mesures gravimétriques absolues et relatives en co ... · introduction théorie surcharges rapport...
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Mesures gravimétriques absolues et relativesen co-localisation avec des techniquesgéodésiques de positionnement précis:
quel lien entre les variations de pesanteur etles mouvements verticaux?
Soutenance de thèse
Caroline ROZIER de LINAGE
Institut de Physique du Globe de StrasbourgEcole et Observatoire des Sciences de la Terre
Université Louis Pasteur Strasbourg I
9 septembre 2008
Introduction Théorie surcharges Rapport g/u Apports de GRACE Conclusion
Les mesures géodésiques et gravimétriques
au sol⇒ gravimètres absolus etsupraconducteurs
positionnement (vertical et horizontal)⇒ GPS, VLBI, DORISspatiales: champ de gravité
à très basse résolution spatiale⇒ télémétrie laser sur satellites (SLR)à haute résolution spatiale⇒ satellites CHAMP (2000-), GRACE(2002-)
⇒ mesures de plus en plus précises avecaccès aux variations temporelles
25
Figure 4. FG5 absolute gravimeter of Micro-g Solutions Inc. in field conditions
on the left and et GWR ‘field` superconducting gravimeter on the right. Finally, we will also use the Scintrex CG3-M (or CG5-M) of INSU-CNRS to measure the vertical gradients at every site of the profiles, and to perform gravity links between our AG points and geodetic benchmarks. In addition to the episodic absolute gravity measurements on the two profiles, we need to have, in the investigated zone, a continuous monitoring of the gravity changes in one reference station. A recent study using collocated superconducting gravimeter and GPS data at Medicina (Italy) clearly proved the interest of this approach in the investigation of the seasonal gravity signal (Zerbini et al. 2001). The appropriate model for our proposal is the field superconducting gravimeter built by GWR Instruments (http://www.gwrinstruments.com/). Cryogenic gravimeters have been used worldwide in the frame of the GGP international network (http://www.eas.slu.edu/GGP/ggphome.html) (Crossley et al. 1999). This device (see Figure 4) is conceived to operate in remote places without heavy maintenance. This instrument, of reduced size, is running alone (there is an initial liquid helium load in the dewar and all evaporated helium is then reliquified by a compressor) and can be remotely controlled. The very low drift of this instrument will be assessed by regular AG measurements and we will benefit from its high sensitivity which is noticeably better than the FG5 (Lambert et al. 1995; Crossley et al. 2001; Van Camp et al. 2005) to follow not only the annual cycle (see Boy & Hinderer 2006) but also the transient sub-annual changes known to be present in this region with high weather variability. 3.3. Previous studies
Only a few comparisons of satellite-derived gravity data with ground data are available. Methodological investigations (Crossley & Hinderer 2002, Crossley et al. 2003, 2004) have shown the interest to use regional networks of superconducting gravimeters for validation purpose. For instance, the analysis of the European GGP network (see Hinderer & Crossley 2004) has evidenced, with the help of empirical orthogonal functions, the presence of a coherent seasonal signal in surface gravity highly correlated to continental hydrology (Crossley et al. 2005). Most of these studies were made anticipating the GRACE data but, recently, a preliminary comparison between SG data, hydrology model predictions and real GRACE data was achieved (Andersen et al. 2005b ; Hinderer et al. 2006b); note that the first ground/satellite comparison was made by Neumeyer et al. (2004) on CHAMP data. Figure 5 shows the results of the intercomparison between SGs, hydrology and GRACE for two stations in Europe (Wettzell in Germany and Medicina in Italy).
Introduction Théorie surcharges Rapport g/u Apports de GRACE Conclusion
Combinaison des mesures géodésiques etgravimétriques
Utilisation combinée de ces différentes mesures:
pour contraindre les processus géophysiques en séparantles effets géométrique et gravitationnel⇒ mesures colocalisées gravimétrie + déplacementvertical
pour valider les mesures spatiales du champ de gravité pardes mesures au sol⇒ gravimétrie spatiale + gravimétrie au sol (+ déplacementvertical)
Introduction Théorie surcharges Rapport g/u Apports de GRACE Conclusion
Exemple: rebond post-glaciaireRelaxation visqueuse du manteau
rapport g/u observé: -0.18 µGal mm−1 (1µGal = 10−8 m s−2)A. Lambert et al. / Journal of Geodynamics 41 (2006) 307–317 309
Fig. 2. Map showing the location of absolute-g monitoring sites in western Canada and the U.S.A. and the inter-comparison site TMGO, nearBoulder, Colorado used in the present study. The mid-continent sites from Churchill down to Iowa City form a profile along which comparisons canbe made with theoretical postglacial rebound rates.
Zone at 1.2 cycles per year, to processes of uncertain origin associated with inter-annual gravity variations of around1 cycle per 7 years, and finally to postglacial rebound and its associated long-term trends.
2. Ocean tide effects on gravity
In an effort to improve ocean tide loading corrections on gravity observations near the coast in Canada and northernU.S.A. a more precise representation of the ocean tides that complements the available global models was introduced(Lambert et al., 1998). This led to a demonstrable reduction in tidal gravity residuals at various Canadian sites near thecoast but a tidal component remained in the data. The remaining signal was believed to be the result of direct attractionby local tidal waters, which is not included in the model. Recent measurements indicate that direct attraction may belarger than anticipated at some sites. Three weeks of continuous FG5 observations at a site on Vancouver Island, locatedin an underground seismic vault 38 m from the shore, revealed some unexpected effects. First, the peak to peak tidalresiduals are larger than expected (averaging around 7�Gal) and second, comparison with predicted and observed tidesindicates an apparent distortion of the tidal signal (Fig. 3). Spectral analysis shows that the diurnal component of thegravity residual is enhanced over the semi-diurnal component relative to the local ocean tide. This would be consistentwith 1D landward pressure diffusion. However, the phase of the tidal gravity signal is found to lead the local ocean tidein both the diurnal and semi-diurnal components. Such phase behavior suggests the need for a more complex model,such as has been used to explain tidal-induced pressure measurements in ocean bottom boreholes where phase leadswere observed (Wang and Davis, 1996). We envisage a water-saturated, high-porosity formation below the gravity
A. Lambert et al. / Journal of Geodynamics 41 (2006) 307–317 315
Fig. 10. Comparison between observed gravity rates and averaged GPS vertical rates at four sites in the North American mid-continent. Site acronymsare explained inFig. 9. Error bars are standard errors on observed rates.
7. Discussion and conclusions
Measurements at a near-shore site show that the gravity effect of ocean tides can be amplified and distorted byhydrological coupling. Although near-shore sites tend to be less affected by long-term, precipitation-related, ground-water variations, the gravity effect of hydrologically-coupled, long-term, sea-level change may bias tectonically-relatedgravity trends. Further work is required to confirm hydrological coupling at a number of near-shore sites by examiningthe gravity response to local sea-level at a range of tidal periods. Seasonal variations of soil moisture may producelarge gravity effects, particularly at hilltop sites or sites above sloping terrain but these effects can be modelled ade-quately in high precipitation areas where the soil regularly becomes saturated. Even in areas of extremely high annualprecipitation, the magnitude of the annual soil moisture effect can be negligible depending on the local geology (e.g.,Ucluelet). Soil moisture modelling at Vancouver Island sites has been very effective in correcting for the change ingravity during the summer months when soil moisture reduction occurs. The same models could be used to invert thegravity changes for soil moisture variation, which, together with soil cover data, could be used to estimate the soilmoisture influence on GRACE results.
Analysis of the gravity time series at Ucluelet, a site having minimal seasonal variation, indicates that CascadiaSubduction Zone “episodic tremor and slip” is accompanied by gravity change, which is most likely caused by massredistribution, possibly fluid flow, not height change. Further work is being done to determine the detailed gravitysignature of a specific ETS event and to determine whether the signal is seen at other sites.
An inter-annual variation of unknown origin with a “period” of around 7 years is present at all 11 North-Americanabsolute-g sites considered in this study. Correcting for this variation brings the long-term gravity trends at mid-continent sites into agreement with long-term vertical rates from GPS. In addition, the modified gravity rates are alsoin agreement with other geomorphological constraints on Laurentide ice-sheet unloading scenarios (Lambert et al.,2005a,b). The origin of the inter-annual variation is being investigated.
Acknowledgements
We gratefully acknowledge funding for site preparation and field observations of the Canadian mid-continent sitesby Manitoba Hydro. GPS instrumentation at Flin Flon and Pinawa/Lac Dubonnet was provided by the NASA SolidEarth and Natural Hazards Program. Absolute gravity data collected by Natural Resources Canada was supplementedby data provided by the U.S. National Oceanic and Atmospheric Administration. We are grateful for technical fieldassistance from D. Winester, J. Liard, C. Gagnon, D. Stephenson, P. Spence, D. Charmley, D. Pusic, A. Macey, B.M.Bernard, J. Fried, K.A. Berstis and J.S. Griffin. Measurement sites were provided by Atomic Energy of Canada Ltd.,Canadian Department of National Defence, Canadian Coast Guard, Voyageurs National Park, International Falls;At&T, Wausau and the University of Iowa, Iowa City. We acknowledge useful discussions with Garth Van der Kamp
Lambert et al. (2006)
rapport g/u théorique: -0.15 µGal mm−1
(modèles visco-élastiques)
Introduction Théorie surcharges Rapport g/u Apports de GRACE Conclusion
Processus géophysiques considérés
surchargeshydrologie continentalepression atmosphériquemarées océaniques
⇒ à partir de sorties de modèlesglobaux
séisme de Sumatra-Andamandu 26 décembre 2004
Lambert et al. (2006)
308 A. Lambert et al. / Journal of Geodynamics 41 (2006) 307–317
Wahr et al., 2004; Andersen and Hinderer, 2005), and in the understanding of relatively, short-period, episodic motionsat plate boundaries (e.g.,Dragert et al., 2001) (Fig. 1). The GRACE mission is expected to lead to major advancesin gravity field monitoring (Tapley et al., 2004). GRACE is expected to map temporal changes in the gravity fieldat the 1�Gal (10−8 m/s2) level at scales of 300 km and up and at periods from 2 months to a maximum of 8 years.As precise as it is, GRACE will monitor variations in a relatively restricted area of our spectral diagram (Fig. 1).Processes to the left of this box will show up as indistinguishable long-term trends. Processes to the right could affectthe measurements through aliasing. Thus, Global Geodynamics Project (Crossley et al., 1999, 2003) measurementsand other decade-long, surface-based, gravity measurement campaigns are important contributors to the overall gravitymonitoring effort.
Here we report on progress in understanding a variety of processes in the spectral range from tides to postglacialrebound based on North American absolute gravity observations. For over 8 years Natural Resources Canada (NRCan)and the U. S. National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) have been measuring gravity at a numberof sites in western Canada and the U.S.A. using FG5 absolute gravimeters (Niebauer et al., 1995), the normal modeof operation being a 24 h set of measurements at each site. FG5 measurements at two of these sites were predated bymeasurements with JILA (Faller et al., 1983) absolute gravimeters beginning in the late 1980s. Since 1995, four siteshave been observed four times per year by NRCan on Vancouver Island, and six sites have been observed once or twiceannually in the mid-continent (Fig. 2). In addition, annual or semi-annual inter-comparisons have been made with otherFG5 instruments at Table Mountain Gravity Observatory (TMGO) near Boulder, Colorado (Fig. 2). Recently, we havealso been operating the FG5 gravimeter as a recording instrument for periods of a week or more at a sample rate of15 min for studies of short-term, subduction-zone dynamics. Moving from right to left inFig. 1, we present examplesof observed gravity variations relating to a variety of geodynamic processes from ocean tide loading at around 1 cycleper day, to seasonal groundwater variations at around 1 cycle per year, to aseismic slip in the Cascadia Subduction
Fig. 1. A diagram depicting geodynamic processes of different spatial scales (vertical scale) and periods (horizontal scale) that are expected toproduce measurable gravity variations. Over the last decade space-based methods have extended our monitoring capability into new areas of thespace-time spectrum pertaining to sea-level change, groundwater variations on land and plate boundary deformation (dashed boxes). Boxes withdark shading relate to the hydrosphere. Boxes with lighter shading and dark edges relate to the solid Earth. GRACE is expected to provide data inan important but relatively restricted portion of the spectrum (solid box).
Introduction Théorie surcharges Rapport g/u Apports de GRACE Conclusion
Plan
1 Rappels théoriques sur les surchargesFonction de transfert de la gravité solFonctions de transfert d’autres observables
2 Rapport g/u entre variation de gravité et déplacementvertical
Etude dans le domaine spectralEtude numérique dans le domaine spatial pourdifférentes surcharges
3 Apports de la mission de gravimétrie spatiale GRACERésolution et précision des solutions de champ de gravitéGRACEVariations de gravité et hydrologie en EuropeSignature gravitationnelle du séisme deSumatra-Andaman du 26 décembre 2004
Introduction Théorie surcharges Rapport g/u Apports de GRACE Conclusion
Réponse de la Terre à une variation temporelle de ladistribution des masses en surface
Variation de charge en r = a:
σ(θ, λ, t) =∞∑
n=0
n∑m=0
(σm, c
n (t) Y m, cn (θ, λ) + σm, s
n (t) Y m, sn (θ, λ)
)=
∞∑n=0
σn(θ, λ, t)
z
P’(θ ’, λ’), σ (θ ’, λ’) θ ’ θ
λ’ y
x
ψ
Σ
a
λ
P(θ, λ)
Variation de l’observable en r = a:
f (θ, λ, t) =
∫∫Σ
Gf (Ψ)σ(θ′, λ′, t) dS =∞∑
n=0
fn σn(θ, λ, t)
Gf (Ψ) : fonction de Green (domaine spatial)fn : fonction de transfert (domaine spectral)
}fn =
Gf , nδn
=Gf , n2n+14πa2
⇒ nombres de Love d’un modèle de Terre à symétrie sphérique,élastique et isotrope (PREM, Dziewonski et Anderson, 1981)
Introduction Théorie surcharges Rapport g/u Apports de GRACE Conclusion
Réponse de la Terre à une variation temporelle de ladistribution des masses en surface
Variation de charge en r = a:
σ(θ, λ, t) =∞∑
n=0
n∑m=0
(σm, c
n (t) Y m, cn (θ, λ) + σm, s
n (t) Y m, sn (θ, λ)
)=
∞∑n=0
σn(θ, λ, t)
z
P’(θ ’, λ’), σ (θ ’, λ’) θ ’ θ
λ’ y
x
ψ
Σ
a
λ
P(θ, λ)
Variation de l’observable en r = a:
f (θ, λ, t) =
∫∫Σ
Gf (Ψ)σ(θ′, λ′, t) dS =∞∑
n=0
fn σn(θ, λ, t)
Gf (Ψ) : fonction de Green (domaine spatial)fn : fonction de transfert (domaine spectral)
}fn =
Gf , nδn
=Gf , n2n+14πa2
⇒ nombres de Love d’un modèle de Terre à symétrie sphérique,élastique et isotrope (PREM, Dziewonski et Anderson, 1981)
Introduction Théorie surcharges Rapport g/u Apports de GRACE Conclusion
Réponse de la Terre à une variation temporelle de ladistribution des masses en surface
Variation de charge en r = a:
σ(θ, λ, t) =∞∑
n=0
n∑m=0
(σm, c
n (t) Y m, cn (θ, λ) + σm, s
n (t) Y m, sn (θ, λ)
)=
∞∑n=0
σn(θ, λ, t)
z
P’(θ ’, λ’), σ (θ ’, λ’) θ ’ θ
λ’ y
x
ψ
Σ
a
λ
P(θ, λ)
Variation de l’observable en r = a:
f (θ, λ, t) =
∫∫Σ
Gf (Ψ)σ(θ′, λ′, t) dS =∞∑
n=0
fn σn(θ, λ, t)
Gf (Ψ) : fonction de Green (domaine spatial)fn : fonction de transfert (domaine spectral)
}fn =
Gf , nδn
=Gf , n2n+14πa2
⇒ nombres de Love d’un modèle de Terre à symétrie sphérique,élastique et isotrope (PREM, Dziewonski et Anderson, 1981)
Introduction Théorie surcharges Rapport g/u Apports de GRACE Conclusion
Fonction de transfert de la gravité sol
1 Rappels théoriques sur les surchargesFonction de transfert de la gravité solFonctions de transfert d’autres observables
2 Rapport g/u entre variation de gravité et déplacementvertical
Etude dans le domaine spectralEtude numérique dans le domaine spatial pourdifférentes surcharges
3 Apports de la mission de gravimétrie spatiale GRACERésolution et précision des solutions de champ de gravitéGRACEVariations de gravité et hydrologie en EuropeSignature gravitationnelle du séisme deSumatra-Andaman du 26 décembre 2004
Introduction Théorie surcharges Rapport g/u Apports de GRACE Conclusion
Fonction de transfert de la gravité sol
Décomposition de la variation de gravité sol
Convention:g = g.(−n), i.e. g > 0 si g orienté vers le centre de la Terre
g(θ, λ) = gN(θ, λ) + gE(θ, λ)
effet newtonien
effet élastique
Introduction Théorie surcharges Rapport g/u Apports de GRACE Conclusion
Fonction de transfert de la gravité sol
Effet newtonien
P(r, θ, λ)
σ(θ, λ)
σ(θ, λ)
r → a-
r → a+
g N, local(θ, λ) = -2πGσ(θ, λ)
g N, local(θ, λ) = +2πGσ(θ, λ) P(r, θ, λ)
Σ
g N P’-> P
a
O
ℓ
ψ
P’(θ’, λ’), σ (θ’, λ’)
P(θ, λ)
g N, global(θ, λ)
gN(θ, λ) =
∫∫Σ
GgN (Ψ) σ(θ′, λ′) dS
=
∫∫Σ−P
G σ(θ′, λ′)
`2sin(Ψ/2) dS +
∫∫Σ
δ(Ψ) σ(θ′, λ′) dS
=
∫∫Σ−P
G σ(θ′, λ′)
4a2 sin(Ψ/2)dS ± 2πGσ(θ, λ)
Introduction Théorie surcharges Rapport g/u Apports de GRACE Conclusion
Fonction de transfert de la gravité sol
Domaine spectral
gn = gNn + gE
n = gN, globaln + gN, local
n + gE , un + gE , m
n
effet newtonien (charge locale + reste de la charge)
r → a+ (charge locale au-dessous)
gNn =
3g0
aρ
n + 12n + 1
=3g0
aρ
1/22n + 1
+ 2πG
r → a− (charge locale au-dessus)
gNn = − 3g0
aρ
n2n + 1
=3g0
aρ
1/22n + 1
−2πG
effet élastique (effet à l’air libre du déplacement vertical +redistribution des masses internes)
gEn = −3g0
aρ
12n + 1
(2h′n− (n + 1)k ′n)
Introduction Théorie surcharges Rapport g/u Apports de GRACE Conclusion
Fonction de transfert de la gravité sol
Domaine spectral
gn = gNn + gE
n = gN, globaln + gN, local
n + gE , un + gE , m
n
effet newtonien (charge locale + reste de la charge)
r → a+ (charge locale au-dessous)
gNn =
3g0
aρ
n + 12n + 1
=3g0
aρ
1/22n + 1
+ 2πG
r → a− (charge locale au-dessus)
gNn = − 3g0
aρ
n2n + 1
=3g0
aρ
1/22n + 1
−2πG
effet élastique (effet à l’air libre du déplacement vertical +redistribution des masses internes)
gEn = −3g0
aρ
12n + 1
(2h′n− (n + 1)k ′n)
Introduction Théorie surcharges Rapport g/u Apports de GRACE Conclusion
Fonction de transfert de la gravité sol
Domaine spectral
gn = gNn + gE
n = gN, globaln + gN, local
n + gE , un + gE , m
n
effet newtonien (charge locale + reste de la charge)
r → a+ (charge locale au-dessous)
gNn =
3g0
aρ
n + 12n + 1
=3g0
aρ
1/22n + 1
+ 2πG
r → a− (charge locale au-dessus)
gNn = − 3g0
aρ
n2n + 1
=3g0
aρ
1/22n + 1
−2πG
effet élastique (effet à l’air libre du déplacement vertical +redistribution des masses internes)
gEn = −3g0
aρ
12n + 1
(2h′n− (n + 1)k ′n)
Introduction Théorie surcharges Rapport g/u Apports de GRACE Conclusion
Fonction de transfert de la gravité sol
Calcul pour PREM (modifié sans océan)
Résolution associée au degré n (en km): Λ2 = 20 000
n effet newtonien localdominant aux hauts degrés(n ≥ 30)⇒ détermine le signe de g
effets élastiques etnewtonien globalimportants aux bas degrés(n ≤ 20), nuls aux hautsdegrés (n ≥ 30)⇒ effet toujours positif
Introduction Théorie surcharges Rapport g/u Apports de GRACE Conclusion
Fonction de transfert de la gravité sol
Partie élastique
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180−0.06
−0.04
−0.02
0
0.02
0.04
0.06
0.08
0.1
degré
grav
ité e
n µG
al /
mm
d’e
au
gnE
gnE, u
gnE, m
sensibilité aux bas degrés(n ≤ 20)
effets du déplacementvertical et de redistributiondes masses antagonistes
Introduction Théorie surcharges Rapport g/u Apports de GRACE Conclusion
Fonctions de transfert d’autres observables
1 Rappels théoriques sur les surchargesFonction de transfert de la gravité solFonctions de transfert d’autres observables
2 Rapport g/u entre variation de gravité et déplacementvertical
Etude dans le domaine spectralEtude numérique dans le domaine spatial pourdifférentes surcharges
3 Apports de la mission de gravimétrie spatiale GRACERésolution et précision des solutions de champ de gravitéGRACEVariations de gravité et hydrologie en EuropeSignature gravitationnelle du séisme deSumatra-Andaman du 26 décembre 2004
Introduction Théorie surcharges Rapport g/u Apports de GRACE Conclusion
Fonctions de transfert d’autres observables
Déplacement vertical et déplacement du géoïde
Déplacement vertical u(u > 0 vers le haut)
un =3ρ
12n + 1
h′n
Déplacement du géoïde N(variation du potentiel V )
Nn =Vn
g0=
3ρ
12n + 1
(1 + k ′n)
⇒ sensibilité aux bas degrés(n ≤ 20)
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180−0.25
−0.2
−0.15
−0.1
−0.05
0
0.05
0.1
degré
mm
/ m
m d
’eau
géoïde
déplacement vertical
Introduction Théorie surcharges Rapport g/u Apports de GRACE Conclusion
Fonctions de transfert d’autres observables
Gravité satelliteComparaison avec la gravité sol
Dérivée verticale V dupotentiel (r → a+)
Vn =3g0
aρ
n + 12n + 1
(1 + k ′n)
= gr→a+
n +3g0
aρ
2h′n2n + 1
= gr→a+
n +2g0
aun
⇒ utilisation de mesures dudéplacement vertical
0 20 40 60 80 100 120 140 160 1800
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
0.06
0.07
0.08
degré
µGal
/ m
m d
’eau
gravité "sol"gravité "satellite"effet de plateau
gnE, u
Introduction Théorie surcharges Rapport g/u Apports de GRACE Conclusion
Fonctions de transfert d’autres observables
Gravité satelliteComparaison avec la gravité sol
Dérivée verticale V dupotentiel (r → a+)
Vn =3g0
aρ
n + 12n + 1
(1 + k ′n)
= gr→a+
n +3g0
aρ
2h′n2n + 1
= gr→a+
n +2g0
aun
⇒ utilisation de mesures dudéplacement vertical
0 20 40 60 80 100 120 140 160 1800
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
0.06
0.07
0.08
degré
µGal
/ m
m d
’eau
gravité "sol"gravité "satellite"effet de plateau
gnE, u
Introduction Théorie surcharges Rapport g/u Apports de GRACE Conclusion
Fonctions de transfert d’autres observables
Illustration avec une charge hydrologiqueModèle global LaD (Milly et Shmakin, 2002): humidité du sol + neige
Spectres d’énergiemensuels
∑nm=0 f 2
n
[(σ
m, cn (t))2 + (σ
m, sn (t))2
]
Charge hydrologique
100
101
10210
−3
10−2
10−1
100
101
102
103
degré
mm
²
charge hydrologique: hauteur d’eau équivalente
71%
30
Géoïde
100
101
10210
−6
10−5
10−4
10−3
10−2
10−1
100
degré
mm
²
géoïde
99%
Déplacement vertical
100
101
10210
−5
10−4
10−3
10−2
10−1
100
101
degré
mm
²
déplacement vertical
98%
Gravité satellite
100
101
102
10−4
10−3
10−2
10−1
100
101
degré
µGal
²
dérivée du potentiel (gravité "satellite")
70%
Gravité sol (r → a+)
100
101
102
10−4
10−3
10−2
10−1
100
101
degré
µGal
²
variation de gravité à la surface (gravité "sol")
78%
Introduction Théorie surcharges Rapport g/u Apports de GRACE Conclusion
Etude dans le domaine spectral
1 Rappels théoriques sur les surchargesFonction de transfert de la gravité solFonctions de transfert d’autres observables
2 Rapport g/u entre variation de gravité et déplacementvertical
Etude dans le domaine spectralEtude numérique dans le domaine spatial pourdifférentes surcharges
3 Apports de la mission de gravimétrie spatiale GRACERésolution et précision des solutions de champ de gravitéGRACEVariations de gravité et hydrologie en EuropeSignature gravitationnelle du séisme deSumatra-Andaman du 26 décembre 2004
Introduction Théorie surcharges Rapport g/u Apports de GRACE Conclusion
Etude dans le domaine spectral
Rapport des fonctions de transfert gn/un
r → a+ (charge locale au-dessous)
100
101
102
103−80
−60
−40
−20
0
20
degree n
g n / u n in
µG
al /
mm
( gnN + g
nE ) / u
n
gnN / u
n
gnE / u
n
gNn
un=
g0
an + 1
h′n< 0 ∀n
r → a− (charge locale au-dessus)
100
101
102
103−20
0
20
40
60
80
degree ng n /
u n in µ
Gal
/ m
m
( gnN + g
nE ) / u
n
gnN / u
n
gnE / u
n
gNn
un= −g0
anh′n
> 0 ∀n
Introduction Théorie surcharges Rapport g/u Apports de GRACE Conclusion
Etude dans le domaine spectral
Rapport des fonctions de transfertPartie élastique
100
101
102
103
−0.4
−0.3
−0.2
−0.1
0
0.1
0.2
0.3
degree n
g n / u n in
µG
al /
mm
gnE / u
n
gnE, u / u
n
gnE, m / u
n
gEn
un= − 2g0
a+
g0
a(n + 1)k ′n
h′n< 0 ∀n
−2g0a : gradient à l’air libre
⇒ −0.3080 µGal mm−1
limite de gE, mnun
aux très hautsdegrés?
Introduction Théorie surcharges Rapport g/u Apports de GRACE Conclusion
Etude dans le domaine spectral
Rapport des fonctions de transfertLimite asymptotique de la partie élastique
limn→∞gE, m
nun
= limn→∞g0a
(n+1)k ′nh′n
= 2πGρ
Quelle valeur pour la densité équivalente ρ?
101
102
103
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
degree n
gE, m
n/u
n in µ
Gal
/ m
m
compressible PREMPREM with an incompressible crustincompressible PREM
effect of a Bouguer plate of density 2500 kg/m3
modèles stratifiés avec croûteincompressible:
limn→∞gE, m
nun
= 0.1048 µGal mm−1
⇒ ρ = 2500 kg m−3 = ρcroute
modèle stratifié compressible:
limn→∞gE, m
nun
= 0.0730 µGal mm−1
⇒ ρ = 1742 kg m−3 < ρcroute
Introduction Théorie surcharges Rapport g/u Apports de GRACE Conclusion
Etude dans le domaine spectral
Rapport des fonctions de transfertLimite asymptotique de la partie élastique: conclusion
Pour une Terre compressible,
limn→∞gE
nun
=-0.3086 µGal mm−1 < -0.2350 µGal mm−1 < -0.2032 µGal mm−1
gradient à l’air libre gradient de Bouguerρ = ρcroute
Introduction Théorie surcharges Rapport g/u Apports de GRACE Conclusion
Etude dans le domaine spectral
Rapport des fonctions de transfertA l’extérieur des masses
gN, local(θ, λ) = 0 ⇒ gN, globaln + gE
n
un=
g0
2ah′n+
gEn
un
100
101
102
103
−0.4
−0.3
−0.2
−0.1
0
0.1
0.2
0.3
degree n
g n / u n in
µG
al /
mm
(gnN, global + g
nE ) / u
n
gnE / u
n
gnN, global / u
n
50
rapport à variations bornées,convergeant vers -0.2474 µGal mm−1
valeur moyenne spectrale:∑50n=1
gN, globaln +gE
nun
= −0.26 µGal mm−1
⇒ à valider dans le domaine spatial àl’extérieur des masses
Introduction Théorie surcharges Rapport g/u Apports de GRACE Conclusion
Etude dans le domaine spatial
1 Rappels théoriques sur les surchargesFonction de transfert de la gravité solFonctions de transfert d’autres observables
2 Rapport g/u entre variation de gravité et déplacementvertical
Etude dans le domaine spectralEtude numérique dans le domaine spatial pourdifférentes surcharges
3 Apports de la mission de gravimétrie spatiale GRACERésolution et précision des solutions de champ de gravitéGRACEVariations de gravité et hydrologie en EuropeSignature gravitationnelle du séisme deSumatra-Andaman du 26 décembre 2004
Introduction Théorie surcharges Rapport g/u Apports de GRACE Conclusion
Etude dans le domaine spatial
Méthodologie
sorties de modèles globaux⇒ σ(θ, λ, t) (grilles globalesrégulières)
prédiction de g(θ, λ, t) et de u(θ, λ, t) pour PREM
Calcul de g/u:1 hydrologie, atmosphère⇒ calcul du coefficient de la régression linéaire entreg(θ, λ, t) et u(θ, λ, t)
2 marées océaniques⇒ calcul d’un rapport g/u complexe pour chaquefréquence
Introduction Théorie surcharges Rapport g/u Apports de GRACE Conclusion
Etude dans le domaine spatial
Méthodologie
sorties de modèles globaux⇒ σ(θ, λ, t) (grilles globalesrégulières)
prédiction de g(θ, λ, t) et de u(θ, λ, t) pour PREM
Calcul de g/u:1 hydrologie, atmosphère⇒ calcul du coefficient de la régression linéaire entreg(θ, λ, t) et u(θ, λ, t)
2 marées océaniques⇒ calcul d’un rapport g/u complexe pour chaquefréquence
Introduction Théorie surcharges Rapport g/u Apports de GRACE Conclusion
Etude dans le domaine spatial
Hydrologiehumidité du sol (modèle LaD, Milly et Shmakin 2002)
Ecart-type des variations mensuelles(Janvier 2000 - Avril 2004)
Spectre d’énergie en fonction dutemps
time
degr
ee n
2000.5 2001 2001.5 2002 2002.5 2003 2003.5 20040
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
0
50
100
150
200
250
300
degré 5 (demi-longueur d’onde:4000 km)
signal saisonnier
Introduction Théorie surcharges Rapport g/u Apports de GRACE Conclusion
Etude dans le domaine spatial
Hydrologie: rapport g/uHumidité du sol
moyenne continents:−0.97±0.54 µGal mm−1
degré 5:−1.07 µGal mm−1
valeur moyennespectrale (-0.26 µGalmm−1) retrouvée dans ledésert du Sahara
Moyenne et écart-type sur différents bassins:
Orénoque Nord de l’Australie Afrique de l’Ouest Europe Sahara et Arabie−1.46± 0.40 −1.69± 0.50 −1.56± 0.33 −1.08± 0.32 −0.28± 0.26
Introduction Théorie surcharges Rapport g/u Apports de GRACE Conclusion
Etude dans le domaine spatial
AtmosphèreChamps de pression de l’ECMWF + réponse des océans en baromètre inverse
Ecart-type des variations 3h(Janvier - Juin 2004)
Spectre d’énergie en fonction dutemps
time (in days since 01/01/2004)
degr
ee n
20 40 60 80 100 120 140 160 1800
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
0
1
2
3
4
5
6
7x 10
4
degré 2 zonal (contrastehautes/basses latitudes)+ degré 5
période dominante: 10 jours
Introduction Théorie surcharges Rapport g/u Apports de GRACE Conclusion
Etude dans le domaine spatial
Atmosphère: rapport g/u
moyenne continents:0.38± 0.22 µGal mm−1
degré 2:0.14 µGal mm−1
degré 5:0.50 µGal mm−1
contraste hautes/basseslatitudes
fortes valeurs aux hauteslatitudes le long descôtes et dans les îles
Moyenne et écart-type:
Continents Hautes latitudes >40◦N/S Basses latitudes 40◦S–40◦N0.38±0.22 0.49±0.23 0.30±0.18
Introduction Théorie surcharges Rapport g/u Apports de GRACE Conclusion
Etude dans le domaine spatial
Synthèse sur le rapport g/u
rapport g/u modélisé très variable spatialement (-2 à 2µGal mm−1); dépend de la taille des structures
importance des effets locaux⇒ problème pour l’interprétation du rapport g/u observé
à l’extérieur des masses g/u est relativement constant,proche de -0.26 µGal mm−1
⇒ moyenne spectrale (-0.28 µGal mm−1) validée
Introduction Théorie surcharges Rapport g/u Apports de GRACE Conclusion
Résolution et précision des solutions de champ de gravité GRACE
1 Rappels théoriques sur les surchargesFonction de transfert de la gravité solFonctions de transfert d’autres observables
2 Rapport g/u entre variation de gravité et déplacementvertical
Etude dans le domaine spectralEtude numérique dans le domaine spatial pourdifférentes surcharges
3 Apports de la mission de gravimétrie spatiale GRACERésolution et précision des solutions de champ de gravitéGRACEVariations de gravité et hydrologie en EuropeSignature gravitationnelle du séisme deSumatra-Andaman du 26 décembre 2004
Introduction Théorie surcharges Rapport g/u Apports de GRACE Conclusion
Résolution et précision des solutions de champ de gravité GRACE
Présentation de la mission GRACE
altitude ∼480 km, orbite quasi polaire
mesures de la distance entre satellites (∼220 km, à 10 µmprès), d’accélération, d’attitude, GPS
vitesse relative entre satellites⇒ différence de potentielentre les 2 satellites
Introduction Théorie surcharges Rapport g/u Apports de GRACE Conclusion
Résolution et précision des solutions de champ de gravité GRACE
Présentation de la mission GRACE
Modélisation d’effets connus:
Vmod(t) = Vstatique +
Vplanètes(t) + Vséculaire(t) + Vmarées(t) + Vatmo(t) + Vocéans(t)
Effets présents dans les résidus d’observation Vobs(t)− Vmod(t):
hydrologie continentale (humidité du sol, eau des nappes, neige...)
glaciers et calottes
circulation océanique
rebond post-glaciaire
effet des très forts séismes...
Introduction Théorie surcharges Rapport g/u Apports de GRACE Conclusion
Résolution et précision des solutions de champ de gravité GRACE
Spectre d’amplitude par degré du géoïde
Géoïde: N(θ, λ, t) =V (θ, λ, t)
g0= a
nmax∑n=0
n∑m=0
[Cm
n (t) Y m, cn (θ, λ) + Sm
n (t) Y m, sn (θ, λ)
]2 stratégies pour l’inversion des coefficients de Stokes:
Sans a priori Avec a priori et contrainte⇒ CSR (Texas) ⇒ GRGS (Toulouse)
0 10 20 30 40 50 60
10−2
10−1
100
degré
géoï
de (
mm
)
CSR−RL04 (écart à la moyenne sur Avril 2002 − Mars 2007)
0 10 20 30 40 50 60
10−2
10−1
100
degré
géoï
de (
mm
)
GRGS (écart à la moyenne sur Août 2002 − Juillet 2007)
variations temporelles, variation moyenne, erreur formelle calibrée moyenne
Introduction Théorie surcharges Rapport g/u Apports de GRACE Conclusion
Résolution et précision des solutions de champ de gravité GRACE
Filtrage des solutions libres du CSR
Fenêtre d’apodisation spectrale
0 20 40 60 80 100 1200
0.25
0.5
0.75
1
degré
Fenêtres d’apodisation: domaine spectral
porte + cosinusporte
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
0
0.25
0.5
0.75
1
distance (km)
Fenêtres d’apodisation: domaine spatial
porte + cosinusporte
Wn
W (Ψ)
Filtre gaussien isotrope
0 20 40 60 80 100 1200
0.25
0.5
0.75
1
degré
Filtres gaussiens: domaine spectral
500 km350 km200 km
0 500 1000 1500 2000 2500 30000
0.25
0.5
0.75
1
distance (km)
Filtres gaussiens: domaine spatial
500 km350 km200 km
Introduction Théorie surcharges Rapport g/u Apports de GRACE Conclusion
Résolution et précision des solutions de champ de gravité GRACE
Charge en hauteur d’eau équivalente (cm)Amplitude de la variation saisonnière estimée sur 2002-2005
GRGS CSR apodisationentre n1 =20 et n2 =40
CSR filtrage gaussiende rayon 500 km
Océans Continents Tropiques Moyennes et hautes(25◦S–25◦N) latitudes (> 25◦N/S)
GRGS 23 65 98 43CSR apodisation entre
n1 =20 et n2 =40 31 70 102 48CSR filtrage gaussien
de rayon 500 km 19 54 79 36
Introduction Théorie surcharges Rapport g/u Apports de GRACE Conclusion
Résolution et précision des solutions de champ de gravité GRACE
Synthèse
erreurs moyennes:Erreur sur la Erreur sur la
Résolution variation saisonnière variationGRGS 400 km 2 cm 10 jours: 4-5 cmCSR apodisation entre
n1 =20 et n2 =40 500 km 3 cm 30 jours: 7 cm
Introduction Théorie surcharges Rapport g/u Apports de GRACE Conclusion
Variations de gravité et hydrologie en Europe
1 Rappels théoriques sur les surchargesFonction de transfert de la gravité solFonctions de transfert d’autres observables
2 Rapport g/u entre variation de gravité et déplacementvertical
Etude dans le domaine spectralEtude numérique dans le domaine spatial pourdifférentes surcharges
3 Apports de la mission de gravimétrie spatiale GRACERésolution et précision des solutions de champ de gravitéGRACEVariations de gravité et hydrologie en EuropeSignature gravitationnelle du séisme deSumatra-Andaman du 26 décembre 2004
Introduction Théorie surcharges Rapport g/u Apports de GRACE Conclusion
Variations de gravité et hydrologie en Europe
Variations de teneur en eau issues de GRACEBilan par groupes de bassins fluviaux
solutions GRACE (GRGS), modèles: ECMWF, GLDAS
2003 2004 2005 2006 2007−15
−10
−5
0
5
10
15
temps
cm
Ebre + Duero + Tage + Guadania + Guadalquivir
2003 2004 2005 2006 2007−15
−10
−5
0
5
10
15
temps
cm
Garonne + Rhône + Pô
2003 2004 2005 2006 2007−15
−10
−5
0
5
10
15
temps
cm
Loire + Seine
2003 2004 2005 2006 2007−15
−10
−5
0
5
10
15
temps
cm
Rhin + Weser + Elbe
2003 2004 2005 2006 2007−15
−10
−5
0
5
10
15
temps
cm
Oder + Vistule
2003 2004 2005 2006 2007−15
−10
−5
0
5
10
15
temps
cm
Danube
été 2003: évènement secpartout sauf sur Oder+Vistule
automne 2006: évènementsec (Rhin+Weser+Elbe,Espagne)
bassin du Danube: meilleurrapport signal-sur-bruit etmeilleur accord avec lesmodèles
Introduction Théorie surcharges Rapport g/u Apports de GRACE Conclusion
Variations de gravité et hydrologie en Europe
Variations de teneur en eau issues de GRACEIntégration sur un ensemble de bassins de 2 millions de km2
solutions GRACE (GRGS), modèles: ECMWF, GLDAS
2003 2004 2005 2006 2007−15
−10
−5
0
5
10
15
temps
cm
bonne corrélation GRACE-modèles: 0.91, 0.81.
déficit hydrique de l’été 2003: 5 cm (GRACE)8 cm (modèles)
fermeture du bilan hydrologique après 3 ans (GRACE, GLDAS)
Introduction Théorie surcharges Rapport g/u Apports de GRACE Conclusion
Signature gravitationnelle du séisme de Sumatra-Andaman
1 Rappels théoriques sur les surchargesFonction de transfert de la gravité solFonctions de transfert d’autres observables
2 Rapport g/u entre variation de gravité et déplacementvertical
Etude dans le domaine spectralEtude numérique dans le domaine spatial pourdifférentes surcharges
3 Apports de la mission de gravimétrie spatiale GRACERésolution et précision des solutions de champ de gravitéGRACEVariations de gravité et hydrologie en EuropeSignature gravitationnelle du séisme deSumatra-Andaman du 26 décembre 2004
Introduction Théorie surcharges Rapport g/u Apports de GRACE Conclusion
Signature gravitationnelle du séisme de Sumatra-Andaman
Présentation et objectifs de l’étude
CENTRE NATIONALDE LA RECHERCHESCIENTIFIQUE
Modeling the Gravity Change Induced by the 2004 Sumatra-Andaman Earthquake as Seen by GRACEL. Rivera1, C. de Linage1, J.-P. Boy1, S. Lambotte1, J. Hinderer1 and R. Biancale2
1 Institut de Physique du Globe, Univerite Louis Pasteur; Strasbourg, France2 Centre Nationale d’Etudes Spatiales (CNES) - GRGS, Toulouse, France
Contact: [email protected]
U53A-0038
1 Abstract
We use modal summation for an elasto-gravitational spherical stratified Earth’s model in order to com-pute the co-seismic gravity field effect induced by the December 26th, 2004 Sumatra-Andaman earth-quake. We compare the predicted gravity signature of this earthquake to the GRACE temporal gravitysolutions provided by the Toulouse Team of Space Geodesy (CNES/GRGS) in 10 day periods in aspherical harmonic decomposition (up to degree 50). The hydrological seasonal contribution and thelong-term oceanic circulation effect are included in the analysis along with tidal and long term correc-tions. We also attempt to detect the post-seismic deformation and induced gravity field in the yearfollowing the seismic event.
2 Data and data analysis
We use a series of 125 decadal GRACE global geoid models provided by the Toulouse Team of SpaceGeodesy (CNES/GRGS) spanning the time period from August 2002 to May 2006 to study the gravita-tional effects (geoid and gravity acceleration) of the event. The series includes 77 solutions previous tothe earthquake and 48 solutions after it. In practice, each solution is given as the set of coefficients ofits spherical harmonics expansion. The lowest harmonics are estimates from the Lageos satellite. Thefields are expanded up to degree 50 and stabilized between degrees 30 and 50 towards the mean field.
Estimating the earthquake signature in both geoid and gravity time series
At each point of a 1◦ × 1◦ global grid, we fit the following signals to the time series :
•Annual and semi-annual sine curves for modeling the seasonal hydrological cycle as well as the long-period oceanic circulation.
•A 161 - day sine curve for fitting the alias of the tidal wave S2 due to tide modeling errors (Ray andLuthcke (2006)).
•A linear trend for removing possible long-term signals.
•A jump at the earthquake’s date for assessing the coseismic effect.
Figure 1 shows an example of the time series analysis. Figure 2 displays the result of applying thisprocedure at global scale to estimate the jump in the geoid and the gravity acceleration associated tothe 2004 Sumatra earthquake.
2002.5 2003 2003.5 2004 2004.5 2005 2005.5 2006 2006.5−10
−8
−6
−4
−2
0
2
4
6
time
lat = 8°N lon = 97°E
geoi
d he
ight
var
iatio
ns (
mm
)
2002.5 2003 2003.5 2004 2004.5 2005 2005.5 2006 2006.5−20
−15
−10
−5
0
5
10
time
lat = 8°N lon = 97°E
grav
ity v
aria
tion
(µG
al)
Figure 1: Example of determination of the coseismic discontinuity in the geoid and the gravity. Theshown time series corresponds to the point situated at 8◦N − 97◦E, in the Andaman Sea, East of trench.
GEOID
180˚ 240˚ 300˚ 0˚ 60˚ 120˚ 180˚−90˚
−60˚
−30˚
0˚
30˚
60˚
90˚
−6 −4 −2 0 2 4 6geoid disturbance in mm
GRAVITY
180˚ 240˚ 300˚ 0˚ 60˚ 120˚ 180˚−90˚
−60˚
−30˚
0˚
30˚
60˚
90˚
−15 −10 −5 0 5 10 15gravity disturbance in µGal
Figure 2: Geoid and gravity discontinuity of the time series on December 26th, 2006
3 The gravity disturbance induced by an earthquake
We use modal summation in an elastic, self-gravitating, stratified, spherical Earth to calculate the gravityperturbation induced by the earthquake. (Saito (1967); Gilbert (1971)) The gravitational potential per-turbation Φ(r, θ, φ) induced by an internal point source located at xs with seismic moment Mij can bewritten as
Φ(r, θ, φ) =∑
nℓm
Mij : ε(nℓm)ij (xs)
nω2ℓ
nPℓ(r)Yℓm(θ, φ) (1)
where ε(nℓm)(xs) is the strain generated by the nℓm-mode at the source location and nωℓ is the eigen-
frequency of the mode. nPℓ(r) is the radial eigenfunction corresponding to the gravitational potentialevaluated at the radius r and Yℓm(θ, φ) is the corresponding spherical harmonic evaluated at the angularcoordinates of the observation point. A similar expression yields the vertical displacement ur(r, θ, φ), bysimply changing nPℓ by nUℓ, the radial eigenfunction corresponding to the vertical displacement. We usethe PREM model (Dziewonski and Anderson (1981)), and MINOS (Woodhouse (1988)) for the calcula-tion of the radial eigenfunctions.
Once the perturbations of the gravitational potential and the vertical displacement are available, it isstraightforward to calculate the perturbations in the geoid and in the gravity acceleration:
h(a, θ, φ) = −
Φ(a, θ, φ)
go(a)(2)
g(a, θ, φ) = Φ(a−) + 4πGρ(a−)ur(a) (3)
Expressions (2) and (3) are then used as elementary solutions to calculate the effect of the completesource model by convolving them with the seismic moment distribution. We use the Ammon et al. (2005)source model represented in figure 3. It was obtained by modeling seismological (body waves, surfacewaves and normal modes) data. The fault rupture of about 1200 km × 200 km is represented by 850point dislocations equally distributed with variable dislocation and slip orientation. The total seismicmoment is: 9× 1029dyncm.
Source model
90˚E 95˚E 100˚E
0˚
5˚N
10˚N
15˚N
Sumatra
Eurasian Plate
Indian Ocean Plate
Andaman-Sum
atra Trench
60 mm/y N20E
50 mm/y N14E
50 km
100 km
200 km
300 km
Sumatran Fault
25.0 25.5 26.0 26.5 27.0 27.5 28.0
log10�seismic�moment�(dyn-cm)
Figure 3: Source model of the 2004 Sumatra-Andaman earth-quake as estimated by Ammon et al. (2005) and used as input inthe present study. Each point corresponds to a point dislocationand the color represents its seismic moment. There are in total850 point sources with a total seismic moment of 9 × 1029dyncm.The strike and dip of the individual sources was chosen accord-ing to the subduction geometry; the rake and slip were found byinversion of seismological data.
modeled Z displacement
80˚ 90˚ 100˚ 110˚−10˚
0˚
10˚
20˚
−2 −1 0 1 2m
modeled geoid
80˚ 90˚ 100˚ 110˚−10˚
0˚
10˚
20˚
−20 −10 0 10 20mm
modeled gravity
80˚ 90˚ 100˚ 110˚−10˚
0˚
10˚
20˚
−500 −250 0 250 500µGal
Figure 4: Result of applying equations 1, 2 and 3 along with the source model described above, to esti-mate the static perturbation in the vertical displacement (left), the geoid (middle) and the gravity (right)evaluated at the free surface. The modal summation is sharply stopped at ℓmax = 530 so producing theGibbs ripples mainly visible in the gravity.
4 Data-model comparison and discussion
In order to compare the GRACE observations (2) and the result of our estimates (4), it is necessary tobring both sets to a common spatial spectral band. Consequently, we low-pass filter both with a cosinetaper decreasing from 1 at ℓ = 30 to 0 at ℓ = 50. This is the largest common spatial spectral band. Ofcourse it represents a severe filter for our estimates.
GRACE geoid
80˚ 85˚ 90˚ 95˚ 100˚105˚110˚−10˚
−5˚
0˚
5˚
10˚
15˚
20˚
−6 −4 −2 0 2 4 6mm
modeled geoid
80˚ 90˚ 100˚ 110˚−10˚
0˚
10˚
20˚
−6 −4 −2 0 2 4 6mm
GRACE gravity
80˚ 85˚ 90˚ 95˚ 100˚105˚110˚−10˚
−5˚
0˚
5˚
10˚
15˚
20˚
−15 −10 −5 0 5 10 15µGal
modeled gravity
80˚ 90˚ 100˚ 110˚−10˚
0˚
10˚
20˚
−15 −10 −5 0 5 10 15µGal
Figure 5: Comparison of GRACE-derived observations (left panels) with the corresponding fields esti-mated in this study (right panels). The geoid height perturbation is represented on top and the gravityacceleration is represented on bottom. Right panels are zooms on the two global figures (2). The fourfields are low-pass filtered with a cosine taper.
In geoid, although, at first sight, the two figures are quite different, most of the difference corre-sponds to a negative DC-component of ∼ −3 mm in the GRACE observations. Beside thats, the orderof magnitude, the overall shape and orientation of the pattern are quite similar. The regional peak-to-peak difference is ∼ 6mm in both cases. In gravity, the model estimates reproduce reasonably well theGRACE observations in order of magnitude as well as in shape and orientation. The regional peak-to-peak difference is 22 µGal for GRACE and 29 µGal for the model. From the various candidates toexplain these discrepancies, we would first invoke an incomplete modeling of hydrological effects sincehere we have only included the periodic variations, neglecting the inter-annual changes. Secondly, ourEarth model (PREM) being a global model, is probably not the best choice. The effect of using a moreappropriate crustal structure should be tested. The main question raised by the present study is relatedto the strongly negative feature in geoid, centered in the Andaman sea, for the estimated coseismicdiscontinuity (see figures 2 and 4. Is there any physical relationship between this anomaly and theearthquake itself? If so, which is the mechanism? or is it a mere coincidence with some hydrologicalevent, like, for example, the one visible in the Amazon basin in the same figure?
References
Ammon, C. J., et al., Rupture process of the 2004 sumatra-andaman earthquake, Science, 308(5725), 1133–1139, 2005.
Dziewonski, A., and D. L. Anderson, Preliminary reference Earth model, Phys. Earth Planet Int., 25(4), 297–356, 1981.
Gilbert, F., Excitation of the normal modes of the earth by earthquakes, Geophys. Journ. Roy. Ast. Soc., 22, 223–226, 1971.
Ray, R. D., and S. B. Luthcke, Tide model errors and grace gravimetry: towards a more realistic assessment, Geophys. J. Int., 2006.
Saito, M., Excitation of Free Oscillations and Surface Waves by a Point S ource in a Vertically Heterogeneous Earth, J. Geophys. Res., 72(4),3689–3699, 1967.
Woodhouse, J. H., Seismological Algorithms, Ed. D. Doornbos, chap. The Calculation of Eigenfrequencies and Eigenfunctions of the Free Oscillationsof the Earth and the Sun, Academic Press, 1988.
Modèle de la source d’Ammonet al. 2005
Intérêt de ce séisme:
dimension de la zone de rupture: ∼ 1200 km × 200 km,Mw = 9.1⇒ détection possible par GRACE
mouvements verticaux + variation de densité
domaine océanique
Objectifs:
séparation des effets sismiques d’autres effetsgéophysiques (hydrologie, circulation océanique) etd’erreurs d’aliasing
séparation des effets cosismique et postsismique
modélisation de l’effet cosismique: approche globale avecPREM, réponse statique de l’océan.
Introduction Théorie surcharges Rapport g/u Apports de GRACE Conclusion
Signature gravitationnelle du séisme de Sumatra-Andaman
Méthodologie
série de solutions du GRGS (∆t = 10 j)⇒ géoïde et gravité⇒ Août 2002 - Février 2007
4.6 ans = 29 mois + 26 mois
signal ajusté par moindres carrés (inversionbayesienne):
GRGS time series at several points on map
y(t) =3∑
i=1
ai cos(ωi t + φi) +
{b t + c1 avant le séisme
c2 + d (1− e−t/τ ) après le séisme
⇒ a1, φ1, a2, φ2: variations annuelles et semi-annuelles(hydrologie, circulation océanique)⇒ a3, φ3: aliasing de l’onde S2 à 161 jours⇒ tendance avant le séisme⇒ saut cosismique c2 − c1 et relaxation postsismique (d , τ )
Introduction Théorie surcharges Rapport g/u Apports de GRACE Conclusion
Signature gravitationnelle du séisme de Sumatra-Andaman
RésultatsEffets cosismique et postsismique
cosismique min/max:−8± 0.6 / − 1± 0.6 mm,−16± 2 / + 4± 2µGal
postsismique max:6.8± 0.3 mm, 12.3± 1.2 µGalconstante de relaxation moyenne:τ = 0.6± 0.07 an (géoïde)τ = 0.7± 0.15 an (gravité)
Postseismic - GRGS(a) Total postseismic change
(b) Time constant
Introduction Théorie surcharges Rapport g/u Apports de GRACE Conclusion
Signature gravitationnelle du séisme de Sumatra-Andaman
RésultatsEffets cosismique et postsismique
cosismique min/max:−8± 0.6 / − 1± 0.6 mm,−16± 2 / + 4± 2µGal
postsismique max:6.8± 0.3 mm, 12.3± 1.2 µGalconstante de relaxation moyenne:τ = 0.6± 0.07 an (géoïde)τ = 0.7± 0.15 an (gravité)
Postseismic - GRGS(a) Total postseismic change
(b) Time constant
Introduction Théorie surcharges Rapport g/u Apports de GRACE Conclusion
Signature gravitationnelle du séisme de Sumatra-Andaman
RésultatsEffet permanent 26 mois après le séisme
Coseismic + Postseismic(a) GRGS
(b) CSR spectral filter
(c) CSR spatial filter
signature cosismique noncompensée par effetpostsismique
min/max:-3.3 / 3.1 mm
-13.6 / +12.3 µGal
Introduction Théorie surcharges Rapport g/u Apports de GRACE Conclusion
Signature gravitationnelle du séisme de Sumatra-Andaman
Modélisation de l’effet cosismique: théorie
sommation des modes propres d’oscillation excités par leséisme pour PREM
perturbation statique du potentiel gravitationnel due à unesource ponctuelle en xs de moment sismique Mij (Gilbert1971):
V (r , θ, λ) =∑n`m
Mij : ε? (n`m)ij (xs)
nω2`
nP`(r)Y`m(θ, λ)
nω` fréquence propre du mode (n`m)ε
(n`m)ij (xs) déformation causée par le mode (n`m) à la source
nP`(r) fonction propre radiale du mode (n`m)
Introduction Théorie surcharges Rapport g/u Apports de GRACE Conclusion
Signature gravitationnelle du séisme de Sumatra-Andaman
Modélisation de l’effet cosismique: aspectsnumériques
calcul des fonctions propres radiales: MINOS
convolution avec un modèle 3D de la source sismique(Ammon et al. 2005)
` = 0− 50 avec apodisation entre 30 et 50⇒ même résolution que les observations GRACE
1 calcul de la réponse de la Terre solide au fond de l’océan(MINOS)
2 calcul de la réponse directe d’un océan globalincompressible à partir du déplacement vertical et de lavariation de potentiel au fond de l’océan
Introduction Théorie surcharges Rapport g/u Apports de GRACE Conclusion
Signature gravitationnelle du séisme de Sumatra-Andaman
Modélisation de l’effet cosismique: aspectsnumériques
calcul des fonctions propres radiales: MINOS
convolution avec un modèle 3D de la source sismique(Ammon et al. 2005)
` = 0− 50 avec apodisation entre 30 et 50⇒ même résolution que les observations GRACE
1 calcul de la réponse de la Terre solide au fond de l’océan(MINOS)
2 calcul de la réponse directe d’un océan globalincompressible à partir du déplacement vertical et de lavariation de potentiel au fond de l’océan
Introduction Théorie surcharges Rapport g/u Apports de GRACE Conclusion
Signature gravitationnelle du séisme de Sumatra-Andaman
Modélisation de l’effet cosismique: résultats
Réponse de la Terre solide (MINOS)Déplacement vertical Géoïde Gravité
(a) Solid Earth
(b) Ocean
(c) Total = solid Earth + ocean
Réponse de l’océanGéoïde Gravité
(a) Solid Earth
(b) Ocean
(c) Total = solid Earth + ocean
Réponse totaleGéoïde Gravité
(a) Solid Earth
(b) Ocean
(c) Total = solid Earth + ocean
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Signature gravitationnelle du séisme de Sumatra-Andaman
Modélisation de l’effet cosismique: résultats
Réponse de la Terre solide (MINOS)Déplacement vertical Géoïde Gravité
(a) Solid Earth
(b) Ocean
(c) Total = solid Earth + ocean
Réponse de l’océanGéoïde Gravité
(a) Solid Earth
(b) Ocean
(c) Total = solid Earth + ocean
Réponse totaleGéoïde Gravité
(a) Solid Earth
(b) Ocean
(c) Total = solid Earth + ocean
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Signature gravitationnelle du séisme de Sumatra-Andaman
Modélisation de l’effet cosismique: résultats
Réponse de la Terre solide (MINOS)Déplacement vertical Géoïde Gravité
(a) Solid Earth
(b) Ocean
(c) Total = solid Earth + ocean
Réponse de l’océanGéoïde Gravité
(a) Solid Earth
(b) Ocean
(c) Total = solid Earth + ocean
Réponse totaleGéoïde Gravité
(a) Solid Earth
(b) Ocean
(c) Total = solid Earth + ocean
Introduction Théorie surcharges Rapport g/u Apports de GRACE Conclusion
Signature gravitationnelle du séisme de Sumatra-Andaman
Effet cosismique: comparaison modèle/GRACE
ModélisationGéoïde Gravité
(a) Solid Earth
(b) Ocean
(c) Total = solid Earth + ocean
Observation GRACEGéoïde Gravité
Effet des variations non périodiquesGravité
hydrologie + océanGLDAS + ECCO
(b) Postseismic
(a) Coseismic
ECMWF + ECCO GLDAS + ECCO
ECMWF + ECCO GLDAS + ECCO
Introduction Théorie surcharges Rapport g/u Apports de GRACE Conclusion
Conclusion (1)
rapport g/u dans le cas d’une réponse élastique àdifférentes surcharges
entre -2 et 2 µGal mm−1
⇒ la conversion g ⇔ u ne devrait pas faire intervenir legradient à l’air libre (-0.3 µGal mm−1) ni le gradient deBouguer (-0.2 µGal mm−1) comme cela est souvent le cas⇒ séparation nécessaire des différentes sourcesdépend de la position des masses locales par rapport augravimètreproche de -0.26 µGal mm−1 à l’extérieur des masses
Introduction Théorie surcharges Rapport g/u Apports de GRACE Conclusion
Conclusion (2)
les estimations des variations du contenu en eau dusous-sol à partir des champs de gravité GRACE ont desprécisions moyennes de 2 à 3 cm (annuelle) et 5 à 7 cm (à10j ou 30j), à des résolutions de 400 à 500 km
étude sur l’Europe des variations de contenu en eau(GRACE, modèles): malgré un signal faible et des bassinsde petite taille, les solutions du GRGS restituent bien lesévènements extrêmes; bonne corrélation avec les modèlesapproche originale de l’étude du séisme deSumatra-Andaman
séparation des différents effets dans les donnéesmodélisation de l’effet cosismique: modèle non plan et nonhomogène, réponse de l’océan⇒ bon accord avec lasignature cosismique observée (gravité), moins bon accordà grande longueur d’onde (géoïde)
Introduction Théorie surcharges Rapport g/u Apports de GRACE Conclusion
Conclusion (2)
les estimations des variations du contenu en eau dusous-sol à partir des champs de gravité GRACE ont desprécisions moyennes de 2 à 3 cm (annuelle) et 5 à 7 cm (à10j ou 30j), à des résolutions de 400 à 500 km
étude sur l’Europe des variations de contenu en eau(GRACE, modèles): malgré un signal faible et des bassinsde petite taille, les solutions du GRGS restituent bien lesévènements extrêmes; bonne corrélation avec les modèlesapproche originale de l’étude du séisme deSumatra-Andaman
séparation des différents effets dans les donnéesmodélisation de l’effet cosismique: modèle non plan et nonhomogène, réponse de l’océan⇒ bon accord avec lasignature cosismique observée (gravité), moins bon accordà grande longueur d’onde (géoïde)
Introduction Théorie surcharges Rapport g/u Apports de GRACE Conclusion
Conclusion (2)
les estimations des variations du contenu en eau dusous-sol à partir des champs de gravité GRACE ont desprécisions moyennes de 2 à 3 cm (annuelle) et 5 à 7 cm (à10j ou 30j), à des résolutions de 400 à 500 km
étude sur l’Europe des variations de contenu en eau(GRACE, modèles): malgré un signal faible et des bassinsde petite taille, les solutions du GRGS restituent bien lesévènements extrêmes; bonne corrélation avec les modèlesapproche originale de l’étude du séisme deSumatra-Andaman
séparation des différents effets dans les donnéesmodélisation de l’effet cosismique: modèle non plan et nonhomogène, réponse de l’océan⇒ bon accord avec lasignature cosismique observée (gravité), moins bon accordà grande longueur d’onde (géoïde)
Introduction Théorie surcharges Rapport g/u Apports de GRACE Conclusion
Conclusion (3)
déplacement vertical nécessaire à la comparaison entremesures GRACE et mesures de gravité au sol, mais:
problème de la restitution par le GPS lorsque le signal esttrop ténu (Europe) (van Dam et al. 2007), mais possibledans zones de mousson (intérêt du projet GHYRAF:Géodésie et Hydrologie en Afrique)problème de la cohérence du choix de l’origine du repèrepour les différents observables
problème de la différence de résolution spatiale entremesures au sol et mesures spatiales⇒ utilisation du réseau GGP de gravimètressupraconducteurs en Europe: étude d’une méthode dedécomposition en composantes principales
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Conclusion (3)
déplacement vertical nécessaire à la comparaison entremesures GRACE et mesures de gravité au sol, mais:
problème de la restitution par le GPS lorsque le signal esttrop ténu (Europe) (van Dam et al. 2007), mais possibledans zones de mousson (intérêt du projet GHYRAF:Géodésie et Hydrologie en Afrique)problème de la cohérence du choix de l’origine du repèrepour les différents observables
problème de la différence de résolution spatiale entremesures au sol et mesures spatiales⇒ utilisation du réseau GGP de gravimètressupraconducteurs en Europe: étude d’une méthode dedécomposition en composantes principales