Caractérisation d'un nouveau gravimètre quantique absolu mobile : application à la surveillance du stock d'eau souterraine

Characterisation of a new mobile absolute quantum gravimeter : application in groundwater storage monitoring

• Auteur / Autrice : Anne-Karin Cooke
• Direction : Cédric Champollion
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Géosciences
• Date : Soutenance le 30/10/2020
• Etablissement(s) : Montpellier
• Ecole(s) doctorale(s) : GAIA (Montpellier ; École Doctorale ; 2015-...)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Géosciences (Montpellier)
• Jury : Président / Présidente : Stéphane Mazzotti
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Cédric Champollion, Stéphane Mazzotti, Andreas Güntner, Majken Caroline Looms Zibar, Sylvain Bonvalot
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Andreas Güntner, Majken Caroline Looms Zibar

Mots clés

Mots clés contrôlés

Karst

Hydrogéologie

Gravimétrie (géophysique)

Mots clés libres

Gravimètrie

Karst

Zone vadose

Gradients verticaux de gravité

Hydrogéophysique

Hydrogéologie

Gravimetry

Karst

Vadose zone

Vertical gravity gradients

Hydrogeophysics

Hydrogeology

Résumé

Les gravimètres quantiques permettent une surveillance continue de la gravité absolue à haute fréquence tout en restant aisément transportables et facile à installer. Cette thèse a évalué les performances de mesure haute précision des premiers gravimètres quantiques absolus commerciaux AQG#A01 et AQG#B01 développés par Muquans. Cela a été réalisé en comparaison avec des gravimètres absolus et relatifs de haute précision et des données géophysiques et environnementales complémentaires. Ces acquisitions ont été effectuées dans des conditions contrôlées dans une perspectives de déploiement sur le terrain. Les deux gravimètres AQG permettent des mesures stables de g sur plusieurs semaines sans aucunes dérives. Les deux instruments ont été transportés et réinstallés plusieurs fois et ont permis d’effectuer des acquisitions avec succès dans des conditions différentes. La sensibilité de l'AQG#A01 est inférieure à 10 nm/s² après 24 h, ce que l'AQG#B01 atteint après seulement une heure dans un environnement calme, (20-30 nm/s² en conditions plus bruités). La répétabilité de l'AQG#B01 est estimée à environ 50 nm/s². Les changements d'inclinaison de l'instrument et de température externe (20 à 30° C) et la combinaison des deux n'ont pas influencé la mesure g. Ces résultats ont été confirmés par deux semaines d'acquisition dans un garage sujet à des changements rapides de température. Un événement pluvieux à l'observatoire géodésique du Larzac a provoqué une augmentation gravimétrique de 100 nm/s², détectée avec l'AQG#B01 en accord avec le gravimètre supraconducteur (GWR, iGrav#002) et une approximation du plateau de Bouguer correspondante. Le gain potentiel de précision et de temps fait de l'AQG#B01 un instrument prometteur pour, par exemple, la cartographie gravimétrique à grande échelle. Ces études n'étaient auparavant réalisables qu’au moyen d’un gravimètre relatif (nécessitant des boucles d'acquisition répétées) couplé à un gravimètre absolu de référence pour les corrections de dérive. L'AQG#B01 peut être utilisé sans instrument de référence: il fournit des mesures stables et reproductibles tout en étant transportable et simple d’installation. Cette surveillance continue permet des études de haute résolution à différentes échelles temporelles. L'AQG#B01 serait particulièrement adapté pour la surveillance des changements de masse transitoires sur des durées trop courtes (par exemple quelques semaines) pour justifier l'effort d'installation d'un gravimètre supraconducteur. Certains aspects sont encore à l'étude, comme l'effet potentiel de l'orientation de la tête du capteur, l'effet Coriolis, sur la mesure de g et l'évaluation de la précision au vu des différences entre l'AQG#B01 et le gravimètre absolu (Micro-g LaCoste, FG5#228) qui sert de référence. La gravimétrie au sol est de plus en plus appliquée en hydrologie souterraine pour surveiller la dynamique du stockage de l'eau. Les sensibilités spatiales complémentaires de la gravité et des gradients de gravité verticaux (VGG) peuvent être utilisées pour déduire les caractéristiques spatiales des changements de masse sous la surface. Les VGG ont été estimés à partir d'une année de levés mensuels de gravité relative sur trois hauteurs différentes et à trois emplacements au coeur de l'observatoire du Larzac. La répétabilité des estimations des VGG s'est avérée meilleure que 23 ± 9 E. L'étude suggère l'influence des hétérogènéité dans la saturation des sols sur les VGG, et le potentiel de la surveillance différentielle des VGG dans la résolution des distributions spatiales de masse. Les changements de VGG différentiels observés dans le temps ont fourni des contraintes supplémentaires au modèle hydrogravimétrique de subsurface. La surveillance conjointe de la VGG et de la gravité constitue une nouvelle approche prometteuse pour l'imagerie hydrogéophysique du sous-sol. Elle trouve une application pratique dans la surveillance de la gravité pendant les essais hydrauliques des aquifères.

Quantum gravimeters provide the possibility of continuous, high-frequency absolute gravity monitoring while remaining user-friendly and transportable. This thesis assessed high precision performance measures of the first commercial absolute quantum gravimeters AQG#A01 and AQG#B01 developed by Muquans. This was carried out in comparison with high precision absolute and relative gravimeters and additional geophysical and environmental data, in controlled conditions and experiments in view of future deployment in field conditions.Both AQG devices allow stable measurements of g of several weeks. Significant drifts in time have not been observed. The two instruments have been transported and re-installed several times between sites and had been successfully applied in different conditions. The sensitivity of the AQG#A01 is better than 10 nm/s² after 24 h, which the AQG#B01 achieves after only one hour in a calm environment. For noisier environments, the sensitivity after one hour of the AQG#B01 is 20 to 30 nm/s². The repeatability of the AQG#B01 is reported as better than 50 nm/s². Changes of instrument tilt and external temperature (20 - 30 °C) and combination of both did not influence the measurement of gravitational attraction. These results were also confirmed during two weeks of acquisition in an urban garage during which the measurement of g remained unaffected by fast temperature changes.A rainfall event at the Larzac geodetic observatory caused a gravity increase of 100 nm/s² in December 2019, which was detected with the AQG#B01 in agreement with the superconducting relative gravimeter (GWR, iGrav#002) and corresponding Bouguer slab approximation. The potential gain in precision and time saved makes the AQG#B01 a promising instrument for e.g. large-scale gravity mapping. Such studies were formerly only feasible using a relative gravimeter that requires repeated acquisition loops and a reference absolute gravimeter for drift corrections. The AQG#B01 can be used without a reference instrument: It provides stable, repeatable measurements of absolute gravity while being transportable and user-friendly. Continuous monitoring at high precision allows for studies of high temporal resolution at different scales. The AQG#B01 would especially be suited for the monitoring of transient mass changes at durations (e.g. a few weeks) that are too short to justify the effort of installing a stationary, superconducting gravimeter. To reliably detect transient phenomena, a drift-free and repeatable determination of g is required for which e.g. spring relative gravimeters are not suitable. There are aspects that are still under investigations, such as the potential effect of the sensor head's orientation, the Coriolis effect, on the measurement of g and the assessment of the accuracy in view of differences between the AQG#B01 and the absolute gravimeter (Micro-g LaCoste, FG5#228) that is used as a reference.Time-lapse ground-based gravimetry is increasingly applied in subsurface hydrology to monitor water storage dynamics. The complementary spatial sensitivities of gravity and vertical gravity gradients (VGG) can be used to deduct the spatial characteristics of subsurface mass changes. VGG were estimated from one year of monthly relative gravity surveys on three different heights on three locations inside the Larzac observatory. The repeatability of VGG estimations was found to be better than 23 ± 9 E. The study suggests the influence of heterogeneous soil saturation patterns on VGG and the potential of differential VGG monitoring in resolving spatial mass distributions. Observed time-lapse, differential VGG changes provided additional constraints to the subsurface model. Combined VGG and gravity monitoring in hydrogeology is a promising new approach for hydrogeophysical subsurface imaging, which could find practical application in gravity monitoring during hydraulic aquifer testing.