Utiliser les données de gravimétrie spatiale pour estimer l'état thermique et mécanique des plaques lithosphériques.

Using space gravity data to evaluate lithosphere thermal structure, a proxy for intraplate deformation.

• Auteur / Autrice : Xavier Vergeron
• Direction : Fanny Garel
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : STE-Sciences de la Terre
• Date : Inscription en doctorat le 01/11/2022
• Etablissement(s) : Université de Montpellier (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale GAIA Biodiversité, agriculture, alimentation, environnement, terre, eau (Montpellier ; 2015-...)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : GM - Géosciences Montpellier

Mots clés

Mots clés libres

Gravimétrie

Géodynamique

Subduction

Problème inverse

Structure thermique lithosphérique

Données synthétiques

Gravimetry

Geodynamics

Subduction

Inverse problem

Lithosphere thermal structure

Synthetic data

Résumé

Cadre. Cette thèse s'inscrit dans deux projets de recherches : Le projet ANR RheoBreak (2022 - 2026 - PI F.Garel) et le projet CNES GraviSSyM (2022-2026 – PI C. Cadio). Contexte. Une des grandes problématiques encore ouverte en géodynamique est l'explication du mécanisme des plaques tectoniques : (i) Comment et à quelle fréquence de nouvelles frontières de plaques se forment-elles ? (ii) Quand la tectonique des plaques a-t-elle été initiée sur Terre et comment a-t-elle évoluée jusqu'à aujourd'hui? La clé pour répondre à ces questions s'axe autour de la rhéologie du manteau supérieur, i.e comment se déforme-t-il en présence de contraintes mécanique. Sur des temps géologiques (> 1 Ma), le manteau supérieur, principalement constitué de péridotites riches en olivine, se comporte comme un vluide visqueux. Le projet ANR RheoBreak cherche à définir les conditions auxquelles le manteau lithosphérique visqueux peut subir de la déformation intraplaque. Le lien avec la structure des plaques actuelles sera fait en confrontant les prédictions de modèles numériques à de récentes données spatiales de gravimétrie acquises au niveau d'objets naturels. Les variations latérales du champs de gravité terrestre sont des marqueurs de la distribution inhomogène des masses internes due aux anomalies pétrologiques et/ou thermiques, e.g. un panneau plongeant froid ou une plaque amincie. Les anomalies de masse induisent du fluage dans le manteau qui déforme la surface terrestre et les frontières internes, influençant également l'intensité de la gravité. Sur cette base, les données historiques de gravimétrie ont apportées des informations cruciales sur le profil de viscosité radiale. Les récentes missions spatiales de gravimétrie (GRACE, GRACE-FO, GOCE) ont apporté des données de haute qualité sur l'intégralité de la surface terrestre. Par exemple, la basse altitude (~250 km) du satellite GOCE permet une résolution de 80 km à la surface. Cette couverture mondiale de haute précision est une amélioration par rapport aux anciennes données de gravimétrie et à l'hétérogénéité de distribution des sources et détecteurs en sismologie. En plus de la gravimétrie classique, le satellite GOCE fourni les 5 composants indépendants du tenseur de gradient de gravimétrie, qui est plus sensible aux propriétés de direction des masses attractantes que les données de gravimétrie classique et pourrait fournir de nouvelles informations sur la distribution des masses en profondeur. La gradiométrie a été utilisé jusqu'à présent pour étudier le manteau profond et le projet RheoBreak va s'intéresser pour la première fois aux structures des plaques à des échelles intermédiaires (100-1000 km). Objectifs : Nous allons quantifier la sensibilité des signaux synthétiques gravimétriques/gradiométriques à la structure thermique des plaques et allons définir une stratégie pour contraindre la déformation des plaques dans des cas naturels en utilisant des données spatiales de gravité. Approche : Nous allons utiliser le code Fluidity pour générer des modèles régionaux avec un amincissement de plaque puis calculer leur signature (synthétique) gravimétrique et gradiométrique en utilisant les programmes GEEC et DynG3 codéveloppés par C.Cadio et al. Nous appliquerons aux signaux synthétiques des analyses spectrales similaires à celles actuellement appliquées aux données satellitaires. Dans un premier temps, cela nous aidera à déconvoluer les effets du manteau de ceux de la croute dans le signal total. Ensuite, cela fera ressortir les meilleures variations de signal pour discriminer au mieux les nombreuses structures thermiques de plaques à des échelles intermédiaires (100-1000 km). Ultérieurement, nous chercherons à appliquer ce travail à des cas naturels pour déduire les structures thermiques à partir des signaux observés de gravimétrie et de gradiométrie. Le travail initial sera d'extraire le signal du manteau sur des cas naturels. Nous établirons une stratégie pour comparer des données naturelles ainsi traitées à la base de données synthétique générée à partir des modèles géodynamiques. Une des premières questions porte sur l'identification des paramètres et/ou des champs physiques viables pour une procédure d'inversion. Par exemple, nous pourrions inverser pour une ou plusieurs configurations la structure thermique de la plaque. Nous testerons différentes méthodes pour chercher la meilleure corrélation avec les données d'observation : RMS pondérée ou probabiliste.

Framework. The thesis is part of two funded projects: the ANR project RheoBreak (2022- 2026 – PI F. Garel) and the CNES project GraviSSyM (2022-2026 – PI C. Cadio). Context. One of the largest unresolved issues in geodynamics is explaining how plate tectonics works: (i) How and how often do new plate boundaries form? (ii) When did plate tectonics initiate on Earth and how has it evolved towards the present-day? The key to answer these questions centers around upper mantle rheology, i.e how it deforms under mechanical stresses. On geological timescales (> 1 Myr), the upper mantle, which comprises mostly olivine-dominated peridotite, behaves as a viscous fluid. The ANR project RheoBreak aims at defining the conditions under which the viscous lithospheric mantle can experience intraplate deformation localization. The link with present-day plate structure will be made through the confrontation of synthetic predictions from the dynamical models to recent space gravity data acquired over natural cases. The Earth's gravity field lateral variations reflect the inhomogeneous distribution of the internal masses due to petrological and/or thermal anomalies, e.g. a cold subducting slab or a thinned plate. Mass anomalies induce mantle flow which deforms the Earth's surface and internal boundaries, further influencing the gravity. On this basis, the gravity data historically brought crucial information on the radial viscosity profile. Recent space gravity missions (GRACE, GRACE-FO, GOCE) brought unprecedented highquality data over the entire Earth surface. For example, the low altitude (~250 km) of the GOCE satellite enables a resolution as low as 80 km at the surface. This worldwide and high-resolution coverage is an asset compared to previously available gravity data and to the heterogeneous distribution of both sources and sensors in seismology. In addition to classic gravimetry, the GOCE satellite provides the 5 independent components of the gravity gradient tensor, which are much more sensitive to directional properties of the attracting masses than classical gravity data and could provide unprecedented insight into the mass distribution at depth. Gradiometry has so far been used at large scales to study the deep mantle, and the RheoBreak project will investigate for the first-time plate structures at intermediate scales (100-1000 km). Objectives. We will quantify the sensitivity of synthetic gravimetry/ gradiometry signals to plate's thermal structure and will define a strategy to constrain plate deformation in nature from space gravity data. Approach. We will use the geodynamical code Fluidity to generate regional models featuring a plate thinning (e.g. continental rifting, subduction upper plate), and then calculate their (synthetic) gravimetric and gradiometric signature from the existing GEEC and DynG3 software co-developed by C. Cadio and collaborators. We will apply similar spectral analysis to the synthetics than the ones actually applied to satellite data, e.g. wavelet analysis. First, this will help us to deconvoluate the effects of the mantle from the ones of the crust in the total signal. Second, this will point out which signal variations (e.g. position, amplitude, wavelength) discriminate best the various plate thermal structures (associated to various deformation pattern) at intermediate scales (100-1000km). In a late stage, we aim at inferring for natural cases plate thermal structures from the observed gravimetry/gradiometry signals. The initial work will be to extract mantle signal over natural reference cases, e.g. the Mariana Trench. We will build a strategy to compare such filtered natural data to the database of gravity synthetics computed from geodynamical models. A first question is to identify the parameters (model inputs) and/or physical fields (model outputs) suitable for an inversion procedure. For example, we could invert for one or several quantitative features approaching the plate thermal structure (e.g. the depth of a given isotherm, or the lateral and vertical extents of this isotherm deflection). We will test different methods for searching for the lowest misfits with observational data: weighted RMS or probabilistic.