Unification du système de hauteur et estimation de la structure lithosphérique sous le Vietnam utilisant la modélisation du champ de gravité et du quasigéoïde à haute résolution

Height system unification and estimation of the lithospheric structure beneath Vietnam through high-resolution gravity field and quasigeoid modeling

• Auteur / Autrice : Dinh Toan Vu
• Direction : Sylvain Bonvalot, Sean Bruinsma
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la Terre et des Planètes Solides
• Date : Soutenance le 25/02/2021
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de l’univers, de l’environnement et de l’espace (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Géosciences Environnement Toulouse (2011-....)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Asthénosphère

Lithosphère

Vietnam

Cartes gravimétriques

Mots clés libres

Quasigeoïde régional

GNSS/nivellement

Anomalie de gravité

Collocation des moindres carrés

Stokes FFT

Référence verticale locale

Unification du système de hauteur

Potentiel de gravité

Approche GBVP

GNSS-CORS

Hauteur du géoïde

Profondeur de Moho

Profondeur du LAB

Inversion de gravité

Regional quasigeoid

GNSS/levelling

Gravity anomaly

Least-Squares Collocation

Stokes FFT

Local Vertical Datum

Height system unification

Gravity potential

GBVP approach

GNSS-CORS

Geoid height

Moho depth

LAB depth

Gravity inversion

Résumé

Le but de ce travail était double. La première partie a été consacrée à la recherche de la taille et de la forme de la Terre au Vietnam à travers la détermination d'un modèle quasigeoïde gravimétrique local. La deuxième partie consistait à étudier la structure intérieure de la Terre sous le Vietnam en déterminant la profondeur du Moho et de la limite entre Lithosphère-Asthénosphère. Pour le premier objectif, un modèle quasigeoïde gravimétrique à haute résolution pour le Vietnam et ses environs a été déterminé sur la base de nouvelles données issues de campagnes gravimétriques terrestres en combinaison avec des observations satellites dans les régions non couvertes par les observations au sol. Le modèle quasigeoïde a été évalué en utilisant 812 points GNSS/nivellement dans la région d'étude. Cette comparaison indique que le modèle quasigeoïde a un écart type de 9.7 cm et un biais moyen de 50 cm. Ce nouveau modèle quasigeoïde local pour le Vietnam représente une amélioration significative par rapport aux modèles globaux EIGEN-6C4 et EGM2008, qui ont des écarts-types de 19.2 et 29.1 cm, respectivement, par rapport aux données GNSS/nivellement. Une application sociétale et technique essentielle du quasigeoïde gravimétrique est le nivellement par GNSS, et un modèle de décalage vertical pour le Vietnam et ses environs a donc été déterminé sur la base des points GNSS/nivellement et du modèle quasigeoïde gravimétrique. Le modèle de décalage (ou modèle de correction) a été évalué en comparant avec des données GNSS/nivellement. Les résultats indiquent que le modèle obtenu a un écart type de 5.9 cm au sens absolu. Grâce à ce modèle de décalage, le nivellement par GNSS peut donc être effectué dans la plupart du territoire vietnamien conformément aux exigences de nivellement du troisième ordre, tandis que les exigences de précision pour les réseaux de nivellement du quatrième ordre sont satisfaites pour tout le pays. Pour tenter d'unifier le système de hauteur ainsi déterminé vers l'IHRF (International Height Reference System), la valeur géopotentielle à zéro-hauteur pour le système de référence vertical local du Vietnam W_0^LVD a été déterminée en fonction de deux approches: 1) Utilisation de données GNSS/nivellement de haute qualité et du modèle quasigeoïde gravimétrique. 2) Utilisation de l'approche du problème de la valeur aux limites géodésiques basée sur le modèle de champ de gravité global GOCE amélioré avec des données de gravité terrestres. Cette valeur géopotentielle est utilisée pour rattacher le système de hauteur du Vietnam avec les pays voisins. De plus, l'approche du problème de la valeur des limites géodésiques a également été utilisée pour la détermination du potentiel de gravité à la surface de trois stations GNSS-CORS à l'époque 2018.0 au Vietnam. Sur la base de séries chronologiques de composantes verticales dérivées des observations GNSS ainsi que des données InSAR, les variations temporelles du géopotentiel ont également été estimées sur ces stations GNSS permanentes. Cela permet de surveiller la référence verticale et de détecter d'éventuelles déformations. Ces stations peuvent ainsi contribuer à augmenter la densité des points de référence dans l'IHRF pour cette région. Pour le deuxième objectif, le modèle de quasigéoïde local a d'abord été converti en géoïde. Ensuite, des modèles de profondeur du Moho et de la limite entre Lithosphère-Asthénosphère à haute résolution ont été déterminés sous le Vietnam sur la base de l'hypothèse isostatique locale en utilisant la hauteur du géoïde dérivée du géoïde, des données de hauteur et d'analyse thermique. [...]

The goal of this work was twofold. The first part was devoted to the research of the size and physical shape of the Earth in Vietnam through the determination of a local gravimetric quasigeoid model. The second part was to better constrain the Earth's interior structure beneath Vietnam by determining the Moho and Lithosphere-Asthenosphere Boundary (LAB) depth models. For the first objective, a high-resolution gravimetric quasigeoid model for Vietnam and its surrounding areas was determined based on new land gravity data in combination with fill-in data where no gravity data existed. The resulting quasigeoid model was evaluated using 812 GNSS/levelling points in the study region. This comparison indicates that the quasigeoid model has a standard deviation of 9.7 cm and 50 cm in mean bias. This new local quasigeoid model for Vietnam represents a significant improvement over the global models EIGEN-6C4 and EGM2008, which have standard deviations of 19.2 and 29.1 cm, respectively, when compared to the GNSS/levelling data. An essential societal and engineering application of the gravimetric quasigeoid is in GNSS levelling, and a vertical offset model for Vietnam and its surrounding areas was determined based on the GNSS/levelling points and gravimetric-only quasigeoid model for this purpose. The offset model was evaluated using cross-validation technique by comparing with GNSS/levelling data. Results indicate that the offset model has a standard deviation of 5.9 cm in the absolute sense. Thanks to this offset model, GNSS levelling can be carried out over most of Vietnam's territory complying to third-order levelling requirements, while the accuracy requirements for fourth-order levelling networks is met for the entire country. To unify the height system towards the International Height Reference Frame (IHRF), the zero-height geopotential value for the Vietnam Local Vertical Datum W_0^LVD was determined based on two approaches: 1) Using high-quality GNSS/levelling data and the estimated gravimetric quasigeoid model, 2) Using the Geodetic Boundary Value Problem (GBVP) approach based on the GOCE global gravity field model enhanced with terrestrial gravity data. This geopotential value can be used to connect the height system of Vietnam with the neighboring countries. Moreover, the GBVP approach was also used for direct determination of the gravity potential on the surface at three GNSS Continuously Operating Reference Station (CORS) stations at epoch 2018.0 in Vietnam. Based on time series of the vertical component derived from these GNSS observations as well as InSAR data, temporal variations in the geopotential were also estimated on these permanent GNSS stations. This enables monitoring of the vertical datum and detect possible deformation. These stations may thus contribute to increase the density of reference points in the IHRF for this region. For the second objective, the local quasigeoid model was first converted to the geoid. Then, high-resolution Moho and LAB depth models were determined beneath Vietnam based on the local isostatic hypothesis using the geoid height derived from the estimated geoid, elevation data and thermal analysis. From new land gravity data, a complete grid and map of gravity anomalies i.e., Free-air, Bouguer and Isostatic was determined for the whole of Vietnam. The Moho depth was also computed based on the gravity inversion using the Bouguer gravity anomaly grid. All new models are computed at 1' resolution. The resulting Moho and LAB depth models were evaluated using available seismic data as well as global and local lithospheric models available in the study region. [...]