Recueil des résumés

Session imagerie structurale : combinaison d’observations et inversion

De l’espace à la lithosphère : modélisation et inversion des données gradiométriques GOCE Matthieu Plasman (Géosciences Montpellier)
La mission GOCE a ouvert à la communauté scientifique une nouvelle ère de mesures gravimétriques et gradiométriques, d’une résolution spatiale (~50km) et précision (~1 mGal) sans précédent. Ces nouveaux jeux de données permettent d’améliorer notre connaissance du champ gravitationnel et donc la compréhension de la géodynamique terrestre (structure de la lithosphère, composition du manteau, etc..). Ceci est d’autant plus vrai dans les zones difficiles d’accès où l’instrumentation reste limitée, et où les processus mantelliques impliqués concernent une vaste gamme d’échelle spatiale, à l’exemple des zones de subduction.
Cependant l'utilisation et l'interprétation de ces données de haute qualité nécessitent d'affiner les approches classiques en matière de traitement, d’analyse et d’inversion. Nous présentons tout d’abord un nouvel outil d’analyse et de modélisation des effets gravimétriques et gradiométriques d’un corps quelconque sur la sphère, GEEC (Gal Etvos Earth Calculator ; Saraswati et al, 2018). Cet outil permet d’estimer finement l’effet gradiométrique de la topographique même sur des régions très accidentées. Son utilisation peut être élargie à la modélisation de corps complexes, à l’exemple des plaques tectoniques plongeant dans le manteau. Nous illustrerons nos résultats en nous appuyant sur l’exemple de la subduction Izu-Bonin-Mariannes.
GEEC nous permet de corriger tout effet topographique et donc d’isoler la contribution des structures lithosphériques dans le signal gradiométrique. Pour accéder aux processus dynamique(s) associés à ce signal, nous avons développé en parallèle un outil d’inversion gradiométrique. Si l’utilisation et l’inversion des données gravimétriques est une approche courante que ce soit avec des données satellitaires ou à terre, l’inversion des données gradiométriques (notamment avec les données GOCE) est encore trop peu exploitée. Nous présentons ici une nouvelle méthodologie d’inversion conjointe combinant les données satellitaires GOCE avec des données terrestres de tomographie sismique et gravimétrie reposant sur la relation entre la densité et la vitesse des ondes. Cela nous permet d’introduire des contraintes indépendantes supplémentaires et de s’affranchir des modèles gravimétriques sur lesquels se basent les inversions gradiométriques GOCE classiquement utilisées jusqu’à présent.

Inversion jointe de données muographiques et gravimétriques avec un formalisme Bayésien, application au puy de Dôme Anne BARNOUD (Université Clermont Auvergne)
Les données muographiques et gravimétriques sont deux mesures indépendantes sensibles à la distribution de densité dans le sous-sol. L’inversion gravimétrique permet de reconstruire les variations 3D de densité, mais le processus est mal-posé et les solutions sont non uniques. La muographie fournit des images 2D de densités moyennes, à partir de la détection de muons atmosphériques de haute énergie ayant traversé l’édifice volcanique. Plusieurs images muographiques peuvent être utilisées pour reconstruire les distributions de densités en trois dimensions, mais le nombre d’images est généralement limité par les contraintes d'instrumentation et de terrain.
L’inversion jointe de données muographiques et gravimétriques est susceptible d’améliorer la résolution des modèles 3D de densité (Jourde et al. 2015). De telles inversions ont déjà été appliquées à des volcans actifs (Nishiyama et al. 2014, Rosas-Carvajal et al. 2017). Ici, nous inversons conjointement des données gravimétriques et muographiques en utilisant un schéma d’inversion linéaire avec un formalisme Bayésien (Tarantola & Valette 1982). Cette approche prend en compte les erreurs sur les données et un modèle a priori de distribution de densités avec une covariance spatiale, de sorte à obtenir des modèles lisses. Une fois que les erreurs sur les données et la densité moyenne a priori sont évaluées, le résultat de l’inversion reste contrôlé par deux hyperparamètres : l’écart-type sur la distribution a priori de densité et la longueur de corrélation spatiale. Nous explorons ces deux paramètres de façon systématique et nous nous appuyons sur des critères de L-curves et de Cross Validation Sum of Squares (CVSS) pour déterminer le couple optimal d'hyperparamètres.
Nous utilisons le volcan du puy de Dôme comme preuve de principe car des données de qualité sont disponibles à la fois en gravimétrie (Portal et al. 2016) et en muographie (Le Ménédeu et al. 2016, Cârloganu et al. 2018). Nous montrons les avantages et les limites de la méthode avec un modèle synthétique basé sur la topographie et la géométrie d’acquisition du puy de Dôme, ainsi qu’avec des données réelles.

Joint estimation of tiltmeters drift and volume variation during reservoir monitoring Séverine FURST (Géosciences Montpellier)
The geodetic techniques provide a time-space record of the surface deformation above various kinds of reservoirs like volcanoes or geological reservoirs. Among these instruments, borehole tiltmeters are widely used to survey deformation in nearly real-time. Unfortunately, these high-resolution instruments are not suitable for long term monitoring due to their poorly known drift. Due to this drawback, only short-term tilt signal can be used for monitoring purpose. We propose a method to invert long-term time series of tilt data induced by strain variations at depth. We assume that surface deformation can be induced by the filling or draining of magmatic chambers, dike propagation, hydraulic fracturation and fracture draining when oil and/or gas are extracted from unconventional reservoirs. In order to mathematically model these phenomena, analytical formulations such as spherical sources and planar opening dislocations are widely used. For such models based on elastic constitutive equations, ground deformation can be linearly expressed as a function of volume variation of the strain source. When inverting tilt data to retrieve volume variations of the source together with drift rates, inversion provides an infinity of admissible parameters. Indeed, assuming that tiltmeters drift linearly with time does not yield to uniqueness of volume variation. To overcome this problem, we first invert the data with no constrain on the drift rate to obtain one particular solution among all admissible. Then, using the linearity of the forward model, we impose a supplementary condition concerning the correlation between drift rates and source parameters to restore the uniqueness of the solution. We illustrate our approach with some synthetic cases simulating the internal volume change of a reservoir. We demonstrate the efficiency of our inverse method and show that the accuracy of cumulated volume variation dramatically improves if low drift tiltmeters are used.

Exemples terrestres et planétaires de modélisation contrainte par des données de champs potentiels Yoann QUESNEL (Aix-Marseille Université, CEREGE)
Les données de champ potentiel (gravimétrie, magnétisme) permettent de produire des modèles numériques de structures géologiques, mais la non-unicité de l'inversion est une des principales limitations à l'application de ces méthodes. Nous développerons certaines études de modélisation combinant les 2 types de données, ainsi que contraintes par d'autres types de données comme la résistivité électrique, ou encore par des données de forage ou de pétrophysique sur échantillons. En particulier, nous traiterons le cas de modèles de structures d'impact terrestre et planétaire.

Session instrumentation nouvelle et développements méthodologiques

Accéléromètres atomiques corrélés pour la cartographie du champ de gravité depuis l’espace (GRICE) Thomas Lévèque (CNES)
La connaissance du champ de gravité, qui reflète les distributions de masses au sein du système Terre, est un moyen d’investigation de la structure de notre planète et de la dynamique de ses couches fluides externes (atmosphère, océans, calottes polaires, hydrosphère). Les observations du champ de gravité contribuent ainsi à la compréhension des évolutions géologiques et climatiques de notre planète. Par ailleurs, l’émergence de technologies quantiques, notamment les accéléromètres à atomes froids, offre la possibilité d’améliorer les performances des missions de géodésie spatiale (GRACE, GOCE). Dans ce contexte, le CNES a conduit une étude de phase 0 intitulée GRICE (GRadiométrie à Interféromètres Quantiques Corrélés pour l’Espace) dont le but est d’évaluer la contribution des technologies de l’atome froid à la géodésie spatiale.
L’instrument étudié dans le cadre de cette étude est un gradiomètre composite répartis sur deux satellites placés sur la même orbite. Chacun des satellites de la constellation est équipé d’un accéléromètre atomique mono-axe. Les deux mesures d’accélération issues de ces instruments sont couplées à l’aide d’une mesure de distance entre les deux accéléromètres de manière à atteindre une sensibilité sur la mesure du gradient d’accélération de l’ordre de 10 µE.Hz^-1/2. La constellation fonctionne en mode Nadir à une altitude de 370 km, ce qui impose aux accéléromètres atomique un fort taux de rotation ainsi que d’éventuelles perturbations accélérométriques liées aux forces non-inertielles.
Une étude générale de l'architecture des satellites, comprenant tous les sous-systèmes, a été réalisée. Plusieurs solutions techniques de propulsion et de contrôle d'attitude ont été étudiées afin de garantir des conditions de fonctionnement optimales (limitation des micro-vibrations, maximisation du temps de mesure). Une conception préliminaire de la forme du satellite a été réalisée afin de maximiser la surface de panneau solaire disponible tout en maintenant son aérodynamisme.
Enfin, nous avons réalisé une simulation numérique de reconstitution du champ de gravité par cet instrument. Dans ce cadre, une méthode spécifique de traitement de données a été développée en tirant parti de la corrélation entre les deux accéléromètres atomiques. Cette étude a été réalisée afin de valider les spécifications de la sensibilité de l'instrument et d’évaluer l'impact d'autres paramètres sur les performances de la mission (connaissance du champ variable, restitution de l'orbite).

Interférométrie atomique embarquée : des applications terrestres aux applications spatiales Nassim ZAHZAM (ONERA)
De nombreuses démonstrations expérimentales ont déjà permis de souligner l’efficacité de la technique d’interférométrie atomique pour réaliser des capteurs inertiels extrêmement sensibles et absolus. Ces développements ont notamment permis l’émergence de gravimètres à atomes froids atteignant aujourd’hui en laboratoire des performances constituant l’état de l’art. Ce type d’instruments bénéficie encore d’un fort potentiel de développement et devrait permettre des avancées significatives dans des domaines tels que la navigation, la géophysique ou la physique fondamentale et semble également très prometteur pour les futures missions satellitaires de géodésie. A l’ONERA, nos travaux portent en particulier sur le développement d’instruments à atomes froids pour des applications embarquées. Dans ce contexte, nous présenterons les développements en cours et notamment les résultats récents obtenus en collaboration avec la DGA, le SHOM, l’ESA et DTU concernant l’élaboration de cartes de gravité à partir d'un navire et d'un avion en utilisant un gravimètre absolu à atomes froids. Nous présenterons également nos premiers travaux menés en collaboration avec TUM et l'ESA dans le cadre d’une étude de future mission de géodésie spatiale, visant à hybrider un instrument absolu à atomes froids avec un accéléromètre relatif électrostatique, technologie déjà bien implantée dans le domaine du spatial et notamment utilisée lors des missions CHAMP, GRACE, GOCE et GRACE FO.

Senseurs atomiques dédiés à la gravimétrie - Situation et évolution Sébastien MERLET (LNE-SYRTE / Observatoire de Paris)
Depuis les expériences fondatrices dans les années 90, l’interférométrie atomique a connu un véritable essor. Aujourd’hui de nombreux laboratoires développent des accéléromètres quantiques basés sur ces principes pour des applications en géophysique.
Suite à la première participation d’un gravimètre atomique à une comparaison clef organisée sous l’égide du Comité International des Poids et Mesures (CIPM-KC) en 2009, huit ans plus tard, six senseurs atomiques ont pris part à la comparaison internationale qui a eu lieu en parallèle à l’édition CIPM-KC de 2017 en Chine. La technologie est aujourd’hui devenue suffisamment mature pour avoir fait l’objet de transferts industriels en Europe et aux USA. Les performances des instruments de laboratoire ont atteint, voire dépassé celles des instruments « classiques » et les améliorations à venir laissent entrevoir de nouvelles possibilités de mesure que ce soit avec des instruments fixes, déplaçables ou mobiles.
Après un état des lieux des principaux instruments et divers champs d’applications, les limites de ces instruments seront présentées puis les solutions mises en place ou envisagées pour y remédier, détaillées. Dans cette optique, les récentes évolutions technologiques appliquées aux interféromètres atomiques laissent présager de l’émergence de nouveaux instruments aux performances prometteuses.

Sismomètre optique sous-marin : avancement et perspectives Romain FERON (Groupe ESEO)
Ces dernières années ont vu le développement de sismomètres optiques innovants, haute résolution et faible coût permettant la mise en place d’une solution de surveillance en temps réel de sites d’intérêt. Les champs d’application de ces avancées significatives sont multiples : exploration industrielle du sous-sol ou stockage souterrain, surveillance d’ouvrage d’art, de sites industriels, ou sites naturels présentant un risque tellurique élevé.
L’IPGP, le Groupe ESEO et leurs partenaires Géosciences Montpellier et le Laboratoire d'Analyse et d'Architecture des Systèmes (LAAS) de Toulouse ont mené un certain nombre de campagnes de qualification de leurs premiers prototypes de sismomètres optiques 2 Hz, au Laboratoire Souterrain Bas Bruit (LSBB) de Rustrel notamment. Cela a permis une première validation de l’ensemble des fonctions opto-mecaniques et traitement du signal de ces capteurs. Ainsi, le niveau de bruit atteint par le dispositif est inférieur à 1ng.Hz-1/2 dans la bande 0,5-5Hz et reste inférieur à 10ng.Hz-1/2 dans la bande 0,15-20Hz.
L’un des axes de développement actuels, cofinancé par la Société d’Accélération du Transfert de Technologies (SATT) Ouest Valorisation, consiste en l’adaptation de ces technologies au milieu marin. Dans cette deuxième campagne, l’intégration du système de conditionnement et traitement des signaux optiques a fortement évolué, permettant notamment une baisse significative de sa consommation électrique (d’un facteur dix). Ce dispositif autonome est à présent déployé sur une plateforme en rade de Brest. Nos géophones optiques ont été conditionnés dans une enceinte hyperbare, elle-même installée en fond de mer à 500 mètres environ de la plateforme.
Cette présentation a pour objectif de faire partager les tenants et aboutissants d’un tel développement et l’avancée de nos observations. Ces dernières pourront être par la suite corroborées par celles de l’IFREMER qui dispose d’un capteur en expérimentation à côté du nôtre.

High-precision fiber interferometric interrogation of tiltmeters for applications in geophysics and in industry Han Chen Seat (ENSEEIHT)
Space-based GPS and InSARs (interferometric synthetic aperture radars) are widely used for their large geographical coverage but they do not have sufficient spatial and temporal resolutions for detecting very weak vibrations induced by earth deformations. More localized instruments such as hydrostatic inclinometers and borehole tiltmeters can also be used complementarily but have to be deployed in relatively large quantities to provide good coverage. Optical techniques, such as fiber interferometers, are particularly suitable for geophysics instrumentation because of their numerous advantages which are unmatched by traditional instruments: the optical fiber is dielectric and, hence, immune to electromagnetic interferences, lightning strikes and explosion risks, has flexible deployment geometry, low attenuation, very wide bandwidth, and multiplexing capability. Additionally, the fiber interferometer can potentially offer multi-probe sensing networks for large zone coverage.
We have therefore developed a highly-versatile extrinsic fiber Fabry-Perot interferometer (EFFPI) with suitable performance to interrogate two tiltmeter types, such as the borehole tiltmeter (fiBT) and the hydrostatic long baseline inclinometric sensor (fiHLS), for geophysics research and for industry. In particular, fiBT has been designed with three coplanar EFFPI systems that are able to extract external perturbations from the measurement of ground movements together with their general orientation. Fig. 1 illustrates such typical tilts subsequent to a remote earthquake event in Argentina.
This research is motivated by: (1) the increasing need to monitor and reduce seismic risks to rapidly-expanding population areas and strategically-important installations, (2) to evaluate active zones for implanting civil engineering infrastructures, and (3) to offer better risk management in subterranean anthropogenic activities.

Calibration de marégraphes par combinaison d'instruments Kevin GOBRON (LIENSs)
La prévision du niveau des mers à la côte est un enjeu majeur de la gestion des risques liés à la mer compte tenu de l’anthropisation du littoral et de la vulnérabilité des infrastructures tant privées que publiques. Comme les satellites altimètres sont moins performants près des cotes, les marégraphes restent la principale source d'information de haute qualité concernant le niveau des mers dans ce milieu. Un contrôle régulier des marégraphes est donc obligatoire afin de maintenir, et améliorer, la précision et l'exactitude des mesures sur lesquelles reposent de nombreuses applications scientifiques (études sur l'élévation du niveau moyen des mers, calibrations des satellites altimètres, études des décotes et surcotes, ...).
Or, estimer les précisons et les biais des instruments les plus précis disponibles dans une discipline n'est pas chose aisée. C'est d'autant plus difficile lorsque le signal observé, le signal de marée, n'est pas modélisable avec la précision sub-centimétrique envisagée pour les instruments. Ainsi, pour s'affranchir d'un modèle, les méthodes de calibration actuelles reposent plutôt sur des comparaisons de marégraphes co-localisés. Le principe est d'analyser les différences de mesures entre marégraphes et d’identifier des biais potentiels. Si les méthodes actuelles peuvent donner une estimation appréciable de ces biais, elles restent en revanche incapables n'exploiter toute la richesse d'information disponible lors d'observations simultanées. En particulier, aucune méthode ne propose l'estimation rigoureuse des incertitudes des marégraphes dans des conditions réelles.
Ainsi, en s'appuyant sur une méthode d'estimation développée pour la géodésie, nous proposons une nouvelle stratégie de calibration permettant une détermination plus rigoureuse des biais instrumentaux, tout en estimant les précisions des instruments et la combinaison optimale des mesures du niveau d'eau. En particulier nous illustrerons les améliorations apportées par la méthode en présentant une application sur les mesures d'une campagne d'inter-comparaison de 6 marégraphes de natures différentes déployés sur l’île d'Aix en 2016. La stratégie proposée repose plutôt sur la combinaison des données que sur la comparaison d'instruments. De plus, comme elle ne porte aucun regard sur la nature du signal mesuré ou sur la technologie des instruments utilisés, elle est applicable à d'autres études en géophysique et en géodésie.
Cette méthodologie de combinaison de données et de calibration d'instruments pourrait donc être intéressante à présenter aux chercheurs intéressés par les thématiques du G2 2018 et en particulier par la session instrumentation.

Le GEOCUBE : un outil de mesure de déformation en réseau et en temps réel à bas coût Frederic VERLUISE (Ophelia Sensors)
Le système GEOCUBE conçu par l'IGN et industrialisé par Ophelia Sensor est un système de réseaux de capteurs GNSS reliés entre eux et à internet par radio et 3G. Destinés à la mesure de faibles mouvements de manière précise les capteurs sont robustes, peu gourmands et peu onéreux. Conçu pour le monitoring en temps réel de structures ou de glissement de terrain, et permettant également le post processing, ce dispositif ouvre de nouveaux champs d'exploration par sa fréquence de mesure (typiquement la minute), son étendue (quelques kilomètres), sa densité et sa précision (quelques millimètres).

Session blanche

Time-Varying Gravity Measurements at the Low Noise Underground Laboratory (LSBB URL) of Rustrel, France: Environmental Noise and Groundwater Redistributions Severine ROSAT (IPGS/EOST)
Since July 2015 a Superconducting Gravimeter (SG) of the latest generation, the iOSG-24, has been continuously recording the time-varying gravity field at the low noise underground laboratory (LSBB URL) of Rustrel, France. This SG has been installed in the frame of the MIGA project. This instrument designed for observatory purpose has a levitated Niobium sphere weighting 17.7 g instead of 4.3 g. The advantage of increasing the mass of the sphere is to reduce the thermal noise due to Brownian motion inside the sensor. A comparison of the noise levels shows that the combination of this iOSG-24 with the environmental conditions at the LSBB makes this site one of the quietest worldwide SG sites. Influence of the hydrological water content - the SG is running within the unsaturated zone of the karst aquifer of Fontaine de Vaucluse - is clearly visible on the SG residuals after removal of solid and oceanic tides. However the hydrological influence modelled using the MERRA2 global hydrology products does not fully explain the remaining gravity variations. Further investigation is needed to infer more precisely the local hydrology at the LSBB site. The installation of a second SG on the summit of the mountain 500 m vertically above the iOSG-24, in the frame of CRITEX project, will enable us to better quantify the water content and its influence on the gravimetric records. Inversely, this setting offers a unique opportunity to better assess the mass budget and the dynamics of the groundwater infiltration.

Caractérisation sismologique des éboulement rocheux Gaëlle LE ROY (ISTerre-Géolithe)
Les chutes de blocs peuvent produire d’importants dégâts dont il est nécessaire de se protéger. Comprendre les mécanismes qui régissent ces phénomènes, ainsi que leurs propriétés est un point clé dans l’estimation de l’aléa associé. Avec la densification des réseaux de sismomètres, l’analyse des données sismiques s’avère être un outil puissant pour la détection et caractérisation à distance des évènements gravitaires. L’instrumentation des falaises du mont Saint-Eynard (Isère, France) par un réseau local composé de quatre stations sismologiques nous a permis de détecter près de 200 éboulements entre 2013 et 2016.
Combiné à ce suivi, des relevés photogrammétries réguliers ainsi qu’un suivi photographique continu (1 photographie toutes les 10 minutes) sont utilisés pour surveiller l’activité des falaises. La corrélation entre les évènements détectés par photogrammétrie et les signaux sismiques enregistrés nous a permis de caractériser une vingtaine d’évènements de volume allant de 1 m3 jusqu’à 1500 m3.
Les signaux sismiques produits par ces éboulements ont été ensuite comparés aux données topographiques afin d’identifier les diverses phases de propagation des éboulements (détachement, chute libre, impacts). La compilation des données montre qu’il existe des corrélations entre les caractéristiques des éboulements (volume, hauteur de chute libre, énergie) et leurs signaux sismiques associés. Ces lois permettent d’envisager une caractérisation à distance des éboulements en fonction de leur signal sismique.

Analyse du potentiel des mesures GNSS-R pour le suivi des états des surfaces continentales Mehrez ZRIBI (CESBIO)
Les états des surfaces continentales jouent un rôle essentiel dans la compréhension des cycles d’eau et de carbone. Durant ces trente dernières années, différentes approches basées sur la télédétection micro-ondes ont été développées pour l’estimation des paramètres de surface, décrivant le sol ou le couvert végétal. Elles utilisent les techniques microondes actives (radar à ouverture de synthèse, diffusiomètre, altimètre) ou la radiométrie micro-ondes passive. Pour ces différentes techniques, des énormes avancées ont été observées ces dernières années, avec l’arrivée de différentes missions spatiales (TERRASAR-X, SENTINEL, SMOS, SMAP, ASCAT/METOP etc), affichant une forte répétitivité des acquisitions de données et ainsi des produits spatiaux plus adaptés aux besoins opérationnels des thématiciens (hydrologues, météorologues, agronomes, etc). Dans ce contexte, depuis vingt ans, la forte disponibilité des mesures des systèmes mondiaux de navigation par satellite-GNSS a créé une nouvelle branche de la télédétection microonde des surfaces continentales.
La technique Reflectométrie-GNSS (GNSS-R), où les signaux GNSS sont utilisés en mode bistatique pour le suivi de différents paramètres (humidité du sol, biomasse du couvert végétal, etc) est la plus exploitée. Depuis son apparition, cette technique a beaucoup attiré la communauté scientifique. Plusieurs raisons peuvent être identifiées. D'une part, la disponibilité mondiale et la stabilité des signaux GNSS permet leur utilisation comme sources d'opportunité. La nature passive de ce concept permet la baisse des coûts et des ressources des instruments efficaces. D'autre part, les mesures GNSS sont en polarisation circulaire, en Bande L, ce qui est très interactif avec les états des surfaces, mais insensible aux conditions atmosphériques. Ce travail illustre différents résultats basés sur les techniques GNSS-R, à travers les campagnes aéroportées de l’instrument GNSS-R GLORI développé au CESBIO sur le sud ouest de la France (zones agricoles, foret des Landes). Ces mesures ont permis de mettre en évidence le potentiel de la technique GNSS-R pour restituer différents paramètres de surface (humidité des sols, indice foliaire du couvert agricole, biomasse de la foret). Il permet d’approfondir les bases d’utilisation du GNSS-R dans les missions spatiales tel que la constellation CYGNSS de la NASA.

Instrumentation Geophysique du projet Telsite Stephane DENIS (CEA)
L'atoll de Mururoa est assis sur un soubassement volcanique inerte, éloigné de plus de 1000 km de la source magmatique qui lui a donné naissance. Il s'éloigne de cette source à la vitesse moyenne de 11 cm/an vers le nord-ouest.
Après l'arrêt des essais en 1996, la surveillance de l'atoll a été réduite au juste nécessaire pour contrôler l'évolution du site. Un dispositif de surveillance géo mécanique permanent et continu baptisé TELSITE (Télésurveillance du SITE) a été mis en service au début de l'année 1997. Le système TELSITE a pour objectif d'assurer la surveillance géomécanique continue de l'atoll de Mururoa à partir d'informations recueillies par une série de capteurs (capteurs sismiques, inclinomètres, extensomètres, capteurs de submersion, capteurs de position GPS). Les principales missions de ce système sont de permettre le suivi en temps réel de l'activité sismique d'une part, et le suivi du mouvement de certains flancs de l'atoll, d'autre part. Le système TELSITE présentant des signes de vieillissement, un nouveau système appelé TELSITE 2 a été conçu, installé et mise en opérationnel le 23 août 2018.
Dans ce cadre, en plus des stations géophysique de surface, trois forages verticaux ont été réalisés et instrumentés avec des capteurs sismiques et inclinométriques. Enfin, six puits inclinés ont été forés pour permettre le positionnement au fond de vérins. Ces derniers sont reliés à des câbles eux-mêmes enroulés à leur extrémité autour de cabestans. Ces systèmes assurent la mesure du déplacement de la loupe océanique.
Cette présentation détaille les étapes de conceptions et les différentes phases de l'installation de l'instrumentation mise en œuvre.

Couplage de l’instrumentation géophysique en puits du projet Telsite Serge OLIVIER (CEA)
Depuis l'arrêt des essais, l'évolution géo mécanique de l'atoll est contrôlée grâce à un système de télésurveillance nommé TELSITE. Après 20 ans de fonctionnement, le renouvellement de ce système a été réalisé ces dernières années.
Parmi l'instrumentation mise à jour, 3 puits ont été instrumentés avec 5 à 15 capteurs géophysiques chacun. Une fois descendu, le couplage entre les capteurs et la paroi du puits est un aspect prépondérant. Celui-ci est réalisé par des billes. Les raisons de ce choix sont exposées. Puis le maquettage de la descente est mis en avant, ainsi que la descente finale des billes sur le site.
Les conséquences de ce couplage sur les signaux sont détaillées: des mesures avant et après le couplage permettent de valider la démarche. Une discussion est amenée sur l'intérêt de cette solution par rapport à d'autres au regard de cette expérience.

Contribution of Ionospheric Sounding to the Study of Large Subduction Earthquakes, the Case of the Mw 7.8 Pedernales Earthquake (2016, Ecuador) Lucie ROLLAND (Géoazur/OCA)
Shallow and large earthquakes (Mw > 6.5) are powerful sources that trigger coseismic ionospheric disturbances routinely detectable using Global Navigation Satellite Systems (GNSS) multi-frequency measurements. Developped in the last two decades, this novel observation method offers an unique view on the rupture scenario of subduction earthquakes, as it allows sounding the area right above the rupture. In this presentation, we first review past research works linking the seismic source characteristics with the coseismic ionospheric signature observed using GNSS-derived Total Electron Content (TEC) measurements. We then report coseismic ionospheric disturbances associated to the Mw 7.8 Pedernales megathrust earthquake, April 2016 in Ecuador. Using an acoustic ray tracing-based model and ionospheric coupling to reconstruct the observations, we show that the best fitting model allows to localize the maximum of uplift and thus, the tsunami initiation zone consecutive to the offshore rupture at depth. Finally, we highlight how ionospheric measurements by multi-GNSS receivers can contribute to better and more rapidly assess the tsunamigenic potential of an underwater earthquake.

A Novel Interpolation Method for InSAR Atmospheric Wet Delay Correction Samir AGUEMOUNE (CRAAG)
Accuracy and capability of Differential Synthetic Aperture Radar interferometry (DInSAR) depends on the phase errors. In particular, errors associated with Atmospheric Wet Delay (AWD) should be reduced to ensure reliable results from the interferometric process. This paper addresses a new method for AWD estimation based on MEdium Resolution Imaging Spectrometer (MERIS) data. We explore the possibility of using MERIS data under cloudy conditions. A novel algorithm for the interpolation of water vapor in the presence of clouds is proposed using a hybrid technique called Three Dimensional Inverse Distance Weighted (3D-IDW). The proposed method succeeds to provide a quite realistic prediction of MERIS water vapor distribution on cloudy area. The experimental results show that, the 3DIDW is able to attribute IWV for each pixel of the cloudy area up to 90% rate of cloud with RMSE less than 0.094 g/cm2. The proposed strategy is tested on Mitidja region (north central Algeria), using a couple of Advanced Synthetic Aperture Radar (ASAR) and MERIS images on the 65 descending track. The results demonstrate that phase variation decrease from 10 mm before ADW correction to 8.5mm after ADW correction. Finally, the obtained surface deformation results shows the presence of subsiding districts which may be linked to seasonal water level fluctuation and overdrafting groundwater confirming the results of previous study.

Session processus dynamiques : modélisation et assimilation de données

Assimilation de données sismiques et gravimétriques dans des modèles hydrologiques Benjamin FORES (Université du Luxembourg)
Avec les enjeux actuels et les améliorations des instruments géophysiques, les signaux d’origine hydrologique font de plus en plus l’objet d’études, alors qu’ils étaient autrefois uniquement considérés comme du bruit indésirable. L’hydrogéophysique est devenue une discipline à part entière, et les applications sont nombreuses! L’eau affecte le milieu de nombreuses façons, et par conséquent tous les observables géophysiques et géodésiques. Par exemple, la déformation qu’elle peut induire est observée par les GPS et les inclinomètres ; Les variations de densité se mesurent en gravimétrie ; L’eau modifie également les propriétés physiques et mécaniques des roches, propriétés qui peuvent être suivies par les méthodes électriques et sismiques... Les méthodes géophysiques permettent donc d’obtenir des informations nombreuses, différentes et complémentaires. De plus, ces méthodes ne se limitent pas à l’étude de la zone saturée et sont applicables à de nombreuses échelles spatiales. L’expérience que je présenterai combine deux suivis hydrogéophysiques sur un karst du Larzac. Un suivi gravimétrique continu et de grande précision, qui a permis de suivre les variations du stock total d’eau ; Et un suivi des vitesses sismiques du milieu, qui a permis de suivre la saturation en eau a une profondeur donnée. Ensemble, ces deux suivis complémentaires permettent de déterminer les processus hydrologiques à l’œuvre sur le site et les contraindre dans des modèles hydrologiques.

La gravimétrie hybride comme outil pour spatialiser les variations de stock d’eau dans les bassins versant de montagne. Exemple du bassin versant du Strengbach situé dans les Vosges. Quentin CHAFFAUT (IPGS)
Le fonctionnement hydrologique des bassins versants de montagne en contexte granitique est complexe et encore peu connu. La gestion de la ressource en eau est pourtant un enjeu majeur en zone de montagne, où l’eau potable provient essentiellement de sources naturelles. Cet enjeu est d’autant plus important dans un contexte de changement climatique (e.g. modification du régime pluviométrique). Le modèle hydrologique à dimension réduite NIHM (Normally Integrated Hydrological Model), développé par le LHyGeS (Laboratoire d’Hydrologie et de Geochimie de Strasbourg) a récemment été appliqué au cas du petit bassin versant granitique du Strengbach. NIHM reproduit correctement les flux mesurés à l’exutoire de l’hydrosystème mais il demeure largement sous-contraint en termes de spatialisation des stocks en eau du fait d’un manque d’informations piézométriques fiables pour calibrer le modèle. Ainsi, plusieurs distributions de stock d’eau simulées peuvent expliquer le débit observé.
A défaut d’un réseau dense d’informations piézométriques fiables, nous proposons d’utiliser la gravimétrie comme méthode pour contraindre la spatialisation des stocks d’eau dans le bassin versant du Strengbach. En effet, l’intensité de la pesanteur dépend directement de la distribution de masse environnante. Les mesures gravimétriques sont par conséquent sensibles aux variations de stock d’eau au voisinage des points d’observation. La répétition d’un réseau micro-gravimétrique permet ainsi de calibrer les variations de stock d’eau simulées par le modèle hydrologique, ceci grâce à une approche par modélisation croisée hydrologie-gravimétrie.
Depuis juin 2017, un gravimètre supraconducteur de type iGrav® (iGrav30) permet de suivre en continu les variations de l’intensité de la pesanteur au niveau de la zone sommitale du bassin versant. En outre, dans le but de spatialiser les variations de gravité, un réseau de stations micro-gravimétriques a été déployé sur le bassin versant et est parcouru mensuellement avec un gravimètre relatif de type Scintrex CG5® depuis juin 2018. Ces campagnes permettent de mesurer les variations de pesanteur par rapport à une station de référence qui coïncide avec l’emplacement du gravimètre supraconducteur. La combinaison des deux méthodes d’observation porte le nom de gravimétrie hybride.
Le rattachement des mesures relatives à la référence iGrav® permet ainsi d’obtenir des cartes mensuelles de l’intensité de pesanteur qui seront comparées au signal gravimétrique issu des variations de stock d’eau prévues par le modèle hydrologique.

Quelle précision peut atteindre l'analyse GPS ? Application au réseau RENAG. Christine MASSON (GM)
En utilisant des séries temporelles synthétiques, il est possible d'estimer la précision des vitesses GPS. Les séries synthétiques sont générées à partir des gammes moyennes des valeurs pour le bruit, les signaux saisonniers et les sauts. Une analyse par arbre de régression montre que les principaux facteurs contrôlant la précision de la vitesse sont d’abord la durée de la série, suivie de la présence de sauts et le bruit (dispersion et indice spectral). Notre analyse nous permet de proposer des lignes directrices pouvant être appliquées aux données GPS réelles (type RENAG) et d'estimer la précision potentielle sur la vitesse. Nos résultats suggèrent que des durées de séries très longues (15 à 20 ans) ne garantissent pas une meilleure précision par rapport aux séries de 8 à 10 ans, en raison de l'amplitude du bruit. Ainsi, une meilleure caractérisation du bruit GPS (notamment pour les longues périodes) et des charges environnementales pluriannuelles est essentielle pour améliorer la précision des vitesses GPS.

Séismes lents et sismicité : le cas de la zone de subduction mexicaine Mathilde RADIGUET ( ISTerre)
La zone de subduction Mexicaine est caractérisée par des séismes lents fréquents, qui se produisent avec un temps de récurrence autour de 4 ans pour la région de Guerrero et de un à deux ans dans la région adjacente d’Oaxaca. Dans cette présentation, nous reviendrons sur les interactions qui sont observées entre les séismes lents et la sismicité dans cette région. L’évolution spatio-temporelle des glissements asismiques est contrainte par une l’inversion cinématique des séries temporelles GPS.
La zone de subduction Mexicaine est caractérisée par des séismes lents fréquents, qui se produisent avec un temps de récurrence autour de 4 ans pour la région de Guerrero et de un à deux ans dans la région adjacente d’Oaxaca. Dans cette présentation, nous reviendrons sur les interactions qui sont observées entre les séismes lents et la sismicité dans cette région, et sur les mécanismes possibles à l’origine de ces interactions. L’évolution spatio-temporelle des glissements asismiques (séismes lents) est contrainte par l’inversion cinématique des séries temporelles GPS.
Nous montrerons que les séismes lents peuvent déclencher des séismes, comme cela a pu être observé en 2014 à Guerrero, où un séisme de Mw 7.2 a eu lieu à proximité immédiate d’une zone en cours de glissement asismique. Nous montrerons aussi que les séismes lents sont très sensibles à des faibles changements de contraintes (statiques ou dynamique), et que leur propagation peut-être perturbée par des séismes lointains (cas du séisme de Maule Mw 8.8 en 2010), ou plus proches (séismes du Chiapas Mw 8.1 et de Pueabla Mw 7.1 en 2017).

Détermination de la charge en eau en Europe de l'Ouest par inversion des données GNSS Alexandre MICHEL (EOST/IPGS)
La détermination des variations hydrologiques saisonnières a été sensiblement améliorée depuis le lancement de la mission GRACE en 2002. Celles-ci induisent également des déformations crustales pouvant être mesurées par des stations permanentes GPS. L’objectif de ce travail est d’inverser les déformations observées en Europe de l’Ouest pour retrouver ces variations hydrologiques. La haute densité et l’homogénéité du réseau GPS en Europe de l’Ouest doit permettre d’obtenir des résolutions spatiales comparables voir meilleures que celles de GRACE pour les régions les plus instrumentées. Nous utilisons le formalisme des fonctions de Green pour relier le déplacement GPS aux variations spatiales de la charge en eau du sol. Les déplacements verticaux et horizontaux sont inversés en utilisant une méthode de moindres carrés régularisés ; nous comparons nos résultats aux solutions GRACE et au modèle hydrologique global GLDAS/Noah.