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Futures missions de gravimétrie spatiale et subduction des plaques tectoniques : quelles résolution et précision pour une avancée majeure dans l'imagerie des structures profondes

Description

Futures missions de gravimétrie spatiale et subduction des plaques tectoniques : quelles résolution et précision pour une avancée majeure dans l’imagerie des structures profondes et l’étude des processus géodynamiques impliqués ?

Cadre et objectif. Ce sujet a pour cadre la préparation des futures missions de gravimétrie spatiale et pour objectif la détermination de la résolution et la précision des données nécessaires à une meilleure caractérisation des systèmes de subduction. Les résultats de la thèse seront partagés avec le groupe de préparation aux futurs missions du CNES, à l’exemple de GRICE. Ils contribueront ainsi à l’identification des besoins pour les géosciences, prérequis essentiel à la pertinence des solutions techniques proposées et à la conceptualisation des missions. 

Contexte. L’apport des données de gravimétrie spatiale à la compréhension du système Terre n’est plus à démontrer et a été reconnu par l’ensemble de la communauté internationale, que ce soit en sciences de la Terre, hydrologie, glaciologie, océanographie ou science de l’atmosphère. Le développement de l’interférométrie à atomes froids permet aujourd’hui d’aller encore plus loin en rendant possible la mesure de la pesanteur à très haute précision et résolution sur une plateforme mobile. Une fois embarquée, cette nouvelle technologie offrira la possibilité d’imager depuis l’espace des structures internes sur l’ensemble du globe, encore indétectables par les méthodes actuelles. Ceci est d’autant plus vrai dans les zones difficiles d’accès où l’instrumentation reste limitée, à l’exemple des zones de subduction (localisation géographique intra-océanique comme les îles Tonga et Kermadec, ou à proximité d'une haute chaîne de montagnes comme les Andes), dont la compréhension constitue un des défis majeurs des géosciences modernes. La géométrie de la plaque plongeante dans ces régions a notamment un rôle essentiel dans la distribution de la sismicité, faisant de sa caractérisation un enjeu sociétal majeur, notamment dans l’estimation de l’aléa sismique.

Fournissant une information unique sur la distribution des masses à l’intérieur de la Terre, les données de gravimétrie spatiale couplées aux mesures sismologiques et topographiques, peuvent permettre de contraindre les modèles de subduction.La caractérisation du signal associé va toutefois fortement dépendre deslimites de résolution et de précision des données. L’objectif de la thèse est ainsi de définir quels sont nos besoins en termes de résolution et précision pour imager les structures induites par la dynamique de la plaque plongeante, qu’elles soient de premier ordre ou de second ordre.

L’approche. La dynamique et la géométrie du slab se complexifient davantage lorsque d’autres facteurs interviennent, comme les phénomènes de retrait, de rupture ou déchirure de slab, de séparation de la croûte (peeling), ou encore de délamination du manteau par traction ou par convection secondaire. Afin de caractériser et de comprendre la déformation et la sismicité associées à la subduction, il faut donc avant tout déterminer la géométrie du slab, sa structure thermique et son évolution dans le temps. Dès lors, dans un premier temps, les travaux de thèse concerneront la modélisation de plaques tectoniques au cours de leur plongée dans le manteau terrestre à partir de modèles numériques de subduction. Pour cela, le modèle de subduction thermodynamique de Christensen (1992) et le modèle thermomécanique Fluidity (Davies et al., 2011, Kramer et al., 2012) seront utilisés. Ces codes présentent l’avantage de générer des morphologies de panneaux plongeants évoluant librement (Christensen, 1996 ;Garelet al., 2014). La distribution de densité dépend à la fois de la composition minéralogique des plaques subduites et de leur structure thermique. Elle sera prédite via les lois rhéologiques et thermo-mécaniques du modèle, et chaque subduction, en fonction de son histoire dynamique, présentera une distribution de densité différente. 

Le second volet sera consacré au calcul de la signature gravimétrique produite par ces précédents modèles. Nous utiliserons les logiciels GRANOM (Hetenyi & Cattin, 2006) et GravProcess (Cattin et al., 2015) qui permettent de calculer l’effet gravimétrique à différentes altitudes d’un objet 2D aussi bien que 3D.En faisant varier les caractéristiques du slab, il sera donc possible d’évaluer pour chaque étape de son évolution, les dimensions, profondeur et densité pour lesquelles sa signature peut être théoriquement détectée par les satellites GRACE et GOCE. Ceci nous permettra 1) de déterminer le domaine de sensibilité des données spatiales actuelles et 2) de définir dans quelle mesure nous devons élargir ce domaine de sensibilité afin de caractériser efficacement le processus de subduction. Parallèlement, pour mieux contraindre notre approche en utilisant des observables complémentaires, des calculs synthétiques d’anomalies de vitesse sismique associées au slab seront réalisés. Ceci permettra de mieux définir les relations densité-vitesse de propagation des ondes sismiques, essentielles à l’interprétation des modèles dynamiques du manteau terrestre.

Le troisième volet s’attachera à appliquer cette méthodologie à deux cas réels, choisis parmi les chantiers prioritaires à Géosciences Montpellier : les Petites Antilles et la collision Yakutat-Alaska. Il s’agira dans un premier temps d’extraire et d’analyser les signaux gravimétriques et sismologiques de ces deux zones de subduction et de les confronter aux signaux synthétiques issus des modèles thermo-mécaniques. En plus de l’information sur la structure actuelle du slab et son influence sur la sismicité, ces images géophysiques permettront d’apporter des informations à la fois sur le champ actuel des contraintes mécaniques dans les plaques tectoniques (en lien avec l'aléa sismique) et sur l'histoire de la subduction dans le passé (reconstruction cinématique des mouvements de surface des plaques tectoniques, évolution thermique du slab, etc.) 

Profil
  • Formation solide en géophysique et/ou physique
  • Connaissances approfondies en géodynamique
  • Compétences en programmation 
  • Aptitude à communiquer et rédiger en anglais
  • Motivé, ouvert d’esprit et bon esprit critique 

Le candidat devra en outre être capable d'ouverture afin d'interagir avec des chercheurs d'autres disciplines.

Description de la structure
Laboratoire d'accueil : Univ de Montpellier
Directeur(rice) de thèse/recherche : CADIOT Cécilia
E-mail du directeur(rice) de thèse/recherche : Cecilia.Cadio@gm.univ-montp2.fr
Responsable Cnes de l'offre : MANDEA Mioara

Pour postuler à cette offre, nous vous invitons à vous rapprocher du directeur/rice de thèse et compléter avec son aide la partie cofinancement  du formulaire en ligne (Répondre à l’offre)  pour le 1er avril 2019.

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