Plan 1. Introduction: Echelles de la tectonique active 2. GPS: Principes

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1 Plan 1. Introduction: Echelles de la tectonique active 2. GPS: Principes A. Outils B. Positionnement C. Stratégies d acquisition D. Incertitudes sur les mesures et les vitesses 3. Intérêts «long terme» Mouvements des plaques Déformation intra-plaque 4. Intérêts «court terme» Cycle sismique: séries géodésiques Accumulation élastique intersismique: exemples en Californie

2 3. Intérêts «long terme» A. Mouvement des plaques Sites GPS continu Traitement quotidien Vitesses globales Cadre de référence?

3 Cadre de référence = Référentiel Réseau global de sites GPS très bien connus (en position et vitesse) et continuellement mesurés = International Terrestrial Reference Frame (ITRF) Vitesses GPS bruptes sont usuellement référencées à ITRF Vitesses exprimées dans un cadre no-net-rotation = façon arbitraire de représenter les vitesses sans référence à une plaque particulière interprétation géologique Besoin d un cadre de référence plaquiste

4 Cadre de référence = Référentiel Réseau global de sites GPS très bien connus (en position et vitesse) et continuellement mesurés = International Terrestrial Reference Frame (ITRF) Vitesses GPS bruptes sont usuellement référencées à ITRF Vitesses exprimées dans un cadre no-net-rotation = façon arbitraire de représenter les vitesses sans référence à une plaque particulière interprétation géologique Besoin d un cadre de référence plaquiste

5 L'ITRF, système de référence mondial - Depuis 1988: Service International de la Rotation de la Terre («International Earth Rotation Service», IERS) établi conjointement par «International Astronomical Union» (IAU) et «International Union of Geodesy and Geophysics» (IUGG) - L'ITRF, synthèse des mesures géométriques venant du monde entier, est mis à disposition sous forme de points dont on fournit les coordonnées un jour et une heure précises, ainsi que les vitesses (en mm/an), directement liées à la tectonique des plaques - Mise à disposition la plus récente, calculée par le LAREG de l IGN est l'itrf 2005, dont les coordonnées publiées correspondent au à 00 h TU. - Ensemble de coordonnées qui varient tout le temps -> pas utilisable aisément dans les différentes branches professionnelles -> calcul consistant à traiter un ensemble de pays ayant à peu près les mêmes vitesses tectoniques, et à soustraire globalement cette vitesse -> coordonnées «fixes» temporaires ( Europe: système EUREF, base des systèmes de références géodésiques de tous les pays européens -> France: référence nationale officielle, RGF 93). - Démarche identique au niveau mondial, faible précision de transformation = base de la référence opérationnelle courante appelée WGS 84, employée par défaut dans tous les matériels courants de positionnement (GPS courant, cartographie marine récente )

6 TP : Séries temporelles de positions de sites GPS - Localiser la station EISL sur la carte : quelle plaque? - Décrire le mouvement du point par rapport au Nord, à l Est et à la verticale - Comparer au déplacement reporté sur la carte - Discuter les précisions des mesures

7 Des vitesses ITRF aux vitesses relatives 1: Production de vitesses ITRF 2: utiliser un lot de sites sur une plaque stable (A) pour calculer la vitesse angulaire de cette plaque 3: calculer les vitesses théoriques en référence à la plaque A pour tous les sites 4: soustraire ces vitesses de celles observées = vitesses en référence à la plaque A (propagation des erreurs )

8 Exemple en Europe Nocquet et Calais, 2003 Vitesses ITRF Vitesses par rapport à Europe stable

9 Article J.-M. Nocquet / Tectonophysics 579 (2012) Seismicity distribution (NEIC catalog, ) and CMT focal mechanisms ( ) for the western Mediterranean; P.: Provence; F.R.: French Riviera; Tyrr Sea: Tyrrhenian Sea; Io. Sea: Ionian Sea; Alb. Sea: Alboran Sea

10 Article J.-M. Nocquet / Tectonophysics 579 (2012) Velocity field in a Eurasia fixed reference frame. Error ellipses show 1-sigma (67%) confidence level.

11 Article J.-M. Nocquet / Tectonophysics 579 (2012) Velocity field in a Nubia fixed reference frame. Error ellipses show 1-sigma (67%) confidence level.

12 Modèle géodésique à comparer au modèle de mouvement de plaque géologique : NUVEL1A (De Mets et al., 1990, 1994) Hypothèses pour Modèle Géologique: Nombre limité de plaques rigides Vitesses constantes sur les 3 derniers millions d années Vitesses basées sur une échelle chronologique d anomalies magnétiques (voir cours P. Tarits) Modèle géologique: sans données géodésiques mais seulement géologiques: Anomalies magnétiques des fonds océaniques Failles transformantes Vecteurs glissement des séismes (mécanismes au foyer)

13 Comparaison Géodésie / Nuvel1A Nature, 1991 Smith et al., 1993 Mouvements de plaques: constants (sur les 3 derniers Ma) Validation du modèle géologique Validation des mesures géodésiques SLR = Satellite Laser Ranging

14 Quelques modèles géodésiques Modèles géodésiques globaux fondés uniquement sur les données spatiales: REVEL, REcent plate VELocities ( Sella et al. 2002) : 19 plaques. GSRM1, Global Strain Rate Model (Kremer et al. 2003) : 19 plaques. Modèles cinématiques récents: MORVEL (DeMets et al., 2010): 25 plaques, et NNR-MORVEL56 (Argus et al., 2011), 56 plaques!!! MORVEL: estimate of geologically recent global plate motions and their uncertainties

15 Comparaison des vitesses «géologiques» et géodésiques: E. Calais, Purdue University Exemples de plaques où la précédente affirmation n est pas vérifiée Vitesse géologique Plaque arabie 3 cm/an 2 cm/an Plaque indienne 5 cm/an 4 cm/an Plaque Nazca 8 cm/an 7 cm/an Vitesse géodésique (10 ans) «Pour chacune des 3 plaques, les explications de l écart entre la vitesse géologique et géodésique sont différentes. Les réponses peuvent notamment être trouvées dans le manteau terrestre lui-même.» C. Vigny

16 4. Intérêts «court terme» Intersismique Cycle sismique: concept Cosismique La faille San Andreas dans le bassin de Carrizo (Californie) Rupture en surface du séisme d El Asnam (Algérie, 1980)

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18 TP suite Intersismique: construction d un profil de vitesse au travers d une faille décrochante Identifier la plaque de référence Tracer le profil de vitesse en projetant un nombre suffisant de valeurs de vitesse sur une ligne perpendiculaire à la faille (ligne en pointillés, flèches dans le cadre bleu) Commentez Quelle est la distance (largeur) de chargement? Donnez la valeur de vitesse entre les 2 plaques et comparez à la valeur de la vitesse long terme Donnez la valeur de la profondeur de blocage en utilisant la formule suivante: V(x) = 1/π [Vo tan -1 (x/d L )] x = distance perpendiculaire à la faille D L = profondeur de blocage («locking depth»)

19 Community Motion Map version 4 (CMM4) Analyse récente des failles de Californie Johnson, 2013

20 Accumulation élastique intersismique: comparaison modèle mesures GPS Profil de vitesse GPS perpendiculaire à la faille de San Andreas (composante parallèle à la faille). Modèle = ligne, données GPS = cercles (D = 10 km, Vo = 46 mm/yr) D L = profondeur de blocage («locking depth») x = distance perpendiculaire à la faille V(x) = 1/π [Vo tan -1 (x/d L )] Vitesse en champ lointain V o Vitesses GPS x Valable pour une faille décrochante verticale dans un 1/2 espace élastique avec une zone bloquée entre la surface et la profondeur DL et un glissement continu sous cette profondeur Profondeur de blocage D L Lithosphere Asthénosphère H

21 Observations géodésiques de l accumulation intersismique: Californie du Sud 3 segments, 3 profils Modèle simple d accumulation élastique de la déformation sur une faille bloquée: V(x) = 1/π [Vo tan -1 (x/d L )] Variations de D L? Raccourcissement? D L = profondeur de blocage («locking depth») x = distance perpendiculaire à la faille

22 CONCLUSIONS SUR GPS Système de positionnement à couverture mondiale MAIS discontinu dans l espace Principe basé sur mesures de distances à > 4 satellites (T ou φ) Grande précision potentielle du système, surtout pour les mouvements horizontaux (le m en code C/A, le mm en code P) Permet de couvrir toutes échelles d espace mais sur des temps courts (seulement depuis ~¼ de siècle ) A permis de valider et préciser les mouvements interplaques et intraplaques (pôles, petites plaques, déformation interne, etc ) A aussi de nombreux intérêts pour la compréhension du comportement des failles et des volcans (y compris surveillance) A enfin de très nombreuses applications possibles au-delà de la tectonique s.s. (gravité, météo, navigation, cadastre, etc )

23 GPS: Liens fiables FACILE: La tectonique des plaques mesurée par GPS : Moins facile: Cours Vigny sur géodésie, géoïde: Cours Calais: (en anglais) Cours Nocquet: A simple course on GPS positioning, by C. Rizos (Univ. New South Wales, Australia): Beutler, G., Satellite Navigation Systems for Earth and Space Sciences: r_2.pdf