Dissertations / Theses on the topic 'Geophysics Observations'

Strain evolution and stress evolution following the 4 April 2010 M7.2 El Mayor-Cucapah earthquake are modeled using an adaptation of the strain transient detection tool developed by Holt and Shcherbenko 2013. The evolution of stress is calculated from postseismic strains, which are modeled from continuous GPS horizontal displacements. Strain fields are modeled in 2 ways; the total strain field based on total observed cGPS displacements, and the residual strain field, which subtracts a reference field from the total model. The residual shows anomalous strains resulting from the postseismic relaxation of the 2010 event. Anomalous and total strains are modeled in 0.1 year epochs for 2.4 years following the event. Both total and anomalous strains are converted into stress changes over time, assuming elastic incompressible behavior. Following the El Mayor event, the GPS constrained strain evolution shows the following: (1) The Southern San Andreas experiences a reduced rate of right-lateral strike slip strain accumulation between 3 July 2010 and 7 August 2012 (Figure 16a-d). (2) The San Jacinto Fault has normal rate of right-lateral strike-slip strain accumulation during this time. (3) Before the Brawley swarm of 26 August 2012, the state of strain evolves to enable unclamping of a left-lateral fault zone in the Brawley Seismic Zone (Figure 16a-d). (4) Large shear strains accumulate on the Laguna Salada Fault (northernmost segment)/southern Elsinore FZ (Figure 16a-d). We converted the strain changes into Coulomb stress changes on existing faults (both right-lateral and left-lateral). Several regions show increased Coulomb stress changes throughout the postseismic process. Furthermore, the Coulomb stress changes on the faults in the region progressively increase toward failure up to the time of the Brawley swarm.

Pendant les 20 dernières années, notre connaissance de la déformation de la Terre a été complètement bouleversée par l'introduction de deux techniques de Géodésie spatiale. D'une part, ce que l'on appelle positionnement satellitaire ('point positioning') pas seulement à partir du système GPS (Global Positioning System) mais également à partir du système DORIS (Doppler Orbitography and Radio-positioning Integrated from Space). D'autre part, ont été développées des techniques d'imagerie satellitaire de corrélation d'images et d'interférométrie SAR (Synthetic Aperture Radar) ainsi que les méthodes de mesures de décalages sur des images panchromatiques à haute résolution spatiale. Ces nouvelles techniques, complémentaires de techniques plus classiques, ont permis une série d'avancées scientifiques notamment la confirmation et l'amélioration de la théorie de la tectonique de plaques, la cartographie fine de déplacements sismiques et asismiques, la cartographie de la distribution de la déformation en marges de plaques, l'amélioration de la compréhension des phénomènes de relaxation post sismiques, la détection de séismes lents et 'silencieux', la détection de signaux précurseurs de séismes ou d'éruptions volcaniques. Actuellement des nombreuses questions clés restent ouvertes. Notamment : - l'importance relative de la déformation accommodée sismiquement en bords de plaques par rapport à la déformation totale et à la contrainte tectonique ; - la contribution des séismes à la déformation par rapport au déplacement asismique sur les discontinuités (failles) ; - la possibilité de proposer des modèles pour les précurseurs des séismes et leur pertinence. Le but de la présente Thèse de Doctorat, est d'étudier le potentiel, les limitations et la complémentarité des données issues de l'Observation de la Terre pour prendre en compte et essayer de répondre à certains aspects des questions exposées ci-dessus. Nous avons concentré notre travail sur un nombre limité de zones telles que Bam (Iran), Parkfield (USA), et le Longmen Shan (China). Les travaux présentés se basent sur le Radar à Synthèse d'Ouverture (RSO), les techniques de corrélation d'image radar d'amplitude ainsi que les images panchromatiques à haute résolution du type SPOT-5 ou Quickbird. Dans notre recherche, nous avons essayé de développer des approches techniques originales (comme la corrélation d'images aériennes et Quickbird), nous avons étudié en particulier la modélisation et la suppression de la composante topographique (non désirée) des correlogrammes issus de l'imagerie optiques et radar et nous nous sommes également concentrés sur la contribution de la ionosphère au signal radar interférométrique en bande L. Pour résumer, notre travail s'est focalisé sur deux axes ; d'une part, on s'intéresse aux approches techniques originales; de l'autre, nous concentrons nos efforts de recherche sur la compréhension des processus néotectoniques, notamment le champ de déplacement cosismique, la répartition de la déformation pendant la phase intersismique et cosismique du cycle sismique sur failles majeures en bord de plaques (p. e. la faille de San Andreas) ou intra plaque (p. e. le Longmen Shan). Je suis inscrit à l'Ecole Doctorale de l'Université Pierre et Marie Curie de Paris depuis janvier 2009, mais je considère ce manuscrit de Thèse comme le résultat d'un chemin de travail qui a commencé bien avant. Dans ce manuscrit, je vous présente une synthèse des principaux résultats des recherches que j'ai menées depuis 2003. Chaque chapitre de ce manuscrit représente une étude dédiée et ciblée. Chaque étude a fait l'objet d'une publication scientifique ou a été présentée lors d'un congrès international.

The Centroid-Moment Tensor (CMT) method allows an optimal point-source description of an earthquake to be recovered from a set of seismic observations, and, for over 30 years, has been routinely applied to determine the location and source mechanism of teleseismically recorded earthquakes. The CMT approach is, however, entirely general: any measurements of seismic displacement fields could, in theory, be used within the CMT inversion formulation, so long as the treatment of the earthquake as a point source is valid for that data. We modify the CMT algorithm to enable a variety of near-field seismic observables to be inverted for the source parameters of an earthquake. The first two data types that we implement are provided by Global Positioning System receivers operating at sampling frequencies of 1,Hz and above. When deployed in the seismic near field, these instruments may be used as long-period-strong-motion seismometers, recording displacement time series that include the static offset. We show that both the displacement waveforms, and static displacements alone, can be used to obtain CMT solutions for moderate-magnitude earthquakes, and that performing analyses using these data may be useful for earthquake early warning. We also investigate using waveform recordings - made by conventional seismometers deployed at the surface, or by geophone arrays placed in boreholes - to determine CMT solutions, and their uncertainties, for microearthquakes induced by hydraulic fracturing. A similar waveform inversion approach could be applied in many other settings where induced seismicity and microseismicity occurs.

Understanding how global ice volume on the Earth has changed is of significant importance to improving our understanding of the climate system. Fortunately, the geographically unique perturbations in sea level that result from rapid changes in the mass of, otherwise difficult to measure, land-ice reservoirs can be used to infer the sources and magnitude of melt water. We explore the history of land-ice mass changes through the effect that these mass fluxes have had on both global and regional gravity and sea-level fields.
Earth and Planetary Sciences

Le Sahel est une région semi-aride caractérisée par un fort gradient bioclimatique et qui est particulièrement sensible à la variabilité des précipitations. Les périodes de très forte sécheresse qui ont sévi sur l'ensemble du Sahel entre les années 1970 et 1980 ont eu des effets dévastateurs sur les écosystèmes, les populations et leurs ressources. La théorie d'une désertification du Sahel a été ravivée, ainsi que celle prédisant une avancée rapide du Sahara sur le reste du continent. Dès les années 1990, l'analyse des premiers indices de végétation satellitaires (NDVI) acquises à l'échelle du globe à une fréquence temporelle journalière a mis en évidence une nette augmentation du NDVI depuis les années 1980. On parle alors de reverdissement du Sahel. L'objectif de cette thèse est de faire la part de ce reverdissement et d'une éventuelle dégradation des écosystèmes sahéliens, sur les 30 dernières années. Les indices de végétation satellitaires basés sur les propriétés optiques de la végétation verte sont de "simples estimateurs" de la production annuelle : la validation des tendances de NDVI sur le long-terme nécessite une vérité terrain. De telles données sont très difficiles à acquérir sur des échelles spatiales compatibles avec la résolution des satellites d'observation de la Terre et sur une période de temps permettant l'analyse de tendances temporelles. Dans le cadre du projet AMMA et de projets antérieurs, nous bénéficions de séries longues de masse de la strate herbacée pour deux régions : le Gourma au Mali (1984-2011) et le Fakara au Niger (1994-2011). La confrontation des deux sources de données (NDVI GIMMS-3g et productivité végétale mesurée sur le terrain) montre que le Sahel pastoral du Gourma est marqué par un reverdissement ainsi que par une augmentation de la productivité végétale mesurée in situ. En revanche, le Sud-ouest Nigérien montre une tendance à la baisse de ces deux variables. La cohérence des données de terrain avec les observations satellitaires confirme que le NDVI peut être utilisé comme outil de détection de l'évolution des écosystèmes semi-arides sur de longues périodes de temps. A l'échelle du Sahel, des tendances au reverdissement sont mises en évidence sur la plus grande partie de la région, sur la période 1981-2011. L'analyse du RUE, le rapport de la production par le cumul de pluie, a montré que le reverdissement du Gourma est majoritairement expliqué par le rétablissement des précipitations, et que les écosystèmes sahéliens sont particulièrement résilients aux évènements climatiques extrêmes. Cette résilience, cependant, est surtout mise en évidence pour les sols profonds sableux. Des changements contradictoires sont en effet observés sur la partie du paysage constituée de sols superficiels qui connaissent une augmentation des coefficients de ruissellement et de l'érosion, provoquant parfois une dégradation du couvert végétal. Le reverdissement observé à l'échelle du Gourma doit donc être nuancé par des changements des écosystèmes pouvant toucher une petite portion du paysage (les sols superficiels). Sur le Fakara nigérien, des tendances à la dégradation du couvert herbacé sont mises en évidence par les deux sources de données et ne sont pas expliquées par les précipitations. Les changements d'occupation du sol (augmentation des superficies cultivées, raccourcissement des temps de jachère) peuvent expliquer une diminution de la fertilité du sol et donc de la capacité de production de la région. Nous n'observons donc pas de désertification du Sahel sur les 30 dernières années mais bien une reprise généralisée de la végétation qui suit globalement le rétablissement des précipitations. Cela n'exclut pas que dans certaines régions, ou à l'échelle locale, une dégradation du couvert puisse aussi être observée, comme par exemple sur les sols soumis à une forte érosion ou sur quelques terroirs agricoles, ce qui tend à réconcilier les deux théories.

By studying the frequency domain of seismic signals generated by earthquakes, the source parameters can be recovered, i.e., the seismic moment (M0) and the stress drop (Δσ). This method is an advantage especially since if the source parameters are calculated from the time domain a full waveform inversion is needed, therefore this procedure facilitates the computation. Besides, the moment magnitude (Mw) can be calculated from the seismic moment and, in turn, the local magnitude (ML) can be obtained by using an algorithm that matches different ranges of moment magnitude with their corresponding local magnitude. In the present thesis, small to moderate earthquakes in Northern Sweden have been used to develop a code that calculates the source parameters through the fitting of five different spectral models and, this way, discerns which model obtains the best determination of the parameters. These models have been chosen in a way that we can also extract information about the attenuation. The different models are; the Brune spectral model, Boatwright spectral model, Boatwright spectral model with a fixed fall-off rate, a general form of the spectral model with quality factor equal to 1000 and a general form of the spectral model with quality factor equal to 600. Among these models, the Boatwright model with fixed fall-off rate equal to 2, has been found to give the best fit to the data used in this thesis. This might be due to the regional conditions which are the low attenuation in the crust of northern Fennoscandia and the short hypocentral distances of the studied earthquakes. The earthquakes studied in the present thesis have shown a range of magnitudes from ML 4.2 to -0.2 with radius of an assumed circular fault ranging from 269 m to 66 m.

La sismique réflexion 3D est largement utilisée dans l'industrie pétrolière. Cette méthode d’auscultation du sous-sol fournit des informations sur les structures géologiques et peut être utilisée pour construire des modèles de réservoir. Cependant, les propriétés dérivées des données sismiques 3D (et 2D) ne sont que statiques: elles ne permettent pas d’évaluer ce qui change avec le temps. L'ajout d'une dimension temporelle aux données 3D est obtenue par la répétition des mesures à plusieurs dates séparées de plusieurs mois voire même de plusieurs années. Ainsi, la sismique4D (time-lapse) permet d’appréhender les modifications du sous-sol sur le long terme. Depuis les années 90, cette méthode est utilisée dans le monde entier en mer et à terre. Pour réaliser une surveillance beaucoup plus fréquente (quotidienne), voire continue (quelques heures) du sous-sol, CGG a développé, en collaboration avec Gaz de France (désormais ENGIE) et l’Institut Français du Pétrole (maintenant IFPEN), une solution basée sur des sources et des récepteurs enterrés: SeisMovie. SeisMovie a été initialement conçu pour suivre et cartographier en temps-réel le front de gaz lors des opérations de stockage en couche géologique. Il est aussi utilisé pour observer l’injection de vapeur nécessaire à la production d’huile lourde. Dans cette thèse, nous apportons des contributions à trois défis qui apparaissent lors du traitement des données sismiques issues de ce système. Le premier concerne l'atténuation des variations de proche surface causées par les ondes « fantômes » qui interfèrent avec les ondes primaires. Le second concerne la quantification des modifications du sous-sol en termes de variation de vitesse de propagation et d’impédance acoustique.Le troisième concerne le temps-réel : le traitement doit être au moins aussi rapide que le cycle d’acquisition (quelques heures). En effet l’analyse des données doit permettre aux ingénieurs réservoirs de prendre rapidement des décisions (arrêt de l’injection, diminution de la production). Dans un cadre plus général, il existe des similitudes conceptuelles entre la 3D et la 4D. En 4D, ce sont les acquisitions répétées qui sont comparées entre elles (ou avec une référence). En3D, pendant l’acquisition, les géophysiciens de terrain comparent les points de tir unitaires entre eux afin d’évaluer la qualité des données pour prendre des décisions (reprendre le point de tir, continuer). Dès lors, certains outils 4D temps réel développés pendant cette thèse peuvent être appliqués. Ainsi une toute nouvelle approche appelée TeraMig pour le contrôle qualité automatisé sur le terrain sera également présentée
3D seismic reflection is widely used in the oil industry. This standard subsoil auscultation method provides information on geological structures and can be used to build reservoir models. However, the properties derived from3D (and 2D) seismic data are only static: 3D does not allow to evaluate the changes with calendar time. The addition of a temporal dimension to 3D data is obtained by repeating the measurements at several dates separated by several months or even several years. Thus, 4D seismic (time-lapse) makes it possible to measure and to analyze the changes of the subsoil in the long term. Since the 90s, this method is used worldwide at sea and on land. To carry out a much more frequent monitoring (daily), even continuous (a few hours) of the subsoil, CGG developed, in collaboration with Gazde France (now ENGIE) and Institut Français du Pétrole (now IFPEN), a solution based on buried sources and receptors: SeisMovie. SeisMovie was originally designed to monitor and map the gas front in real time during geological disposal operations. It is also used to observe the steam injection required for heavy oil production. In this thesis, we bring contributions to three challenges arising in the processing of seismic data from this system. The first one concerns the attenuation of near-surface variations caused by "ghost" waves that interfere with primary waves. The second one concerns the quantification of subsurface changes in terms of propagation velocity variation and acoustic impedance.The third one concerns real-time: the data processing must be at least as fast as the acquisition cycle (a few hours). Infact, the analysis of the data must enable the reservoir engineers to make quick decisions (stop of the injection, decreaseof the production). In a more general context, there are conceptual similarities between 3D and 4D. In 4D, the repeated acquisitions are compared with each other (or with a reference). In 3D, during acquisition, field geophysicists compare unitary shot points with each other to assess the quality of the data for decision-making (reshooting, skipping orcontinuing). Therefore, some 4D real-time tools developed during this thesis can be applied. A new approach called TeraMig for automated quality control in the field will also be presented

La neige étant une composante importante du climat terrestre, il convient de l'étudier à l'échelle du globe pour en comprendre son rôle.

Ces travaux visent ainsi à étudier le contenu en information sur le manteau neigeux à l'échelle globale des observations satellites réalisées à partir de différents instruments couvrant différents domaines du spectre électromagnétique (visible, infrarouge et micro-ondes). Des paramètres autres que la neige interférant dans la problématique, il est nécessaire de les déterminer afin d'encadrer leurs influences. Ensuite, on cherchera comment limiter la pollution qu'engendre ces paramètres sur l'information accessible du manteau neigeux, on aura alors recours à ce que l'on appelera des statistiques locales.
Hélas ces statistiques locales ne sont pas disponibles sur l'ensemble du globe. Il est donc inévitable d'utiliser la modélisation pour permettre l'interpolation. Toutefois, une méthode originale d'ajustement de modèle par analyse en composantes principales sera présentée. Au final, la synergie entre les observations satellites, la modélisation et les mesures in situ devra être utilisée pour extraire de façon optimale l'information contenu dans les données et permettre l'inversion de l'épaisseur de neige à grande échelle.
D'autre part, il sera intéressant de caractériser les différents types de neiges existants selon une classification non-supervisée des observations satellites afin d'extraire les similitudes et les spécificités de chacun de ces types.

Afin d'étudier la dynamique du noyau terrestre, nous reconstruisons les mouvements à la surface du noyau liquide compatibles avec les observations du champ magnétique. La similitude des mouvements obtenus par deux méthodes indépendantes et les résultats de tests synthétiques confirment la pertinence de ces reconstructions. Deux types d'observations sont utilisées : des observations terrestres couvrant la période 1590-1990 et des observations satellitaires haute-résolution récentes. Une série temporelle des mouvements
historiques et un modèle détaillé des mouvements actuels sont obtenus. L'estimation des marges d'erreurs associées permet d'identifier les structures fiables. Nos reconstructions sont en accord avec différents phénomènes mis en évidence par des modélisations 3D du noyau. Nous montrons aussi que les jerks géomagnétiques ont une signature dynamique très nette. Enfin, nous posons les bases d'une méthode d'assimilation variationnelle de données adaptée à l'étude du noyau.

La redistribution temporelle et spatiale des masses environnementales déforment la surface de la Terre. Ces déformations sont observables par des techniques de géodésie spatiale telles que le GNSS. Depuis que les produits d'orbite et d'horloge très précis de l'IGS sont disponibles, que des algorithmes sophistiqués ont été développés, l'iPPP a ouvert une nouvelle ère pour l'analyse du GNSS et pour son application dans les études géophysiques. Ce travail fait partie des premières études pour analyser les différents effets de surcharge, en utilisant des séries temporelles de positionnement, en particulier avec le logiciel GINS-PC et les nouveaux produits d'orbite et d'horloge REPRO2 du GRGS (GR2). Nous visons à exploiter les positions sub-diurnes d'iPPP pour étudier divers effets de déformation de la Terre à différentes échelles de temps: sub-diurne à saisonniers et annuels. Notre objectif est de contribuer à la validation des modèles géophysiques, à l'observation des différents phénomènes non-maréaux, mais aussi de présenter la performance du mode iPPP et du logiciel GINS-PC. Ce dernier est un outil puissant pour les applications géodynamiques, qui permet d'étudier l'influence des effets de surcharge sur l'interprétation géodésique des séries temporelles. Après un aperçu des principales déformations de la surface de la Terre, nous présentons les techniques de géodésie qui ont déjà démontré leur potentiel dans l'analyse de déformation, en particulier dans les études de déformation de surcharge. Nous présentons ensuite la technique de GNSS et le mode de traitement iPPP que nous utilisons pour l'analyse des données. Nous montrons ensuite les résultats de deux études régionales. La première analyse étudie l'influence des effets de surcharge sur la détermination des vitesses tectoniques dans la chaîne des Pyrénées à partir de campagnes GNSS espacées dans le temps. Le deuxième cas d'étude tente de suivre l'évolution spatiale et temporelle des déformations induites par un événement de tempête extrême, à savoir la tempête Xynthia qui a eu lieu en France en 2010. Cette étude tente également d'identifier la réponse dynamique de l'océan pour le système de basse pression atmosphérique se déplaçant rapidement en utilisant des séries temporelles sub-diurnes. Enfin, nous allons vers une étude globale qui pose les bases pour de futures recherches
The temporal and spatial redistribution of the environmental masses deform the surface of the Earth. These deformations are observable by space geodetic techniques such as GNSS. Since highly accurate IGS satellite and clock data are available and sophisticated algorithms have been developped, the integer fixed ambiguity Precise Point Positioning (iPPP) method opened a new era for the Global Navigation Satellite System (GNSS) analysis and its application in geophysical studies. This work is among the first studies to investigate the different loading effects using iPPP time series, particularly using the GINS-PC software and the new, reprocessed REPRO2 orbit and clock products of GRGS (GR2). We aim to exploit the sub-daily iPPP time series to study various Earth deformation effects at different time scales, from sub-daily to seasonal and annual periods. Our goal is to contribute to the validation of geophysical models, to the observation of the various non-tidal phenomena, as well as the presentation of the performance of the iPPP mode and the GINS-PC package that is a powerful tool for geodynamical applications, and to investigate the influence of the loading effects on geodetic time series interpretation. After an overview of the main deformations of the Earth's surface, we present the geodetic techniques that already demonstrated their potential in deformation analysis, in particular in loading deformation studies. We then review the GNSS technique and the iPPP processing mode as it was our choice for the data analysis. We then demonstrate two regional studies. The first one investigates the influence of the loading effects on GNSS campaign to determine tectonic velocities in the Pyrenees mountain chain. The second case study attempts to track the spatial and temporal evolution of an extreme storm event, the Xynthia windstorm that occured in France, in 2010. This study also tries to identify the ocean's response to the fast moving low pressure system using sub-daily iPPP time series. Finally we go towards a global study which gives base for future research

A novel observational method for studying internal features in the coastal ocean is devel- oped and tested in a study of large nonlinear internal solitary-like waves. Observations were carried out in the southern Strait of Georgia in the summers of 2001 and 2002. By quantitatively combining photogrammetrically rectified oblique photo images from a circling aircraft with water column data we track a number of internal wave packets for periods of up to one hour and obtain a more complete view of internal waves, including propagation, oblique interaction, and generation. First, the applicability of various weakly nonlinear theories in modeling propagation of these large waves is tested. Both two-layer and continuous linear, KdV (Korteweg-de Vries), and BO (Benjamin-Ono) models are applied with and without background shear currents. After background shear currents are included, it is found that a continuously stratified BO equation can be used to model propagation speeds within ob- servational error, and that this is not true for other theories. Second, four observed oblique wave-wave interactions including two Mach interactions, one interaction which varied from known interaction patterns, and one very shallow angle regular interaction are analyzed. An existing small-amplitude theory is applied but is found to overestimate the likelihood of Mach interaction at large amplitude. Finally, large-scale aerial surveys are mapped. Using speeds typical of observed waves, their time and place of origin are predicted. It is found that the observed waves are generated at the passes to the south of the Strait of Georgia and are released into the Strait after ebb tides.

Les Champs Phlégréens, situés dans la métropole napolitaine (Italie du sud), forment l’une des plus grandes structures volcaniques au monde. Depuis 1950, ce complexe volcanique manifeste un regain d’activité, qui s’est amplifié au cours de la dernière décennie. Cette accélération s’exprime au travers d’une intensification de la sismicité, de la déformation du sol ainsi qu’une extension de la zone de dégazage. L’ensemble des récentes études s’accorde à dire que le système s’achemine actuellement vers un point critique, sans toutefois pouvoir préciser quand et où pourrait avoir lieu une éventuelle éruption. Cette difficulté à prédire l’état réel du système est principalement associée à la présence d’un système hydrothermal relativement développé. Aux Champs Phlégréens, il est en effet difficile de déconvoluer les signaux provenant du forçage magmatique de ceux résultant de la réponse hydrothermale. L’objectif de cette thèse est donc d’améliorer les connaissances actuelles du système hydrothermal superficiel du volcan de la Solfatara, lieu où se concentre actuellement la reprise d’activité. Pour cela, une approche multidisciplinaire a été menée en deux phases : l’imagerie géophysique du volcan puis la modélisation de son système hydrothermal.La tomographie haute-résolution de résistivité électrique 3-D du cratère a permis de reconnaître les principales formations géologiques et leurs connexions avec les structures et écoulements hydrothermaux. L’interprétation du modèle de résistivité électrique a été réalisée grâce à un ensemble de mesures superficielles complémentaires : flux de CO2, température, potentiel spontané, capacité d’échange cationique et pH du sol. Deux panaches à dominante liquide ont été identifiés : la mare de boue de la Fangaia et la fumerole de Pisciarelli. À la Fangaia, une étude conjointe des modèles de résistivité électrique et de vitesses du sous-sol (obtenues par l’INGV) établit la présence de forts gradients, à la frontière entre panache hydrothermal et zone de dégazage diffus. Au niveau du principal secteur fumerolien, le modèle de résistivité électrique et la localisation des sources acoustiques révèlent clairement l’anatomie d’une zone fumerolienne. Deux conduits séparés, saturés en gaz, alimentent les fumeroles de Bocca Grande et de Bocca Nuova, depuis un même réservoir de gaz situé à ~50 mètres de profondeur. L’intense dégazage diffus produit à proximité de ces fumeroles occasionne la condensation de vapeur. Le modèle de résistivité électrique met en évidence la circulation souterraine de cet important volume d’eau, canalisée à l’intérieur d’une zone fracturée.En utilisant l’ensemble de ces informations structurelles, un modèle thermodynamique des écoulements multiphasiques de la principale zone fumerolienne a été réalisé. Ce modèle reproduit fidèlement les observables des fumeroles : température, flux et rapport CO2/H2O. Il valide l’imagerie géophysique et confirme l’interaction entre la circulation d’eau de condensation et l’un des conduits fumeroliens. Ainsi, cette simulation explique, pour la première fois par un effet d’interaction superficiel, les différentes signatures géochimiques des deux fumeroles : Bocca Nuova et Bocca Grande. L’approche multidisciplinaire, employée dans cette thèse, constitue une nouvelle étape vers une meilleure connaissance des interactions hydrothermales. Celles-ci doivent être prise en compte dans l’objectif de réaliser des modélisations dynamiques précises permettant d’appréhender in fine l’état réel du système volcanique
The Campi Flegrei caldera is located in the metropolitan area of Naples (Italy), and it is one of the largest volcanic systems on Earth. Since 1950, this volcanic complex shows significant unrest, which accelerated over the last decade with a rise in the seismic activity, ground deformation, and the extent of the degassing area. Recent studies indicate that the volcanic system is potentially moving toward a critical state, although their authors remain unable to point out when and where a possible eruption could take place. The difficulty of predicting the real volcanic state is here mainly related to the hydrothermal system. Indeed, at the Campi Flegrei, it is difficult to separate the magmatic input signal from the hydrothermal response. Hence, the aim of this thesis is to improve our knowledge on the shallow hydrothermal system of the Solfatara volcano, where most of the renewal activity takes place. A multidisciplinary approach has been performed in two steps: first a geophysical imagery of the volcano and second the modeling of its hydrothermal system.The 3-D electrical resistivity tomography of the crater allows to recognize the main geological units, and their connection with hydrothermal fluid flow features. The interpretation of the resistivity model has been realized thanks to numerous soil complementary measurements: CO2 flux, temperature, self-potential, Cation Exchange Capacity and pH. We identify two liquid-dominated plumes: the Fangaia mud pool and the Pisciarelli fumarole. In the Fangaia area, the comparison between electrical resistivity and velocity models reveals strong gradients related to a sharp transition at the border between the hydrothermal plume and the high diffuse degassing region. Combining electrical resistivity model with hydrothermal tremor sources localization reveal the anatomy of the main fumarolic area. Two separated conduits, gas-saturated, feed the two fumaroles Bocca Grande and Bocca Nuova. These conduits originate from the same gas reservoir located 60 m below the surface. The intense degassing activity, produced in the vicinity of fumaroles, creates large amounts of vapor condensation. The resistivity model reveals this condensate circulation, within a fractured area.All these results are incorporated into a multiphase flow model of the main fumarolic area. The simulation accurately reproduces the fumaroles observables: temperature, flux and CO2/H2O ratio. The model validates the geophysical imagery and confirms the interaction between Bocca Nuova fumarolic conduit and the condensate flow. Hence, this simulation explains for the first time the distinct geochemical signature of the two fumaroles due to a shallow water-interaction. The multidisciplinary approach performed in this thesis constitutes a new step toward a better understanding of hydrothermal interactions. Those phenomena have to be taken into account in order to perform dynamic modelling, and thus apprehend the real state of the volcanic system

In this thesis I use Interferometric Synthetic Aperture Radar (InSAR) and GPS geodetic observations, along with numerical models, to examine the distribution of strain, assess seismic hazard, and study the dynamics of deformation across Turkey and Iran. I measure interseismic strain accumulation across the Ashkabad fault using InSAR, and find that atmospheric corrections using MERIS (Medium Resolution Imaging Spectrometer) data are necessary in order to retrieve the tectonic signal in the presence of large atmospheric delays. I estimate a slip rate of 5-12 mm/yr for the Ashkabad fault which is faster than previous geodetic estimates. I also attempt to validate atmospheric corrections derived from the ERA-Interim numerical weather model and find that they do not work satisfactorily for this region. I produce InSAR-derived velocity maps for five overlapping tracks in Eastern Turkey, covering both the North Anatolian Fault (NAF) and East Anatolian Fault (EAF), and measure slip rates for the NAF and EAF of 20+/-3 mm/yr and 10+/-2 mm/yr respectively. I calculate a velocity field for Eastern Turkey from these InSAR data and a compilation of GPS data, and find that strain is mainly localised across the NAF and EAF and that there is negligible differential vertical motion across the Anatolian Plateau. I construct a thin viscous sheet model for Iran and find that the GPS velocity field is well described by deformation of a ductile lithosphere. Contrary to previous suggestions, a rigid central Iran is not required to match the kinematics of Iranian deformation, but buoyancy forces acting in the lithosphere are found to play an important role. I develop a new method to assess slip rates and therefore seismic hazard on major faults in Iran from this continuum model. In this thesis I have measured slip rates across three major strike-slip faults using InSAR; the first time this has been achieved for the Ashkabad fault and the EAF. I have demonstrated the importance of atmospheric correction for these results, and have shown that Iran deforms as a continuous medium.

Cette thèse porte sur les possibilités que les méthodes d’imagerie géoélectrique offrent à la fois pour la caractérisation des processus géochimiques mais aussi pour l’étude d’interaction sol-racines. La ligne conductrice de ce travail, repose sur la position centrale de la qualité des sols et des interactions racines-sols dans de nombreux problèmes environnementaux. En effet, un nombre croissant d’études rapportent l’importance des interactions mutuelles entre les racines et le sol. Dans cette optique, cette thèse explore l’utilisation le développements approfondis de méthodes géoélectriques. Les processus physico-chimiques ainsi que les interaction sol-racines sont à l’origine de mouvement d’eau et de soluté, d’altération de la structure des sols ainsi que de perturbations biologiques. Les méthodes géoélectriques sont potentiellement sensibles à ces modifications hydrologique et biochimique. La méthode de Polarisation Provoquée Spectrale (PPS) a été combinée avec des analyses et des modélisations géochimiques permettant de connaitre sa sensibilité à la composition du fluide interstitiel (contenu dans l’espace poral), du pH et de la force ionique. Plus particulièrement, la signature PPS de la substitution Na+/Cu2+ a été analysée car il s’agit d’un critère pertinent traduisant la qualité d’un sol et reconnu mondialement. L’analyse PPS a été réalisée sur un sable (silicate) saturé et pour des concentrations typiques de Na+/Cu2+ que l’on trouve classiquement dans des sols exposés à des utilisations de pesticides au Cuivre (Cu). Les résultats ont montré que le pH et la force ionique ont été les variables prépondérantes contrôlant le signal PPS, alors que des effets négligeables sont liés à la substitution Cu/Na. L’utilisation simultanée d’analyses chimiques et géophysiques en laboratoire a permis de mieux caractériser les processus de complexation étudiés et d’appuyer considérablement l’interprétation des signaux PPS. Enfin, la tomographie de résistivité électrique et la méthode de Mise-A-La-Masse ont été combinées pour développer une nouvelle approche d'imagerie du chemin préférentiel emprunté par le courant électrique dans le système racines-sols. Etant donné que la conduction électrique dans le sol et les racines est principalement électrolytique, l'approche proposée repose sur le mouvement de l'eau et des solutés dans le système racines-sol. Le potentiel de la méthode pour son application in-situ a été testée à l’aide d’une série d’expériences sur une vigne. À la suite des résultats prometteurs, la méthode a été développée et appliquée lors d’une expérience en laboratoire portant sur la croissance racinaire dans un rhizotron de plantes de coton et de maïs. La méthode s'est révélée sensible aux différences physiologiques entre les espèces et éventuellement à la réponse de la plante aux facteurs de stress environnementaux. De nouvelles expériences contrôlant les variables physiologiques des tissus racinaires sont nécessaires pour une meilleure compréhension de leurs influences. Les développements technologiques récents soutiennent fortement la diffusion de l’imagerie et du suivi géoélectriques à l'échelle du terrain. Dans ce contexte prometteur, les résultats de cette thèse contribuent au développement d'approches géoélectriques pour l'étude du sol et de ses interactions mutuelles avec les racines des plantes à des échelles spatio-temporelles pertinentes
In this thesis I investigate some of the possibilities offered by the use of geoelectrical methods for characterizing soil geochemical processes and root-soil interactions. The motivation for this thesis arises from the pivotal role of soil quality and root-soil interactions in manifold environmental issues. In addition, there is growing evidence of the importance of mutual interactions between roots and soil, for this reason this thesis explores the use of geoelectrical methods for more comprehensive approaches. Both soil physicochemical processes and root-soil interactions involve, among others, the movement of water and solutes, altercations of the soil structure, and biological feedbacks. Geoelectrical methods are potentially sensitivity to these hydrogeological and biogeochemical modifications. The Spectral Induced Polarization (SIP) method was combined with geochemical analyses and modeling in order to investigate its sensitivity to pore fluid composition, pH, and ionic strength. In particular, the SIP signature of Na+/Cu2+ substitution was investigated because of their worldwide relevance for soil quality. The SIP investigation focused on saturated silica, and explored concentrations of Na+ and Cu2+ that are typical to agricultural soils exposed to the use of Cu pesticides. The results showed how pH and ionic strength were the main variables controlling the SIP signals, while negligible effects were related to the Cu/Na substitution. The concurrent use of chemical and geophysical laboratory experiments allowed a better characterization of the investigated complexation processes and significantly supported the interpretation of the SIP signals. The Electrical Resistivity Tomography and the Mise-A-La-Masse methods were combined to develop a novel approach for imaging the electric current pathways in the root-soil system. Since the current conduction in soil and roots is mostly electrolytic, the proposed approach relates to the movement of water and solutes within the root-soil system. The potential of the method for field investigations was explored with a set of experiments on a grapevine. In light of the promising results, the method was further developed and applied to rhizotron laboratory experiments on cotton and maize plants. The method proved to be sensitive to inter-species physiological differences and possibly to the plant response to environmental stressors. New experiments with physiological analyses of root tissues are needed to elucidate these aspects. Emerging technologies are strongly supporting to the diffusion of imaging and monitoring geoelectrical applications at the field-scale. In this promising context, the results of this thesis contribute to the development of geoelectrical approaches for studying soil and its mutual interactions with plant roots over relevant spatiotemporal scales

Dans le cadre de la mission spatiale SMOS (Soil Moisture and Ocean Salinity), nous présentons dans cette thèse une nouvelle approche numérique de modélisation du calcul de l'émissivité et du coefficient bi-statique de systèmes forestiers sol-litière en Bande L. Le système sol-litière est représenté par deux couches diélectriques 3D comportant des interfaces rugueuses, une démarche qui n'apparait pas actuellement dans la littérature. Nous validons notre approche pour une seule couche en comparant les simulations de l'émissivité avec celles produites par la méthode des moments et des données expérimentales. A partir de ce nouveau modèle, nous évaluons la sensibilité de l'émissivité du système sol-litière en fonction de l'humidité et de la rugosité de la litière. Ce nouveau modèle permettra de créer une base de données synthétiques d'émissivités calculées en fonction de nombreux paramètres qui contribuera à améliorer la prise en compte de la litière dans l'algorithme d'inversion des données de la mission spatiale SMOS.

Les facteurs de contrôle (prédisposition, déclenchement) des glissements de terrain, leurs mécanismes et leurs comportements cinématiques peuvent être extrêmement hétérogènes et interagir sur des constantes de temps très variées. De nombreuses lacunes existent dans l'évaluation de l'aléa associé à ces processus, en particulier pour les glissements lents qui peuvent évoluer en coulées rapides. Les glissements-coulées présentent en effet des comportements très variables dans le temps et dans l'espace caractérisés par un large spectre de vitesses de déplacement (de moins de un centimètre par jour à plusieurs mètres par jour) et la présence de discontinuités et de grandes hétérogénéités dans la répartition de leurs propriétés pétro-physiques. Les techniques d'observation et d'investigation classiques permettent d'obtenir des informations ponctuelles qui ne sont pas suffisantes pour quantifier ces variabilités spatiales et temporelles. Une des conséquences est que, bien souvent, les modèles numériques de glissement ne sont calés et validés que sur un nombre limité d'observations in-situ. Les développements récents en imagerie géophysique multi-paramètres ont permis de progresser dans l'acquisition directe et indirecte de données sur la déformation (photogrammétrie, corrélation d'images, scanner laser) et les paramètres pétro-physiques (tomographie électrique et sismique réfraction). Malgré une précision souvent inférieure à celles des techniques classiques, elles ont l'avantage de fournir des informations multi-échelles et distribuées spatialement. Combiner ces informations spatiales à celles obtenues par les techniques classiques (GPS, extensométrie, piézométrie, géotechnique) et les intégrer dans un modèle conceptuel cohérent pour la modélisation numérique constitue une difficulté majeure. Des travaux scientifiques ont été engagés en combinant différentes approches issues d'observations de terrain (géomorphologie, géologie) et de données instrumentales (hydrogéophysique, photogrammétrie, scanner laser). L'objectif est de développer des méthodologies permettant de déterminer spatialement les différentes caractéristiques majeures des glissement-coulées (structuration interne, comportement hydrologique, comportement cinématique, mécanisme de déformation). Un modèle conceptuel de fonctionnement et des modélisations du comportement hydro-mécanique des glissements-coulées avec les codes Z-Soil et Slow-Mov sont proposés. Les sites d'étude retenus pour notre analyse sont les glissements-coulées marneux de Super-Sauze et de La Valette dans le Bassin de Barcelonnette (Alpes-de-Haute-Provence). Les travaux de recherche sont présentés en quatre parties dont les objectifs sont : 1. De caractériser la structuration interne et la géométrie 3D des glissement-coulées à l'aide de données géophysiques, géotechniques et géomorphologiques ; 2. De proposer un modèle conceptuel hydrologique de la zone non saturée par suivi temporel et spatial de résistivités électriques et par l'analyse de données piézométriques ; 3. De caractériser la cinématique des glissements-coulées à partir de plateformes terrestres de télédétection (photogrammétrie et scanner laser) combinées à des plateformes aériennes et à des suivis par GPS différentiel ; 4. D'identifier des seuils de modifications de régimes hydrologiques et cinématiques par la modélisation numérique. Les résultats soulignent le vaste champ d'application des principales techniques d'imagerie pour l'investigation des glissement-coulées et permettent de définir leurs limites d'utilisation. Des études futures devraient permettre de développer ces différentes méthodologies à des fins opérationnelles de surveillance et pour améliorer les capacités de prédiction de l'aléa.

Afin de cartographier la structure souterraine des volcans et détecter des ressources géothermiques de haute température, on utilise souvent l’imagerie de résistivité électrique. La résistivité électrique des volcans est affectée par plusieurs facteurs: volume et salinité de l’eau interstitielle, abondance de minéraux conducteurs, température de la roche et présence de magma. Ce travail de thèse tente de contraindre l'interprétation des structures de résistivité électrique autour des volcans actifs, afin de développer des outils innovants pour l'exploration des ressources géothermiques. La contribution des minéraux conducteurs est au cœur de la thèse: conducteurs ioniques solides (minéraux argileux, en particulier la smectite) ou semi-conducteurs électroniques (pyrite, oxydes de fer), mais l’influence de la porosité, de la salinité, de la température et de la présence de magma est aussi étudiée. La thèse utilise le volcan Krafla comme terrain d’étude pour affiner les interprétations des structures de résistivité électriques, du fait de la disponibilité de carottes, de données, de bibliographie et d’infrastructure. La smectite et la pyrite sont formées par altération hydrothermale des roches volcaniques et témoignent ainsi des convections hydrothermales. Les oxydes de fer en revanche sont plutôt formés lors de la cristallisation du magma et sont dissous lors des circulations hydrothermales. La contribution de la smectite à la conductivité électrique de roches volcaniques, saturées en eau à différentes salinités, est d'abord étudiée en laboratoire (à température ambiante) par spectroscopie d’impédance électrique « résistivité complexe ». Des variations non linéaires de la conductivité électrique à 1 kHz avec la salinité sont observées et discutées. La conduction interfoliaire est suggérée comme un mécanisme important par lequel la smectite conduit le courant électrique. L'influence de la pyrite et des oxydes de fer sur les effets de polarisation provoquée est ensuite analysée en utilisant l'angle de phase de l'impédance, qui dépend de la fréquence. Un angle de phase maximal supérieur à 20 mrad est attribué à la pyrite si la roche est conductrice et aux oxydes de fer si la roche est résistive. L'angle de phase maximal augmente d'environ 22 mrad pour chaque pourcent de pyrite ou d'oxyde de fer. Ces résultats de laboratoire en domaine fréquentiel sont appliqués à l’interprétation de tomographies de résistivité complexe sur le terrain en domaine temporel. Smectite, pyrite et oxydes de fer ont pu être identifiés jusqu'à 200 m de profondeur. La température in-situ, plus élevées qu’en laboratoire, semble augmenter la conductivité de la smectite. De manière générale, la tomographie de résistivité complexe est recommandée comme méthode complémentaire aux sondages électromagnétiques pour l'exploration géothermique
Electromagnetic soundings are widely used to image the underground structure of volcanoes and look for hightemperature geothermal resources. The electrical resistivity of volcanoes is affected by several characteristics of rocks: volume and salinity of pore fluid, abundance of conductive minerals, rock temperature and presence of magma. This thesis aims at improving the interpretation of electrical resistivity structures around active volcanoes, in order to develop innovative tools for the assessment of geothermal resources. I focus on conductive minerals, which can either be solid ionic conductors (clay minerals, in particular smectite) or electronic semi-conductors (pyrite and iron-oxides), but I also investigate the effects of porosity, salinity, temperature and presence of magma. I use Krafla volcano as a laboratory area, where extensive literature, borehole data, core samples, surface soundings and infrastructures are available. Smectite and pyrite are formed upon hydrothermal alteration of volcanic rocks and thus witness hydrothermal convection. On the other hand, iron-oxides are mostly formed during the primary crystallization of magma and dissolved by hydrothermal fluids. The contribution of smectite to the electrical conductivity of volcanic rocks saturated with pore water at different salinity is first investigated in the laboratory (room temperature) by electrical impedance spectroscopy “complex resistivity”. Non-linear variations of the conductivity at 1 kHz with salinity are observed and discussed. Interfoliar conduction is suggested as an important mechanism by which smectite conducts electrical current. The influence of pyrite and iron-oxides on induced polarization effects is then analyzed, using the frequency-dependent phase-angle of the impedance. A maximum phase-angle higher than 20 mrad is attributed to pyrite if the rock is conductive and to ironoxides if the rock is resistive. The maximum phase-angle increases by about 22 mrad for each additional per cent of pyrite or iron-oxide. These laboratory frequency-domain findings are partly upscaled to interpret field time-domain complex resistivity tomography at Krafla: smectite, pyrite and iron-oxides can be identified down to 200 m. The in-situ temperature, higher than in laboratory conditions, appears to significantly increase the conductivity associated to smectite. In general, time-domain complex resistivity measurements are recommended as a complementary method to electromagnetic soundings for geothermal exploration

Дисертацію присвячено еколо-геологічним проблемам, які виникли в районі відпрацьованих шахтних рудників Калуш-Голинського родовища калійних солей. Робота спрямована на виявлення провально-просадкових процесів в межах шахтних полів та забруднення водоносного горизонту відходами гірничовидобувних підприємств з використанням геофізичних методів. Здійснено моніторинг ділянок шахтних полів Калуш-Голи нсь кого родовища із застосуванням геофізичних методів. Показано, що першочерговим методом досліджень має бути метод ПІЕМПЗ, а також продемонстровано ефективність методу для прогнозу розвитку просідань на стадії експрес-інформації. У роботі використано комплексний підхід до застосування геофізичних методів для детального картування зон осідання земної поверхні, провально-просадкових процесів та зон забруднення водоносного горизонту. Для шахтних полів "Калуш", "Ново-Голинь" побудовані просторові моделі та карти критерію провально-просадкової небезпеки, оконтурено та встановлено зони забруднення водоносного горизонту із визначенням швидкості переміщення в бік р. Лімниця.
The thesis is devoted to ecological and geological problems that have arisen in the area of waste mine mines of Kalush-Holyn potassium salt deposit. The aim of the paper is using geophysical methods to detect failure-subsidence processes on mine fields and contamination of the aquifer with the waste materials from mining enterprises. The monitoring of Kalush-Holyn potassium salt deposit mine fields were conducted using geophysical methods. The author shows that NPEMFE method is the most convenient to implement such researches. For the first time the classification characteristics of NPEMFE anomalies were formed and agreed with the causes and characteristics of deformation processes. The author formed the criteria for qualitative interpretation for specific geological situations and demonstrated effectiveness of the method for the prediction of subsidence at the stage of rapid information. Author offers the method of calculating the quantitative characteristics of surface subsidence based on analysis of decompacted rocks recorded by gravimetry in monitoring mode. Options for calculating for both discrete and gradient environments are represented. The results are necessary with regard to their informativity for further substantiation of managerial decisions on further exploitation of research areas. Integrated interpretive model of VES and SFF methods was substantiated in this paper. The author has built general electric section for the separate mine fields of Kalush- Holyn deposit taking into account the development of karst processes. This enabled the correction of geological sections in the specification of the lithological composition of rocks of individual layers that allowed the opportunity to outline the area of distribution of fluid clay and establish the degree of erosion of salt mirror regardless of the filling chambers, namely, to get independent information about subsidence and landslides. The paper presents a comprehensive approach of geophysical methods for detailed mapping of the surface subsidence zones, failure-subsidence processes and contaminated zones of the aquifer. Spatial models and criterion failure maps of failure-subsidence danger were built for the mine fields "Kalush” and "Novo Holyn", contaminated zones of the aquifer were delineated and defined with the determination of velocity toward the river Limnytsya.

Le suivi de la déformation de la croûte terrestre durant la phase intersismique pour la recherche des transitoires nécessite des instruments précis capables d'opérer pour de très longues durées. Le projet ANR-LINES a visé le développement de trois nouveaux instruments : un sismomètre mono-axial, un inclinomètre hydrostatique à longue base et un inclinomètre de forage pendulaire. Ces trois instruments profitent d'un capteur interférométrique de déplacement à longues fibres optiques du type Fabry-Pérot Extrinsèque (EFFPI). Leurs architectures mécaniques et l'utilisation de longues fibres permettent à ces instruments géophysiques nouvellement fabriqués d'atteindre les objectifs fixés. Le premier objectif de cette étude est de proposer des méthodes adaptées à l'estimation de la phase du chemin optique dans les cavités Fabry-Pérot. Une modulation du courant de la diode laser, suivie par une démodulation homodyne du signal d'interférence et un filtre de Kalman permettent de déterminer la phase en temps réel. Les résultats sont convaincants pour des mesures de courtes durées mais exigent des solutions complémentaires pour se prémunir des effets de la variation des phénomènes environnementaux. Le capteur EFFPI intégré dans l'inclinomètre de forage LINES lui offre l'opportunité d'établir une mesure différentielle de l'oscillation de la masselotte pendulée grâce à trois cavités Fabry-Pérot. Le sismomètre LINES utilise lui aussi le capteur de déplacement EFFPI pour la mesure du déplacement de sa bobine. Une description de l'architecture mécanique de ces instruments et une analyse des phénomènes détectés (mouvements lents, marées, séismes, microséismes . . . ) font partie de cette thèse.

Les outils de la géodésie spatiale sont aujourd'hui très fortement impliqués dans les études géophysiques. Le champ de déformations horizontales d'un site d'étude est fourni par les vecteurs déplacement ou par un champ tensoriel. Ce dernier possède l'avantage d'être indépendant de tout référentiel, contrairement à ce qui est nécessaire pour exprimer les vecteurs vitesse. Néanmoins, les méthodes de calcul de tenseurs dépendent souvent d'une décomposition arbitraire en figures élémentaires à partir des points de mesures géodésiques. De plus, la représentation de ces tenseurs selon leurs axes principaux est d'une lecture et d'une interprétation assez difficiles et nécessitent un certain entraînement. Cette thèse traite, dans un premier temps, le problème de fournir un champ continu de déformations sous la forme des tenseurs régulièrement répartis, de façon peu dépendante des points de mesure, et dans un deuxième temps, de fournir une représentation cartographique intuitive de ces tenseurs avec, pour la première fois, une représentation simultanée de leur degré de significativité. L'estimation des incertitudes de la déformation obtenue est analysée selon deux points de vue : d'une part, une méthode de Monte Carlo est appliquée pour la détermination des barres d'erreurs liées aux mesures, son résultat permet le calcul de degré de significativité des tenseurs par comparaison des valeurs de tenseurs par rapport à leurs incertitudes, et d'autre part, une estimation des contraintes imposées par la géométrie de distribution des points de mesures qui est ensuite combinée avec la première source d'erreur. La nouvelle approche de représentation a été analysée via une enquête auprès d'un groupe de géophysiciens, en leur fournissant plusieurs possibilités de représentations. En se basant sur les résultats de cette enquête, nous avons pu valider la nouvelle représentation qui permet de mettre en évidence certains aspects mal mis en évidence par la représentation classique, et donc le choix des éléments graphiques de la carte permettant de fournir la représentation la plus intuitive possible
Space geodesy tools are now strongly involved in geophysical studies. The horizontal deformation field for a region of interest is provided by two main methods : a velocity field and a strain tensor field. A strain tensors field solution has the advantage of being independent of the reference frame in which the velocities are expressed. Nevertheless, the current methods of calculation of a strain tensors field depend on the positioning of geodetic points. Furthermore, the current mapping method of tensors by their mains axis is not easy to read and to interpret, needing some training. This thesis is devoted to the problem of calculating a continuous field of regularly spaced strain tensors, and providing an intuitive mapping method of these tensors with a simultaneous representation of their significance level on the same map. The estimation of uncertainties related to the deformation field is made in two steps : firstly, a Monte Carlo method is applied for the calculation of uncertainties related to the measurements, its results allow to define the significance level of tensors by normalizing tensor's values with respect to their related uncertainties, then, the constraints coming from the distribution of the network of measurement points are calculated and combined with the first source of error. The new approach of mapping tensors was analyzed through an opinion survey by providing several possibilities of representation. The results of this opinion survey allowed us to validate this new mapping method by geophysicists for representing a deformation field, because it allows highlighting some aspects not well illustrated by the classical mapping method of tensors, and therefore choosing the graphical elements of the map which provide the best intuitive method of mapping a strain tensors field

L’érosion des édifices volcaniques résulte d’une série de processus géomorphologiques qui se produisent pendant, avant ou sans éruption. Ce processus implique également le terme « lahar » qui décrit un écoulement rapide de la zone sommitale vers l’aval amenant des matériaux volcaniques mélangés à de l’eau avec une évolution de la dynamique d’écoulement dans l’espace et dans le temps. L’érosion des édifices volcaniques est encore mal connue, particulièrement en raison de la difficulté d’acquisition de données sur le terrain. Pourtant, les lahars ont causé à eux seuls au moins 44 250 morts de 1600 à 2010 dont 52 % à cause d’un seul évènement en 1985 (Nevado del Ruiz, Colombie). Cette étude propose une approche multiscalaire pour mieux comprendre la nature de l’érosion des édifices volcaniques sur le déclenchement et la dynamique des lahars. L’éruption du volcan Merapi (Indonésie) en2010 fut l’occasion de produire de nouvelles données de terrain. La première partie de la thèse, relative au déclenchement des lahars, repose sur des données de terrain et des expérimentations en laboratoire. Le travail de terrain avait pour but de comparer un bassin versant bouleversé par l’éruption de 2010 et un autre bassin versant non bouleversé, par le biais d’observations in-situ et d’instrumentation de terrain. En laboratoire, l’approche expérimentale fut réalisée en utilisant 8 scénarios différents sur un plan incliné. La deuxième partie, liée à la dynamique des lahars en mouvement, fut étudiée à partir du couplage vidéo signaux sismiques. Les dépôts liés à ces lahars furent également analysés et mis en regard de la chronologie des écoulements. Trois ans après l’éruption du Merapi en 2010, les lahars se sont raréfiés. Cependant, les dépôts de cendres juvéniles issues d’une autre éruption d’un volcan voisin (Kelud à Java Est) eurent comme résultat une augmentation significative du nombre de lahars à partir de février 2014. Le déclenchement des lahars fut également favorisé par des glissements de terrain connectés aux thalwegs, comme celui produit dans la nuit du 6 au 7 décembre 2012, que nous avons étudié en détail. La dynamique des deux lahars observés et filmés les 28 février et 18 mars 2014 fut divisée en 4 phases : (1) écoulement hyperconcentré, (2) pic de coulée de débris, (3) corps du lahar, (4) queue du lahar. L’analyse vidéo et l’observation in-situ sur les lahars en mouvement a permis de créer des hydrogrammes détaillés indiquant la profondeur, la vitesse, le débit et le nombre des blocs métriques flottés. La dynamique des lahars sur les différentes topographies du chenal a provoqué une fréquence sismique très différente. La formation des dépôts de lahars fut corrélée à la dynamique des écoulements et nécessita une observation in-situ pour la validation d’interprétation
The erosion of volcanic edifices is a series of geomorphological processes that occurs during, before or without eruption. This process also involves the term "lahar" which is characterized by dense mixtures of volcanic materials and water, rapidly flowing from a volcano with important spatio-temporal rheological changes. The erosion of volcanic edifices is still poorly understood, particularly because data collection in the field is difficult. However, lahars have caused at least 44,250 deaths from 1600 to 2010 of which 52%due to a single event in 1985 (Nevado del Ruiz, Colombia).This study proposes a multi-scalar approach to better understand the nature of the erosion of volcanic edifices, especially on lahar initiation process and dynamics. The eruption of the Merapi volcano(Indonesia) in 2010 was an opportunity to produce new data. The first part of this thesis focused on the lahar initiation process, was based on field data and laboratory experiments. The field work was intended to compare a volcanically disturbed watershed by the eruption of 2010 and an undisturbed watershed, by conducting in-situ observations and field instrumentation. In the laboratory, an experimental approach was performed using 8 different scenarios on a flume. The second part of the thesis related to the dynamics of two lahars in motion was conducted using coupling between video footage and seismic signal. Lahar deposits were also analyzed based on the chronology of the flows. Three years after the eruption of Merapi in 2010, the frequency of lahar occurrence decreased. However, juvenile ash fall deposits (volcanic ash) from another eruption of a nearby volcano (Kelud in East Java) in February 2014 resulted a significant increase of lahars occurrence. Lahars triggering process was also favored by a landslides occurring in the night of 6 to 7 December 2012, of which the deposit was connected to the thalweg. The dynamics of the two lahars were observed and filmed on 28 February and18 March 2014. Those lahars were divided into four phases: (1) hyperconcentrated flow, (2) the peak of debris flow, (3) lahar body, and (4) lahar tail. Video analysis and in-situ observation on active lahars allowed us to create detailed hydrographs indicating flow depth, velocity, discharge and the number of floated boulders. Lahar dynamics on different topography of the channel caused a very different seismic frequency. The formation of lahar deposits was correlated with the flow dynamics and required an in-situ observation for the validation of the interpretation
Erosi kerucut vulkanik merupakan hasil dari serangkaian proses geomorfologi yang terjadi baik selama,sebelum atau tanpa erupsi. Proses ini juga melibatkan "lahar" yang didefinisikan sebagai aliran cepat daridaerah puncak gunung menuju hilir dengan membawa material vulkanik yang bercampur dengan airdimana dinamika alirannya terus berubah secara spasial dan temporal. Erosi struktur vulkanik masihsedikit ditelaah, terutama karena sulitnya pengumpulan data di lapangan. Padahal, lahar telahmenyebabkan setidaknya 44.250 kematian dari tahun 1600 sampai 2010, dimana 52% -nya terkait denganbencana pada tahun 1985 di gunung Nevado del Ruiz (Kolombia).Penelitian ini mengusulkan pendekatan multi-skalar untuk lebih memahami karakteristik erosi kerucutvulkanik terutama yang terkait dengan pemicu dan dinamika aliran lahar. Letusan Gunung Merapi(Indonesia) pada tahun 2010 memberikan kesempatan untuk menghasilkan data lapangan baru. Bagianpertama dari disertasi ini, mengenai pemicu lahar, dilakukan berdasarkan data lapangan dan experimenlaboratorium. Kegiatan lapangan dimaksudkan untuk membandingkan DAS yang terdampak oleh letusan2010 dan DAS alami, melalui pengamatan in-situ dan instrumentasi lapangan. Di laboratorium,pendekatan eksperimental dilakukan dengan menggunakan 8 skenario yang berbeda pada flume. Bagiankedua dari disertasi ini berkaitan dengan dinamika aliran lahar aktif yang dipelajari dari perpaduanrekaman video dan sinyal seismik. Proses sedimentasi juga dianalisis dengan dipertimbangkan kronologialiran lahar.Tiga tahun setelah letusan Merapi pada tahun 2010, frekuensi kejadian lahar berkurang. Namun,sedimentasi abu vulkanik yang berasal dari gunung api lain (Kelud di Jawa Timur) telah mengakibatkanpeningkatan jumlah lahar yang signifikan sejak Februari 2014. Pembentukan lahar juga dipicu oleh tanahlongsor yang terjadi pada pada malam 6 menuju 7 Desember 2012 dimana materialnya terhubunglangsung ke thalweg. Dinamika dua aliran lahar diamati dan difilmkan pada tanggal 28 Februari dan 18Maret 2014. Lahar tersebut dibagi menjadi empat fase: (1) aliran hyperconcentrated, (2) puncak alirandebris, (3) tubuh lahar, (4) ekor lahar. Analisis video dan pengamatan in-situ pada lahar aktif sangatmembantu pembuatan hidrograf secara rinci terkait dengan kedalaman aliran, kecepatan, debit dan jumlahbatu yang terapung. Dinamika lahar pada topografi sungai yang berbeda menimbulkan frekuensi seismikyang sangat berbeda. Proses sedimentasi lahar sangat berkaitan dengan dinamika aliran lahar dandiperlukan pengamatan in-situ untuk memvalidasi interpretasi yang dibuat
La erosión de los edificios volcánicos es el resultado de una serie de procesos geomorfológicos que ocurre durante, antes o sin erupción. Este proceso también involucra el término "lahar", un flujo rápido de la cumbre de volcán hacia el rio que contiene una mezcla de materiales volcánicos y agua con cambio espacial y temporal. La erosión de los edificios volcánicos aún es poco estudiado debido a las dificultades para la obtención de los datos en el campo y además es peligroso. Mientras, los lahares han causado 44 250 muertos desde 1600 a 2010, en el cual de 52% ha sido causado por un evento único en 1985 (Nevado del Ruiz, Colombia). Esta investigación propone un acercamiento multiescalar para entender mejor las características de erosión de los edificios volcánicos, en particular el proceso de descenso y la dinámica de lahares. La erupción del volcán Merapi (Indonesia) en 2010 fue una oportunidad para generar nuevos datos. La primera parte de esta tesis enfocada al proceso de iniciación de descenso de lahares, que fue basada en la obtención de los datos de campo y experimentos en el laboratorio. El trabajo de campo fue realizado con el objetivo de comparar una cuenca hidrográfica afectada por la erupción de 2010 y una otra cuenca natural, a través de la observación in-situ y la instrumentación geofísica en el campo. En el laboratorio, el trabajo fue realizado con 8 escenarios diferentes usando un canal artificial. La segunda parte de esta tesis fue relacionada a la dinámica de movimiento de lahares que se realizó a través del acoplamiento de vídeos y señales sísmicas. Se analizó también el proceso de sedimentación basado en la cronología de los flujos de lahares. Tres años después de la erupción del Merapi en 2010, la frecuencia de ocurrencia de lahares se disminuye. Sin embargo, la sedimentación de ceniza volcánica de otra erupción de un volcán cercano (Kelud en Java Oriental) causó un aumento significativo de la ocurrencia de lahares desde febrero de 2014. La formación de lahares también se provocó por deslizamiento de tierra que se ocurrió en la noche de 6 a 7 de diciembre de 2012, en la que los materiales se juntaron directamente a la vaguada. La dinámica de dos flujos de lahares fue observada y grabada en video el 28 de febrero y 18 de marzo 2014. Estos dos lahares se dividieron en cuatro fases: (1) flujo hiperconcentrado, (2) el pico de flujo de escombros, (3) cuerpo de lahar, (4) cola de lahar. El análisis de video y la observación in-situ de lahares activos nos han ayudado a crear los hidrogramas en detalle que muestran la profundidad del flujo, la velocidad, la descarga y el número de rocas flotadas. La dinámica de lahares en diferentes topografías del canal causó una frecuencia sísmica muy diferente. El proceso de sedimentación de lahares se correlacionó con la dinámica de flujo y se requiere una observación in-situ para validar la interpretación

We use a thin viscous sheet model to interpret the observed shortening along a seismic reflection profile collected on the Phedre cruise (on the deforming oceanic lithosphere in the central Indian Ocean). We determine the 95% confidence region of the 1/e fall-off distance of strain rate to be between 7.1° and 20.4°, the vertically averaged power-law exponent to be between 1.6 and 18.5, and the ratio of the strength of the upper lithosphere to the lower lithosphere to be between 1 and 5.5. We calculate a simplified strength envelope of a two layered oceanic lithosphere based on the lower lithosphere deforming in accordance with the Dorn equation. This model estimates a range of between 0.2 and 20 TN m-1 for the strength of the oceanic lithosphere. The ratio of the strength of the upper lithosphere with respect to the lower lithosphere ranges between 8.6 and 13.98.

We address questions relating to the velocity structure of the Earth in three ways: mapping the phase-velocity structure of the western United States, examining deviations of wave paths due to lateral variations in velocity, and demonstrating that Love wave fundamental-mode phase measurements from array methods can be significantly contaminated by overtone interference, dependent on differences in fundamental-mode and first-overtone phase-velocity structure. All of the studies presented in this work use USArray Transportable Array data, which allow for dense, high-quality measurements at an unprecedented level. To image the uppermost mantle beneath the western US, we improve upon single-station phase measurements by differencing them to produce a baseline data set of phase measurements along inter-station paths, for both Love and Rayleigh waves from 25--100 s. Additional measurements of the arrival angle and local phase velocity are made using a mini-array method similar to beamforming. The arrival-angle measurements are used to correct the two-station baseline measurements and produce a corrected data set. Both the baseline and corrected data sets are separately inverted, producing phase-velocity maps on a 0.5°-by-0.5° grid. We select the corrected maps as the preferred models for Rayleigh waves, with better fits to the data and more consistent measurements. We find that arrival-angle measurements for Love waves may be biased by overtone interference, and hence select the baseline maps as the preferred models for Love waves. The final set of phase-velocity maps is consistent with expectations from known geologic features, and is useful for both calculation of phase for regional paths and studies of radial anisotropy within the region. We use the mini-array method to make observations of the deviations of waves from the great-circle path. Measured arrival angles vary from 0° to ±15°. We compile results from earthquakes in small source regions, allowing the observation of bands of arrival-angle anomalies crossing the footprint of the USArray Transportable array in the propagation direction. These bands of deviations may result from heterogeneous velocity structure within the array, or on the larger source-to-array path. We use two global tomographic models to predict arrival-angle anomaly patterns, with both ray-theory-based prediction methods and measurements on synthetic waveforms calculated using SPECFEM3D Globe, a finite element package. We show that both models predict well the long-wavelength patterns of anomalies observed, but not the short-wavelength variations. Experiments with crustal structure indicate that greater heterogeneity is needed in the models. Predictions from the spectral-element-method synthetic waveforms contain the type of complexity seen in the observed patterns, and not obtained with the ray-theoretical methods, indicating that full synthetics are needed to compare model predictions to observed arrival-angle anomalies. We further examine possible overtone interference in the mini-array arrival-angle and local phase-velocity measurements for Love waves at long periods. Love wave fundamental-mode and higher-mode waves at the same period travel with similar group velocity, making them difficult to separate; the waves have different phase velocities, resulting in a beating interference pattern that oscillates with distance. We show this interference pattern for single-station, two-station, and mini-array phase-velocity measurements. Using measurements on synthetic waveforms calculated using both mode summation and SPECFEM3D Globe, we show that contamination of single-station measurements can largely be explained by interference between the fundamental and first-higher mode only. Interference causes small variations in the single-station phase velocity, up to 1%, and the oscillations about the expected values are asymmetric. The two array-based measurement techniques can be thought of as a spatial gradient over the single-station phase measurements, and consequently much larger variations are observed, 10--20%, and the results are biased to higher phase velocities. We conclude that overtone contamination must be carefully considered prior to attributing array-based Love wave phase-velocity anomalies to Earth structure.

The Malawi (Nyasa) Rift is a prominent example of immature rifting located along the southern East African Rift System. The SEGMeNT (Study of Extension and maGmatism in Malawi aNd Tanzania) project installed a new network of 12 continuous GPS sites in Malawi, Tanzania, and Zambia. Using this new data along with data from other existing sites in the region, I examine the present-day deformation along the Malawi Rift and surrounding areas. The GPS data is used to constrain a tectonic block model of the Malawi Rift in order to produce estimates of angular velocities of the blocks, which are then used to derive fault slip rates and linear block velocities. The new data around the Malawi Rift suggests an additional block may be required to explain the observed deformation. My preferred model predicts that extension rates in the area are slower than previous studies suggested (3.8 ± 0.7 mm/yr; Stamps et al., 2008) with a cumulative rate 2.35 ± 0.65 mm/yr in the northern Malawi Rift and 1.26 ± 0.85 mm/yr along the southern Malawi Rift.

A large data set comprising normal-mode eigenfrequencies, quality factors and splitting functions, Earth's mass and moment of inertia, surface-wave phase anomalies and dispersion curves, body-wave arrivals and traveltime curves, as well as long-period waveforms is inverted to obtain the distribution of elastic properties, shear attenuation and density in the Earth's interior. We address three fundamental aspects of global seismology by reconciling and modeling data sets with several methodological improvements, such as accounting for radial and azimuthal anisotropy, development of better methods for crustal corrections, and devising novel regularization and parameterization schemes. In the first contribution, we incorporate normal-mode splitting functions with other seismological data sets to examine the variation of anisotropic shear-wave velocity in the Earth's mantle. Our preferred anisotropic model, S362ANI+M, has strong isotropic velocity anomalies in the transition zone while the anisotropy is restricted to the upper 300~km in the mantle. When radial anisotropy is allowed throughout the mantle, large-scale anisotropic patterns are observed in the lowermost mantle with v_SV > v_SH beneath Africa and South Pacific and v_SH > v_SV beneath several circum-Pacific regions. However, small improvements in fits to the data on adding anisotropy at depth leave the question open on whether large-scale radial anisotropy is required in the transition zone and in the lower mantle. We demonstrate the utility of mode-splitting data in reducing the tradeoffs between even-degree variations of isotropic velocity and anisotropy in the lowermost mantle. We then devise a methodology to detect seismological signatures of chemical heterogeneity using scaling relationships between shear velocity, density and compressional velocity in the Earth's mantle. Several features reported in earlier tomographic studies persist with the inclusion of new and larger data sets; anti-correlation between bulk-sound and shear velocities in the lowermost mantle as well as an increase in velocity scaling (nu=dlnv_S/dlnv_P) with depth in the lower mantle are found to be robust. Many spheroidal and toroidal modes are largely incompatible with perfect correlations between density and shear-velocity variations in the lowermost mantle. A way to fit concurrently the various data sets is by allowing independent density perturbations in the lowermost mantle. Our preferred joint model consists of denser-than-average anomalies (~1% peak-to-peak) at the base of the mantle roughly coincident with the low-velocity superplumes. The relative variation of shear velocity, density and compressional velocity in this study disfavors a purely thermal contribution to heterogeneity in the lowermost mantle. In the third contribution, we introduce an approach to construct a 1-D reference model that is consistent with crustal heterogeneities and various asphericities in the Earth's mantle. We demonstrate that the crust contributes substantially to fundamental-mode dispersion curves when the nonlinear effects of its thickness and velocity variations are taken into consideration. We apply appropriate crustal corrections and perform several iterations to converge to our preferred radial model NREM1D, which is anisotropic in the upper mantle and smooth across the 220-km discontinuity for all physical parameters. Radial anisotropy in the shallowest mantle, with a maximum at ~150~km depth, is required to fit global averages of fundamental-mode Rayleigh and Love wave dispersion (25--250s). NREM1D also predicts arrival times of major mantle and core phases in agreement (+/- 0.5s) with a recent isotropic velocity model that was optimized for earthquake location. The new reference Earth model NREM1D introduced here is easily extendable due to its modular construction as a linear combination of radial basis functions and can be used for earthquake location, spherical-earth normal mode calculations, and as a starting model in studies of lateral heterogeneity.

abstract: Earthquake faulting and the dynamics of subducting lithosphere are among the frontiers of geophysics. Exploring the nature, cause, and implications of geophysical phenomena requires multidisciplinary investigations focused at a range of spatial scales. Within this dissertation, I present studies of micro-scale processes using observational seismology and experimental mineral physics to provide important constraints on models for a range of large-scale geophysical phenomena within the crust and mantle. The Great Basin (GB) in the western U.S. is part of the diffuse North American-Pacific plate boundary. The interior of the GB occasionally produces large earthquakes, yet the current distribution of regional seismic networks poorly samples it. The EarthScope USArray Transportable Array provides unprecedented station density and data quality for the central GB. I use this dataset to develop an earthquake catalog for the region that is complete to M 1.5. The catalog contains small-magnitude seismicity throughout the interior of the GB. The spatial distribution of earthquakes is consistent with recent regional geodetic studies, confirming that the interior of the GB is actively deforming everywhere and all the time. Additionally, improved event detection thresholds reveal that swarms of temporally-clustered repeating earthquakes occur throughout the GB. The swarms are not associated with active volcanism or other swarm triggering mechanisms, and therefore, may represent a common fault behavior. Enstatite (Mg,Fe)SiO3 is the second most abundant mineral within subducting lithosphere. Previous studies suggest that metastable enstatite within subducting slabs may persist to the base of the mantle transition zone (MTZ) before transforming to high-pressure polymorphs. The metastable persistence of enstatite has been proposed as a potential cause for both deep-focus earthquakes and the stagnation of slabs at the base of the MTZ. I show that natural Al- and Fe-bearing enstatite reacts more readily than previous studies and by multiple transformation mechanisms at conditions as low as 1200°C and 18 GPa. Metastable enstatite is thus unlikely to survive to the base of the MTZ. Additionally, coherent growth of akimotoite and other high-pressure phases along polysynthetic twin boundaries provides a mechanism for the inheritance of crystallographic preferred orientation from previously deformed enstatite-bearing rocks within subducting slabs.
Dissertation/Thesis
Great Basin Seismicity from 2004 to 2013 (event data)
Great Basin Seismicity from 2004 to 2013 (Google Earth)
Doctoral Dissertation Geological Sciences 2015

We address questions related to the parameterization of two distinct types of seismic sources: earthquakes and underground nuclear explosions. For earthquakes, we focus on the improvement of location parameters, latitude and longitude, using relative measurements of spatial cluster of events. For underground nuclear explosions, we focus on the seismic source model, especially with regard to the generation of surface waves. We develop a procedure to improve relative earthquake location estimates by fitting predicted differential travel times to those measured by cross-correlating Rayleigh- and Love-wave arrivals for multiple earthquakes recorded at common stations. Our procedure can be applied to populations of earthquakes with arbitrary source mechanisms because we mitigate the phase delay that results from surface-wave radiation patterns by making source corrections calculated from the source mechanism solutions published in the Global CMT Catalog. We demonstrate the effectiveness of this relocation procedure by first applying it to two suites of synthetic earthquakes. We then relocate real earthquakes in three separate regions: two ridge-transform systems and one subduction zone. In each scenario, relocated epicenters show a reduction in location uncertainty compared to initial single-event location estimates. We apply the relocation procedure on a larger scale to the seismicity of the Eltanin Fault System which is comprised of three large transform faults: the Heezen transform, the Tharp transform, and the Hollister transform. We examine the localization of seismicity in each transform, the locations of earthquakes with atypical source mechanisms, and the spatial extent of seismic rupture and repeating earthquakes in each transform. We show that improved relative location estimates, aligned with bathymetry, greatly reduces the localization of seismicity on each of the three transforms. We also show how improved location estimates enhance the ability to use earthquake locations to address geophysical questions such as the presence of atypical earthquakes and the nature of seismic rupture along an oceanic transform fault. We investigate the physical basis for the mb-MS discriminant, which relies on differences between amplitudes of body waves and surface waves. We analyze observations for 71 well-recorded underground nuclear tests that were conducted between 1977-1989 at the Balapan test site near Semipalatinsk, Kazakhstan in the former Soviet Union. We combine revised mb values and earlier long-period surface-wave results with a new source model, which allows the vertical and horizontal forces of the explosive source to be different. We introduce a scaling factor between vertical and horizontal forces in the explosion model, to reconcile differences between body wave and surface wave observations. We find that this parameter is well correlated with the scaled depth of burial for UNEs at this test site. We use the modified source model to estimate the scaled depth of burial for the 71 UNEs considered in this study.

L'Iran couvre une grande superficie en longitude entre les méridiens 44°E et 64°E et en latitude entre les parallèles 25°N et 40°N. la cartographie de champ de pesanteur sur l'Iran est de premiére importance pour des considérations d'ordre géodésique, géophysique et geodynamique. Dans cette thèse, les mesures de pesanteur sont utilisées pour déterminer le géoïde gravimétrique sur l'Iran. Ce géoïde est couplé à la mesure de hauteur GPS et d'altitude (nivellement) pour réaliser une surface verticale opérationnelle sur le territoire Iranien. La contribution aux principaux travaux géodésiques et gravimétriques réalisés ces dernières années porte sur l'établissement: 1) du réseau national de gravimétrique absolu de l'Iran (NAGNI09), 2) de la ligne nationale d'étalonnage de gravimétrique de l'Iran (NGCLI10), 3) du réseau multi- observations géodésiques et gravimétriques de l'Iran (MPGGNI10). Le réseau gravimétrique absolu, comporte 24 stations où la mesure de la pesanteur a été réalisée à l'aide de gravimètres FG5, avec une précision meilleure que 5μ Gal. La répétition des observations sur deux sites entre 2000 et 2007 met en évidence des variations inter-annuelles de la pesanteur en relation avec l'évolution du contenu en eau du sous-sol et (ou) la déformation tectonique. Le réseau a servi de point d'appui pour la réalisation du réseau géodésique et gravimétrique MPGGNI10 de maille 55 km sur lequel a été mesuré la pesanteur à l'aide des gravimètres relatifs CG5 et CG-3/M, la hauteur de GPS et l'altitude avec une précision respectivement de 0.010 mGal, 0.03 m et 3mm km . La technique de retrait- restoration couplée à la méthode de condensation de Helmert a permis de calculer un nouveau modèle de géoïde gravimétrique, IRGeoid10, avec une précision absolue et relatif respectivement de l'ordre de 0.26m et 2.8 ppm. Ce géoïde est ajusté aux points GPS nivelés pour définir un nouveau référentiel des altitudes sur l'Iran.

Recent advances in computational power, as well as the hard work of a handful of brilliant scientists, have made Bayesian inversion of geophysical observations possible. This development is highly significant, as it permits the quantification of uncertainty, not only on the inverted model parameters, but also on related properties of interest. This dissertation focuses on the application of a particular kind of Bayesian inversion – trans-dimensional Markov chain Monte Carlo – to electromagnetic data, specifically airborne transient electromagnetic, magnetotelluric, and surface-towed controlled source electromagnetic data. In chapters 2-4, these data, both real and synthetic, are inverted for 1D models of subsurface electrical resistivity. In chapter 5, magnetotelluric data are inverted for 2D models of resistivity – the first time, to the best of my knowledge, that trans-dimensional Bayesian inversion of magnetotelluric data for 2D models has been achieved. In each instance, the uncertainty on bulk resistivity provided by the Bayesian inversion is used to estimate uncertainty on related subsurface properties, including pore fluid resistivity and salinity, porosity, melt fraction, melt volatile content, and bulk mantle volatile inventory. Chapter 1 introduces the topic of Bayesian inversion of electromagnetic data. Chapter 2 concerns trans-dimensional Bayesian inversion of airborne transient electromagnetic data. These data were collected above Taylor Glacier in the McMurdo Dry Valleys region of Antarctica in 2011, and were inverted using deterministic inverse methods to image a conductive channel beneath the glacier, interpreted as a package of brine-saturated sediments. The Bayesian inversion of these data confirms the existence of a conductive channel and provides quantitative uncertainties on the resistivity as a function of depth. These uncertainties are used in conjunction with Archie’s Law to estimate uncertainty on the resistivity of the pore fluids in the sediments. Additionally, the Kullback-Leibler divergence – a statistical measure of the dissimilarity of two distributions – is introduced as a measure of how much influence the observations have on the model parameters as a function of depth. The utility of Bayesian inversion in estimating the noise floor necessary to effectively resolve model structure is demonstrated. In chapter 3, a joint Bayesian framework for inverting electromagnetic data is introduced. A modified version of the algorithm utilized in chapter 2 is applied to jointly invert marine magnetotelluric and surface-towed controlled source electromagnetic data. These data were collected offshore New Jersey in 2015 to image a freshwater aquifer in the continental shelf. Deterministic inversions of this data clearly image a resistive body at depths consistent with low salinity from bore hole measurements collocated with the electromagnetic survey. The Bayesian inversion of this data set again confirms the existence of the resistive region while further providing uncertainty on the inverted resistivity with depth. In some instances, bimodality in the posterior distribution is found, demonstrating the importance of Bayesian inverse methods for fully exploring the model space. The uncertainty on bulk resistivity is used in conjunction with Archie’s Law and the porosity from bore hole measurements in a Monte Carlo framework to estimate uncertainty in the salinity of the pore water as a function of depth for three well locations. These estimates match well with measured salinities at these locations, validating the use of the Bayesian posterior in the context of a Monte Carlo framework to estimate uncertainty on related physical properties. In chapter 4, seafloor magnetotelluric data are again inverted for 1D models of subsurface resistivity, this time to image a conductive channel at the base of the lithosphere. The data are a subset of a deployment of 50 Broadband MT instruments on the seafloor above the Cocos plate offshore Nicaragua. Deterministic inversions of this data revealed a conductive structure at 45-70 km depth, beneath the Cocos plate. This earlier analysis concluded that melt was required at the lithosphere-asthenosphere boundary (LAB) to explain the inverted resistivity, but the deterministic inverse tools available at the time did not permit quantitative uncertainties – on the conductive anomaly itself, the requirement for partial melt, the degree of partial melt, or the degree of mantle hydration. Bayesian inversion of data from two magnetotelluric sites confirm that the conductor is indeed robust, and that melt is required by nearly 100% of the models that fit the data. Further, the resistivity uncertainty from the Bayesian inversion is used in conjunction with petrological modeling of partial melting in the mantle and an estimated probability distribution for temperature to place constraints on the degree of partial melt and mantle volatile (water and carbon) inventory over the depth range 45-63 km. This analysis concludes that large melt fractions and either high temperatures or a high degree of mantle hydration are likely needed to explain the resistivities produced by the Bayesian inversion, potentially explaining the mechanism for plate sliding that enables plate tectonics. Finally, chapter 5 introduces 2D trans-dimensional Bayesian inversion of magnetotelluric data, for the first time to my knowledge. A Gaussian Process-parametrized, trans-dimensional Markov chain Monte Carlo algorithm is used with MARE2DEM to invert synthetic data as well as field data from the Gemini data set from the Gulf of Mexico. For Bayesian inversion to be computationally feasible beyond inverting for 1D models, the cost of forward modeling must be reduced, as well as the number of model parameters that the algorithm must sample over. The first challenge is addressed through high performance computing. The forward modeling is performed on a cluster. In addition, we implement parallel tempering, where multiple Markov chains are run in parallel and swap models at each iteration, vastly increasing the rate at which the model space is explored and sampled. The curse of dimensionality is addressed by utilizing a Machine Learning technique known as a Gaussian Process to represent the model with far fewer parameters than required in a typical discrete finite difference or finite element representation of the subsurface. The Bayesian inversion of the Gemini data successfully recovers the model structure obtained by deterministic inversion of the same data, but additionally provides uncertainty on bulk resistivity. This thesis demonstrates the power and utility of Bayesian inversion to move beyond single estimates of subsurface resistivity. Not only does the work in this dissertation show that Bayesian inversion can provide uncertainty on inverted resistivity, it shows that these inverted uncertainties can be used to place quantitative constraints on parameters related to bulk resistivity. This is crucial to rendering the information obtained from inversion of electromagnetic data useful to disciplines far beyond electromagnetic geophysics.

Tesis (Magister en Aplicaciones Espaciales de Alerta y Respuesta Temprana a Emergencias)--Universidad Nacional de Córdoba, Facultad de Matemática, Astronomía, Física y Computación, 2018.
Maestría conjunta con el Instituto de Altos Estudios Espaciales "Mario Gulich"-CONAE.
En esta tesis se estudia la variabilidad espacio-temporal de los aerosoles atmosféricos en la ciudad de Córdoba (Argentina) y sus alrededores para un período mayor a 10 años (2003-2013), mediante el uso del producto satelital espesor óptico de aerosoles (o AOD por Aerosol Optical Depth, en inglés) de frecuencia diaria obtenido con el algoritmo denominado implementación de corrección atmosférica multi-ángulo (MAIAC) que ha sido recientemente desarrollado para los datos obtenidos con el sensor MODIS (a bordo de los satélites Terra y Aqua/NASA). Hasta el momento; los productos de AOD disponibles presentaban resoluciones espaciales mayores a 3 km, adecuados para estudios a escala regional. Sin embargo no proveían suficiente detalle para el estudio de áreas urbanas o para estudios epidemiológicos. Con este objetivo se desarrolló este nuevo algoritmo, aún en fase de prueba, que mejora sensiblemente la resolución espacial a 1 km, con lo cual resulta más apropiado para el estudio de los aerosoles atmosféricos a escala urbana. En este trabajo, en una primera instancia se evaluó la performance del producto AOD-MAIAC mediante la comparación con valores de AOD obtenidos desde superficie en la estación Córdoba-CETT de la red AERONET. Se analizó la concentración y variación anual de los aerosoles, así como su variación mensual y estacional. Por último, se estudió la relación entre los valores satelitales de AOD-MAIAC y valores de material particulado (PM) obtenidos desde la superficie por una estación de monitoreo de la Municipalidad de Córdoba que funcionó en el centro de la ciudad durante enero-agosto de 2009. En general, el algoritmo MAIAC presentó una buena performance en el área de estudio. Los resultados reflejaron que, a pesar de que los valores de AOD son bajos respecto a otros sitios del mundo muy contaminados, existe una tendencia de incremento de AOD a lo largo del tiempo particularmente en algunas zonas de la ciudad (como por ejemplo el acceso a Sierras Chicas y la zona norte de la ciudad) que podría estar vinculado al aumento de la densidad poblacional en esa área y el consecuente incremento del tránsito vehicular. Además se observó un patrón de incremento o disminución en los niveles de AOD en determinados momentos del año. Durante los meses de verano (diciembre-febrero) se observaron valores relativamente altos concentrados en la ciudad de Córdoba, en las principales vías de acceso hacia las zonas turísticas así como en el anillo de circunvalación de la ciudad Hacia el otoño los valores de AOD comienzan a disminuir hasta alcanzar los valores más bajos durante los meses de invierno. A partir de agosto se observa un gran incremento del AOD que tiene su pico máximo durante septiembre y se mantiene elevado durante el resto de la primavera. Este incremento de AOD coincide con 2la estación de quema de biomasa en la provincia de Córdoba, el norte argentino y otras regiones de Sudamérica (Bolivia, Paraguay, Amazonia y Cerrado en Brasil) y evidencia la importancia del transporte atmosférico a escala regional pero también continental de material particulado que es liberado a la atmósfera durante los incendios. Los modelos de regresión lineal desarrollados en este estudio para evaluar la relación entre AOD-PM y variables meteorológicas no son suficientes para explicar la variabilidad de los datos de PM medidos en superficie a partir de los valores satelitales de AOD y las variables meteorológicas. Sin embargo, los resultados presentados constituyen un primer estudio exploratorio para la ciudad de Córdoba. Dada la falta de estaciones superficiales de monitoreo de material particulado en Argentina, y en particular en la ciudad de Córdoba, este estudio intentó ser una línea de base para el estudio de la dinámica de los aerosoles atmosféricos a escala urbana a partir de información satelital y constituye una primera aproximación a la problemática.
Fil: Della Ceca, Lara Sofía. Universidad Nacional de Córdoba. Facultad de Matemática, Astronomía, Física y Computación; Argentina.
Fil: Della Ceca, Lara Sofía. Universidad Nacional de Córdoba. Instituto de Altos Estudios Espaciales Mario Gulich; Argentina.

Ce travail de thèse porte sur l'étude de la structure et du fonctionnement des systèmes hydrothermaux volcaniques. Nous nous sommes attachés à l'étude géophysique multi-méthodes de deux systèmes hydrothermaux : Waimangu, en Nouvelle-Zélande, et la Solfatara, en Italie. Le premier en raison de sa dynamique, et parce qu'il apparait comme une zone laboratoire purement hydrothermale, sans influence magmatique; le second pour l'observation et la caractérisation géophysique d'un panache hydrothermal accessible à la surface. Dans un premier temps, nous nous sommes intéressés à la reconnaissance de la structure de Waimangu à grande échelle, et à la caractérisation des principales composantes du système (lacs de cratères, zones fumeroliennes et geysers). Cette étude a permis d'associer les méthodes de potentiel spontané et de résistivité électrique avec des mesures ponctuelles de température et de flux de CO2. Nous avons ensuite ciblé notre étude sur des laboratoires à petite-échelle présents sur Waimangu : Iodine vent, Inferno Crater Lake et le site du Old Geyser. Ces systèmes différent les uns des autres par leur taille, mais aussi par leurs caractéristiques physico-chimiques, qui jouent un rôle determinant dans la sensibilité des méthodes géo-électriques. Sur le site de Iodine Pool, l'application de techniques récentes d'imagerie acoustique sous-marine a permis la localisation précise des sources de bruit hydrothermal. Le suivi par polarisation spontanée d'un évent intermittent a montré une cyclicité dans les signaux, qui peut être expliquée par une variation de hauteur piézométrique. L'application conjointe de l'imagerie acoustique et de l'imagerie électrique sur le site du Old Geyser a mis en évidence la complémentarité des deux techniques dans la localisation d'une structure hydrothermale qui correspond à la fois à une source acoustique et électrique. Dans un troisième temps, nous avons étudié la signature géo-électrique des mouvements de fluides qui accompagnent l'activité cyclique du Lac Inferno. Le suivi temporel de résistivité électrique montre que les variations du lac et les mouvements de fluide observés sont caractérisés par des variations importantes de résistivité dans le sous-sol qui pourraient correspondre à des changements de phase du fluide en profondeur, en accord avec des modélisations analogiques. La campagne réalisée à la Solfatare a permis d'imager le panache hydrothermal par les méthodes électriques (tomographie de résistivité en trois dimensions), acoustiques et thermiques. Nous présentons les résultats obtenus avec la tomographie de résistivité électrique et les mesures de température, qui ont permis de déterminer avec précision les limites spatiales du panache hydrothermal.

Sudden changes occur where the mean values associated with two adjacent non-overlapping windows of data are anomalously different, and the transition between the window means occurs over a scale that is small relative to the scale of the windows. Positions of sudden changes can be economically retrieved. The sudden change positions demarcate the data in a manner that can be physically interpreted. Associated with this thesis, are data analyses in terms of the scales, positions, and magnitudes of sudden changes in local (window) mean data values. A sudden change ideally includes an anomalously steep small scale gradient that is associated with change on a much larger scale. Preserving this structure when filtering small scale variance requires an adaptive cutoff scale, as constructed in the third study. The filter adapts a local cutoff scale to the scales, locations and relative magnitudes of the local extremes in the Haar transform, which ideally responds to sudden changes. In the fourth study a filter using a variable cutoff scale is applied in order to partition a nine hour time series of wind velocity. The variable cutoff scale filter separated a transport mode from an isotropic small scale mode more cleanly, in terms of traditional statistics, than did a constant cutoff scale filter. Generally, the positions of sudden changes distinguish windows of data. Windows can be centered on the sudden changes or between them. In the fifth study the sudden changes define boundaries of data windows. The within-window data then contains less variance associated with sudden changes, which deterministically occur between adjacent windows. A sampling procedure based on the locations of the sudden changes is applied in the sixth study in an analysis of surface layer measurements. The "non-random" sampling helps to clarify spatial and temporal patterns in samples of the mean wind and the turbulence stress; the "mesoscale effect" is less ambiguous.
Graduation date: 1996

In the late Pleistocene, most of British Columbia and northern Washington was covered by the Cordilleran ice sheet. The weight of the ice sheet caused up to several hundred metres of depression of the Earth’s crust. This caused relative sea level to be higher in southwestern British Columbia despite lower global eustatic sea level. After deglaciation, postglacial rebound of the crust caused sea level to quickly drop to below present levels. The rate of sea-level fall is used here to determine the rheology of the mantle in southwestern British Columbia. The first section of this study deals with determination of the postglacial sea-level history in the Victoria area. Constraints on sea-level position come from isolation basin cores collected in 2000 and 2001, as well as from previously published data from the past 45 years. The position of sea-level is well constrained at elevations greater than -4 m, and there are only loose constraints below that. The highstand position in the Victoria area is between 75-80 m. Sea level fell rapidly from the highstand position to below 0 m between 14.3 and 13.2 thousand calendar years before present (cal kyr BP). The magnitude of the lowstand position was between -11 and -40 m. Though there are few constraints on the lowstand position, analysis of the crustal response favours larger lowstand. Well constrained sea-level histories from Victoria, central Strait of Georgia and northern Strait of Georgia are used to model the rheology of the mantle in southwestern British Columbia. A new ice sheet model for the southwestern Cordillera was developed as older models systematically underpredicted the magnitude of sea level in late glacial times. Radiocarbon dates are compiled to provide constraints on ice sheet advance and retreat. The Cordillera ice sheet reached maximum extent between 17 and 15.4 cal kyr BP. After 15.4 cal kyr, the ice sheet retreated, and by 13.7 cal kyr BP Puget Sound, Juan de Fuca Strait and Strait of Georgia were ice free. By 10.7 cal kyr BP, ice was restricted to mountain glaciers at levels similar to present. With the new ice model, and using an Earth model with a 60 km lithosphere, asthenosphere with variable viscosity and thickness, and transitional and lower mantle viscosity based on the VM2 Earth model, predicted sea level matches the observed sea level constraints in southwestern British Columbia. Nearly identical predicted sea-level curves are found using asthenosphere thicknesses between 140-380 km with viscosity values between 3x10^18 and 4x10^19 Pa s. Predicted sea level is almost completely insensitive to the mantle below the asthenosphere. Modeled present day postglacial uplift rates are less than 0.5 mm yr^-1. Despite the tight fit of the predicted sea level to observed late-glacial sea level observations, the modelling was not able to fit the early Holocene rise of sea level to present levels in the central and northern Strait of Georgia.

Thesis (Ph.D.)--University of Illinois at Urbana-Champaign, 2007.
Source: Dissertation Abstracts International, Volume: 68-11, Section: B, page: 7387. Adviser: Greg M. McFarquhar. Includes bibliographical references (leaves 178-192) Available on microfilm from Pro Quest Information and Learning.

L'objectif de ce travail est de proposer des méthodes simples d'estimation du mouvement sismique, applicables facilement, particulièrement dans le cas de milieux urbains. Ce sont, en effet, les grandes agglomérations qui sont souvent le siège de dégât, catastrophiques, et il est donc nécessaire de pouvoir fournir des techniques faciles à mettre en oeuvre pour l'étude du mouvement sismique auquel les structures construites doivent résister. Dans la première partie, nous étudierons une méthode d'estimation des effets de site liés à la géologie locale, basée sur le calcul du rapport spectral entre composantes horizontales et verticale (rapport H/V), sur des enregistrements de bruit de fond. Nous avons, dans un premier temps, réalisé une étude par simulation numérique permettant de mettre en évidence certains des paramètres qui contrôlent l'utilisation de cette méthode. ainsi que ses limites de validité. Une comparaison avec d'autres techniques classiques d'estimation des effets de site met en évidence les possibilités et les inconvénients de chacune d'elles, dans le cadre d'une grande ville. La deuxième partie de ce travail concerne la simulation de mouvements forts, avec pour objectifs les points suivants : fournir une méthode également applicable en milieux urbains, être en mesure de produire des simulations en champ proche, réduire la complexité et le temps de calcul nécessaires à la simulation, pouvoir effectuer des simulations a priori en des sites où aucun mouvement fort n'a encore été enregistré. Pour essayer de satisfaire ces objectifs nous proposons I'utilisation d'une technique basée sur le principe de la méthode des fonctions de Green empiriques. Nous utilisons ici des fonctions de Green théoriques, l' enregistrement de petits séismes étant très difficile en zone urbaine. Le séisme cible est défini par un nombre de paramètres relativement réduit : son moment sismique ainsi que la taille et l'orientation du plan de faille.

Tesis (Lic. en Física)--Universidad Nacional de Córdoba, Facultad de Matemática, Astronomía, Física y Computación, 2018.
En la actualidad es de suma importancia la obtención de parámetros de ocean color, es decir, datos que nos aportes información sobre el contenido de los océanos y mares como por ejemplo los niveles de fitoplancton que componen un aspecto fundamental en las cadenas de producción pesquera y la forma en la cual evolucionan los ecosistemas dentro de los océanos. Mediante el uso de satélites con sensores a bordo capaces de obtener estas variables es posible llevar a cabo un monitoreo constante, pero en determinadas situaciones es de extrema dificultad la obtención de las variables de ocean color. En este trabajo se estudia y caracteriza el fenómeno de sunglint , es decir la reflexión especular del sol en la superficie del agua de mar, para conocer de que forma se comporta y cuales son los parámetros mas sensibles utilizando un modelo de trasferencia radiativa. La radiación que llega al satélite debido a este efecto termina por cubrir completamente las radiancias que tienen directa relación con los componentes del agua, como el la Water Leaving Radiance(WLR). Si se pudiera caracterizar de forma univoca esta radiación y conocer los parámetros por los cuales esta es producida se podría diseñar una corrección que sumada a la corrección atmosférica permita obtener las variables de ocean color deseadas.
At present it is very important to obtain parameters of textit ocean color, that is, data that provide us with information about the content of the oceans and seas, such as the phytoplankton levels that make up a fundamental aspect in the chains of fishing production and the way in which the ecosystems evolve within the oceans. By using satellites with on-board sensors capable of obtaining these variables it is possible to carry out constant monitoring, but in certain situations it is extremely difficult to obtain the ocean color variables. In this work we study and characterize the phenomenon of textit sunglint, that is to say, the specular reflection of the sun on the surface of seawater, in order to know which way it behaves and what are the more sensitive parameters using a radiative transfer model. The radiation that reaches the satellite due to this effect ends up completely covering the radiances that have a direct relation with the water components, such as the Water Leaving Radiance (WLR). If this radiation could be characterized univocally and know the parameters by which it is produced, a correction could be designed that, added to the atmospheric correction, allows to obtain the desired ocean color variables.

Tese de doutoramento em Física, na especialidade de Astrofísica, apresentada ao Departamento de Física da Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra
The focus of this thesis is to identify the role and dynamics of different current systems for storm-time activity at mid-latitude ground level and their relation with other solar, interplanetary and geomagnetic parameters, in the 2007-2016 time interval. For this purpose, I compared the synthetic series of six magnetospheric current systems computed with the data-based semi-empirical model of Tsyganenko and Sitnov 2005 (TS05), with the measurements of four mid-latitude geomagnetic stations at very near geomagnetic latitudes, but well apart in longitude (Coimbra (COI), Portu- gal; Panagyurishte (PAG), Bulgary; Novosibirsk (NVS), Russia; Boulder (BOU), USA), and with other ground and satellite-based solar, interplanetary and geomagnetic parameters obtained from the OMNI/NASA database. An evaluation of TS05 model is presented, in order to determine the model ability to reproduce both the total magnetospheric transient signal and to explain this signal through the contribution of each TS05 magnetospheric current system at ground level, comparing them with hourly data of the four geomagnetic stations selected. It was found that TS05 model is a useful tool to explain ground-based North-South (or X) component of geomagnetic activity at mid-latitudes, in terms of main current sources. It was verified that TS05 is efficient to reproduce the X component of terrestrial magnetospheric field at mid-latitudes during high geomagnetic activity time, with correlations r ≥ 0.7 in ∼50% of compared data, presenting a lower efficiency during calm time, with correlations r ≥ 0.7 only in ∼30% of data compared. Results are less favourable for the East-West (or Y ) component, probably due to the fact that TS05 model closes Birkeland (or field-aligned, FAC) currents through the Earth’s centre instead of through the ionosphere. It was found that currents that contribute most to the X component during geomagnetic active periods are the cross-tail (TAIL), the symmetric ring (SRC) and the partial ring (PRC) currents. The currents that contribute most to Y component are FAC and PRC currents. For all stations the highest correlations among observations and TS05 simulations are obtained for stronger geomagnetic activity. The results in this study indicate that the implementation of TAIL and SRC currents in TS05 model is more successful than that for the FAC current. The quiet daily (QD) variation has a main contribution from ionospheric currents, which are not considered in TS05 model. For observatories at Northern Hemisphere’s mid-latitudes that are localized close to the ionospheric current vortex center (COI and PAG), it was possible to separate efficiently the QD ionospheric contribution using Principal Component Analysis (PCA). For the other two stations (NVS and BOU) It was found a relatively higher contribution of magnetospheric signal in the QD variation. After removing the QD variation from data, COI and PAG are better correlated with TS05 series than BOU and NVS. However, BOU and NVS are better correlated with geomagnetic indices Dst (disturbance storm-time) and RC (ring current), with RC showing a slightly less good performance with respect to Dst. Correlations between 33 solar, interplanetary magnetic field (IMF) and geomagnetic activity proxies where analysed for the 2009-2016 time interval. It was found that series of 27-day averages (Bartels’ rotation) give higher correlations than daily or annual series. Parameters that show higher cross-correlations among different groups are the Sun’s northern and southern facular areas (FA-N and FA-S), two geomagnetic indices derived from TS05 model (T-SRC and T-PRC), the total IMF intensity (B), the percentage of IMF southward component (B ZS GSM) and the interplanetary coupling Newell’s function. We propose that these parameters are the best candidates to use if we want to relate meaningfully the solar surface events to geomagnetic activity felt on the Earth’s surface. Two new proxies were tested, 1) TI-indices, calculated from the X TS05-derived series of TAIL, SRC, PRC and FAC contributions for the four observatories and 2) B ZS GSM, calculated as the daily percentage of IMF southward component along the GSM Z-axis. Helio-magnetic asymmetries were calculated for the 33 parameters, as the difference between their averaged values in the towards and away magnetic sectors of the interplanetary medium. Improvement in 27-day correlations with respect to annual correlations is the result of an annual oscillation in this asymmetry, which is present in most studied proxies and is probably due to the Russell-McPherron effect. Due to this effect, B ZS GSM and B Z GSM have a well-defined annual modulation, and GAI proxies also have annual oscillation and good correlations with B_ZS GSM and B_Z GSM. TI-indices have annual oscillation at declining phase of the cycle, but insignificant oscillation near the minimum. Major percentage of towards days in negative polarity epoch and of away days in positive polarity epoch means that the Earth has been mostly at the northern magnetic hemisphere during the solar cycle 24. In conclusion, the main part of this Ph.D. thesis was dedicated to the design and implementation of a statistical approach that was applied to test the performance of the TS05 model in explaining geomagnetic activity observed at Earth’s Northern Hemisphere mid-latitudes. This approach can be applied to test any other magnetospheric model. At the end of this work, a prospective study was made using different proxies that describe the Sun surface, the interplanetary medium and geomagnetic activity, to identify those parameters that should be more meaningfully used to relate the Sun to the geomagnetic activity observed on Earth.
Esta tese estuda os processos físicos relacionados com a atividade eomagnética detetada em observatórios magnéticos à superfície da Terra em locais de latitudes intermédias, ou seja, afastados do pólos e do equador, bem como a sua relação com a atividade solar e o meio interplanetário durante o período temporal 2007-2016. Para isto, numa primeira parte do trabalho são comparadas séries temporais simuladas, obtidas através do modelo semi-empírico de Tsyganenko and Sitnov 2005 (TS05), com as séries de dados obtidas em quatro observatórios (de latitude geomagnética próxima e espaçados em longitude) a saber: Coimbra (COI), Portugal; Panagyurishte (PAG), Bulgaria; Novosibirsk (NVS), Rússia e Boulder (BOU), USA. São ainda incluídos no estudo dados observacionais de instrumentos em Terra e no Espaço compilados na base de dados OMNI/NASA. Este estudo permite, assim, testar o modelo TS05 no que concerne a modelação das observações geomagnéticas à superfície da Terra. Os resultados apontam para que o modelo TS05 reproduz bem a componente geomagnética Norte-Sul durante os dias ativos mas é menos eficiente nos dias calmos. Por outro lado, este estudo mostra que o modelo TS05 não reproduz bem a componente Este-Oeste sendo que a causa para isso deverá ser o facto do modelo forçar o fecho das correntes Birkeland no centro da Terra e não na ionosfera. Mostra-se ainda que a componente geomagnética Norte-Sul, durante os dias ativos, é, essencialmente, influenciada pelas correntes de cauda (TAIL), a corrente de anel simétrico (SRC) e a corrente de anel parcial (PRC). Em contrapartida, a componente Este-Oeste é determinada pelas correntes FAC e PRC. As correlações entre os registos e o modelo TS05 melhoram consideravelmente nos dias geomagneticamente ativos, para qualquer um dos observatórios. Este resultado pode explicar-se pelo facto da variação magnética diurna (QD, de ‘quiet daily’) ter uma contribuição principal das correntes ionosféricas e estas não serem incluídas no modelo TS05. No caso dos observatórios localizados próximo do centro do vórtice de correntes ionosféricas (a saber COI e PAG), foi possível separar com sucesso a contribuição QD. Assim, naturalmente, após a remoção da variação QD dos dados do modelo TS05, a correlação entre o modelo e as séries de COI e PAG melhora em relação ao que ocorre em BOU e NVS. Em contrapartida os registos destes dois observatórios aparecem bem correlacionados com os índices geomagnéticos Dst (‘disturbance storm-time’) e RC (‘ring current’). Posteriormente foi feito um estudo correlacionando 33 parâmetros representativos da interação Sol-Terra no período 2009 a 2016: parâmetros solares, parâmetros do campo magnético interplanetário (IMF) e índices geomagnéticos (GAI). Mostra-se que as correlações são melhores usando médias sobre o período de rotação solar (27 dias) do que usando médias diurnas, o que sugere a necessidade de tomar em conta atrasos de propagação e efeitos cumulativos no estudo da interação Sol-Terra. A partir das médias de 27 dias, mostra-se que as correlações globais (a 33 parâmetros) são melhores para os seguintes parâmetros: áreas das regiões faculares, T-SRC e T-PRC (onde "T" indica que a grandeza foi determinada pelo modelo TS05 - índices TI), o módulo do vector do campo IMF, a percentagem sul de IMF (BZS GSM) e a função de Newell, de acoplamento vento solar/magnetosfera. Por outro lado, foram calculadas as assimetrias helio-magnéticas decorrentes da diferença entre os valores médios dos parâmetros durante o trânsito através dos setores de polaridade solar positiva e negativa do meio interplanetário. Da análise das referidas assimetrias constata-se que a Terra esteve, durante o ciclo 24, mais tempo a norte do que a sul do equador solar. Além disso, as assimetrias põem em evidência uma oscilação anual presente nas séries de BZS GSM, BZ GSM e nos índices GAI e explicada em princípio pelo efeito de Russell-McPherron. Nota-se ainda uma variação anual dos índices TI durante a fase descendente do ciclo solar. Em conclusão, a maior parte do trabalho desta tese foi ocupada com a implementação de uma série de testes estatísticos aplicados ao estudo do desempenho do modelo TS05 na simulação da atividade geomagnética observada a latitudes intermédias do Hemisfério Norte. O esquema de testes aqui proposto pode no futuro ser aplicado a qualquer outro modelo da magnetosfera. No final deste trabalho, realizou-se ainda uma pesquisa envolvendo diferentes parâmetros que caraterizam a superfície do Sol, o meio interplanetário e a atividade geomagnética, com o intuito de identificar os mais adequados a ser utilizados para relacionar fenómenos à superfície do Sol com a atividade geomagnética observada na Terra.
Erasmus Mundus Action 2 Consortium AMIDILA, Lot 15 – strand 1, 2013-2588/001-001-EM Action 2 Partnerships