Applications géodésiques en géophysique : (1) Modélisation mécanique et géodésie spatiale du plateau tibétain sud-oriental(2) Orientation et fonction de transfert des tiltmètres de forage

Geodetic Applications in Geophysics: (1) Mechanical modeling and spatial geodesy of the southeastern Tibetan Plateau (2) Orientation and transfer function of borehole tiltmeters

• Auteur / Autrice : Xiaojie Zhu
• Direction : Jean Chery, Jiankun He
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : STE-Sciences de la Terre
• Date : Inscription en doctorat le ; Soutenance le 13/12/2024
• Etablissement(s) : Université de Montpellier (2022-....) en cotutelle avec University of Chinese Academy of Sciences
• Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale GAIA Biodiversité, agriculture, alimentation, environnement, terre, eau (Montpellier ; 2015-...)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : GM - Géosciences Montpellier
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Transferts en Milieux Poreux
• Jury : Président / Présidente : Shunping Pei
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean Chery, Jiankun He, Jing Liu, Cécile Lasserre, Pierre Briole
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jing Liu, Pierre Briole

Mots clés

Mots clés libres

Géodésie

Simulation Numérique

Plateau Tibétain

Orientation du Tiltmètre

Fonction de Transfert

Geodesy

Numerical Simulation

Tibetan Plateau

Tiltmeter orientation

Transfer Function

Résumé

La géodésie spatiale est un outil essentiel dans la recherche géophysique moderne, offrant une grande précision et stabilité. En intégrant les données du Système de navigation par satellite mondial (GNSS) avec les observations du radar interférométrique à synthèse d'ouverture (InSAR), les chercheurs peuvent caractériser quantitativement les mouvements de la croûte terrestre. Cependant, dans des régions tectoniquement actives comme les zones de subduction et les systèmes de failles majeurs, l'application de ces observations révèle des limites dues à la complexité des dynamiques de faille. Pour y remédier, la combinaison de la géodésie spatiale avec des simulations numériques et des technologies de surveillance de haute précision, telles que les inclinomètres et les extensomètres, comble les lacunes inhérentes à la géodésie. Cela permet de mieux comprendre les mécanismes dynamiques et d’identifier les déformations de surface causées par le comportement des failles. Cette thèse, issue d'un programme doctoral conjoint entre l'Institut de recherche sur le plateau tibétain de l'Académie chinoise des sciences et l'Université de Montpellier, se concentre sur deux objectifs principaux : (1) combiner les simulations numériques et les données géodésiques pour étudier les mécanismes dynamiques, et (2) développer des méthodes innovantes pour la calibration de l'orientation des inclinomètres optiques de forage (OBT) et le calcul de la fonction de transfert afin d’obtenir des données précises au sol. La thèse démontre l'efficacité des simulations numériques dans l'exploration de la mécanique des failles du sud-est du plateau tibétain. Les résultats révèlent que la faible résistance au frottement et la géométrie du système de failles Xianshuihe-Xiaojiang jouent un rôle crucial dans la distribution des contraintes régionales, influençant l'activité dans la zone de faille de Mabian à l'extérieur du plateau. De plus, la faille Anninghe-Zemuhe régule le mouvement relatif entre le sud-est du plateau tibétain et le bloc du Sud de la Chine. Ces résultats améliorent notre compréhension du comportement sismique et fournissent des données essentielles pour les évaluations de risque sismique futures. La thèse aborde également les défis liés à l'acquisition de données précises grâce à une méthode de calibration azimutale innovante basée sur des calculs de corrélation des marées. Cette méthode optimise l'azimut en maximisant la corrélation entre les données enregistrées et les signaux de marée théoriques. Elle est efficace dans divers ensembles de données et peut s'appliquer à d'autres instruments, tels que les extensomètres et les sismomètres, dans des environnements de mesure difficiles. Pour réduire les distorsions causées par le couplage instrument-croûte, une méthode comparative utilisant des instruments calibrés à proximité est proposée. Cette méthode minimise les écarts entre les fonctions de transfert théoriques et opérationnelles, permettant une récupération précise des signaux de mouvement au sol. L'OBT, avec sa meilleure stabilité et son rapport signal sur bruit, est particulièrement utile pour la surveillance des mouvements de la Terre à long terme. En conclusion, cette thèse intègre la géodésie avec des techniques de simulation numérique pour étudier en profondeur les mécanismes géodynamiques du sud-est du plateau tibétain. Elle propose des méthodes pour la calibration azimutale et le couplage instrument-croûte, améliorant ainsi la précision des données de mouvement. Ces résultats approfondissent notre compréhension des mécanismes sismiques et établissent une base solide pour les futures prévisions et évaluations des risques sismiques.

Spatial geodesy has become an indispensable tool in contemporary geophysical research, offering excellent precision and stability. By integrating Global Navigation Satellite System (GNSS) data with Interferometric Synthetic Aperture Radar (InSAR) observations, researchers can quantitatively characterize Earth's crustal motion and deformation. However, the application of these observations in tectonically active regions, such as subduction zones and major fault systems, reveals limitations due to the complex and multifaceted nature of fault dynamics. To address these challenges, the combination of spatial geodesy with numerical simulations and high-precision monitoring technologies, such as tiltmeters and strainmeters, effectively bridges the gaps inherent in spatial geodesy. This integration provides deeper insights into dynamic mechanisms and offers complementary methods for identifying subtle surface deformations caused by fault behavior. This thesis, the result of the joint doctoral program between the Institute of Tibetan Plateau Research of the Chinese Academy of Sciences and the University of Montpellier, focuses on two key objectives: (1) combining numerical simulations and geodetic data to investigate dynamic mechanisms, and (2) developing innovative methods for precise optical borehole tiltmeter (OBT) orientation calibration and transfer function calculation to obtain accurate ground data. The specific contributions of this research are as follows: 1. This thesis highlights the effectiveness of numerical simulations in exploring the fault mechanics of the southeastern Tibetan Plateau. The results reveal that the low frictional strength and the distinctive big-bend geometry of the Xianshuihe-Xiaojiang fault system play critical roles in shaping regional strain distribution, influencing activity within the Mabian fault zone out of the Tibetan Plateau. Additionally, the Anninghe-Zemuhe fault is considered as the main boundary regulating relative motion between the southeastern Tibetan Plateau and the South China block. These insights not only enhance our understanding of regional seismic behavior but also provide essential data for future earthquake risk assessments. 2. The thesis also addresses challenges in high-precision tiltmeter data acquisition through an innovative OBT azimuthal calibration method based on tidal correlation calculations. This method optimizes azimuth by maximizing the correlation between recorded tilt data and theoretical tidal signals. It demonstrates consistent efficacy across various datasets and shows promise for application in other tidal phenomena recording instruments, such as strainmeters and seismometers, particularly in challenging measurement environments. Furthermore, to mitigate distortions from instrument-crust coupling, a comparative method utilizing nearby calibrated instruments is proposed. This method calculates transfer function parameters by minimizing discrepancies between theoretical and operational transfer functions, enabling the accurate retrieval of accurate ground motion signals. The OBT's higher stability and signal-to-noise ratios, particularly in detecting Earth's free oscillation modes, further underscore its utility for long-term Earth motion monitoring. In conclusion, this thesis integrates geodesy with numerical simulation techniques to deeply investigate the geodynamic mechanisms in the seismically active region of the southeastern Tibetan Plateau. It also proposes innovative methods for azimuthal and instrument-crust coupling calibrations, significantly improving the precision of ground motion data. These findings not only deepen our understanding of seismic mechanisms but also establish a robust scientific foundation for future earthquake prediction and risk assessment.