reference systems Service, International Geodynamics and Earth Tide Service, service de charge de l’EOST, International GNSS Service, Intermagnet, World Data Center for Geomagnetism).

Références citées :

Davies, C.J., Stegman, D.R., Dumberry, M., 2014. The strength of gravitational core-mantle coupling. Geophys. Res. Lett. 41, 059836. https://doi.org/10.1002/2004GL.

Ding, H. & B. F. Chao, 2018. A 6-year westward rotary motion in the Earth: Detection and possible MICG coupling mechanism, Earth Planet. Sci. Lett. 495, 50-55 https://doi.org/10.1016/j.epsl.2018.05.009

Dumberry, M., 2010. Gravity variations induced by core flows. Geophys. J. Int.180, 635-650.

Fang, M., Hager, B.H., Herring, T.A., 1996. Surface deformation caused by pressure changes in the fluid core. Geophys. Res. Lett. 23, 1493-1496.

Gillet, N., Jault, D., Canet, E., Fournier, A., 2010. Fast torsional waves and strong magnetic field with the Earth’s core. Nature 465, 74-77.

Greff-Lefftz, M., Pais, M.A., Le Mouël, J.-L., 2004. Surface gravitational field and topography changes induced by the Earth’s fluid core motions. J. Geod.78, 386–392.

Holme, R., de Viron, O., 2012. Characterization and implications of intradecadal variations in length of day. Nature 499, 202-204.

Jackson, A., 2010. A new turn for Earth’s rotation. Nature 465, 39-40.

Mandea, M., I. Panet, V. Lesur, O. de Viron, M. Diament, and J. Le Mouël, 2012. Recent changes of the Earth’s core derived from satellite observations of magnetic and gravity fields, Proc. Natl. Acad. Sci., 109(47), 19,129-19,133.

Mandea, M., Narteau, C., Panet, I. and J.-L. Le Mouël, 2015. Gravimetric and magnetic anomalies produced by dissolution-crystallization at the core-mantle boundary, J. Geophys. Res.: Solid Earth, 120, doi:10.1002/2015JB012048

Mound, J.E., Buffett, B.A., 2003. Interannual oscillations in length of day: implications for the structure of the mantle and core. J. Geophys. Res.108 (B7), 2334.

Mound, J.E., Buffett, B.A., 2006. Detection of a gravitational oscillation in length-of day. Earth Planet. Sci. Lett. 243, 383-389.

Silva, L., Jackson, L., Mound, J., 2012. Assessing the importance and expression of the 6 year geomagnetic oscillation 117, B1010

 

Magnetic, gravimetric and geodetic constraints on the dynamics of the Earth's core

The Earth’s magnetic field is powered by the dynamical fluid core. Numerical simulations of the geodynamo processes describe quite well the nature of this magnetic field but suffer from a problem of dimensioning the parameters describing the system. Such models do not reflect real Earth’s regime. Geomagnetic data, particularly secular variations of the magnetic field, are usually employed to reconstruct the fluid flows in the Earth’s core. Core flow models thus obtained suffer however of non-unicity and are limited to large space-time scales. They cannot represent the short time scales dynamics of the fluid core at inter-annual to decadal periods. Fluid core motions induce surface gravity time changes through the motions of heterogeneous density structures. Besides, elastic deformations occur to maintain the mechanical equilibrium of the Earth and perturb the gravity field. Density variations will also be associated with fluid pressure acting at the core boundaries inducing torques and differential rotations between the solid inner core and the mantle. Such coupling also perturbs the gravity field (Fang et al. 1996, Greff-Lefftz et al. 2004). Amplitudes of these expected gravity changes are large enough to be detected at the Earth’s surface (Dumberry 2010). Decadal gravity variations probably due to fluid flow in the core were indeed observed from space gravity observations of GRACE satellites. Moreover decadal variations of the magnetic field were detected in CHAMP satellite data (Mandea et al. 2012). A correlation between those measurements was interpreted as due to some dissolution and crystallization processes at the CMB (Mandea et al. 2015). Moreover, a 6-year signal was observed in length-of-day variation data, in GPS data and in magnetic data. (Ding & Chao 2018). This 6-year periodic oscillation can be interpreted as being due to the solid inner core libration under a gravitational coupling between the solid inner core and the mantle (Mound & Buffet 2003, 2006, Davies et al. 2014), or due to fast torsional waves within the fluid core (Gillet et al. 2010) – such waves could be excited by the mantle-inner core gravitational coupling (Jackson 2010) – or due to geomagnetic jerks (Silva et al. 2012, Holme & de Viron 2013). The current project aims at confirming and completing these past observations by searching for decadal and sub-decadal gravity signals induced by fluid core motions in magnetic and geodetic data and to identify the source of these inter-annual variations. Space-gravity GRACE observations and surface gravimetric records from superconducting gravimeters will be analysed and combined to GNSS observations. Stacking and wavelet methods will be developed in order to identify possible transient effects occurring besides the main 6-year oscillation. The effects of surficial fluid layers (atmosphere, oceans and continental water) will have to be appropriately corrected in order to access the deep Earth’s processes. From those geodetic, gravimetric and magnetic observations, new constraints will be established on the fluid core dynamics and coupling processes at the core interfaces. This PhD project will rely on magnetic and gravimetric data from the National Observing Services as well as on the exploitation of data from international data centres (International Earth rotation and Reference systems Service, International Geodynamics and Earth Tide Service, EOST loading service, International GNSS Service, Intermagnet, World Data Center for Geomagnetism).