Le programme GPS-ALPES




Le premier réseau GPS à l'échelle des Alpes Occidentales


Noidant Chatenoy Tetes des Champs Rocher de la Pérouse Fixin Fahy Croix de Poupet Arc-sous-Cicon Publy La Grande Roche Col de la Givrine Ceyzeriat Plaine Joux Sarcey Creys-Malville Cuerme Aufferand Martigny Dent du Gonvy Roselend Petit St Bernard San Giovani Galleria Col du Mont Col du Nivolet Viriville Col de la Croix de Fer Aussoix Mont Chaboux Font d'Urle Rocher de la Paillere Champcella Punta Lauzaro Collet de Tat Le Chatelet Prato Nevoso Col du Pas Col du Bourricot Vercoiran Pas de l'Echelle Col de la Lombarde Le Grand Montagné Chaudon Lubéron St Julien Caussol Col de St Pancrace Le Rove Moulin Paillas La Bau des 4 Aures Mazzola Boca San Bastiano RESEAU GPS ALPES
les 58 sites du réseau GPS-Alpes (en blanc), sites italiens et suisses (sans couleur), réseaux permanents IGS (en bleu) et REGAL (en rouge)
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Les Alpes Occidentales sont l'une des chaines de collision les mieux étudiées que ce soit sur le plan structural depuis plus de 100 ans jusqu'aux récentes études de géophysique integrée (ECORS et EGT profils). Par contre la cinématique interne de la chaine était jusqu'à ces dernieres années difficilement décelable avec la géodesie classique, avec l'exception notable du nivellement de précision. Pour combler cette lacune l'équipe GPS-Alpes-93, comprenant des partenaires universitaires francais, suisses et italiens, a réalisé le premier réseau GPS de précision à l'échelle des Alpes Occidentales entre le 3 et le 18 Octobre 1993. 36 récepteurs ont été utilisés pour mesurer 58 points répartis sur une zone d'environ 800*500 km. Les premiers traitement des données, réalisés avec le logiciel GAMIT et les orbites précises IGS indiquent une répétabilite journaliere de l'ordre de 5mm quelle que soit la longueur des lignes de base. La premiere remesure du réseau a eu lieu entre le 24 Juin et le 6 Juillet 1998. La précision de cette campagne, traitée de la meme maniere, est encore meilleure (quelques mm seulememt). La premiere estimation de vitesses de déformation peut donc etre faite, en gardant à l'esprit la difficulté de l'exercice, compte tenu des faibles déplacements mis en jeux (10-20 mm sur 5 ans).


Cadre Structural et Cinématique

Les structures alpines actuelles resultent de la collision europe-afrique depuis le crétacé. La virgation des structures alpines est classiquement expliquée par un poinconnement de la micro-plaque Apulienne en direction du Nord, puis du Nord-Ouest. Le raccourcissement moyen serait de 300 à 400 km depuis la fermeture de la Thetis, soit une vitesse moyenne de convergence de 3 à 4 mm/a. Ce poinconnement s'est accompagné à l'oligo-aquitatien (? Ma) d'une rotation antihoraire du bloc corso-sarde allant de pair avec la création du bassin Liguro-Provencal. Durant cette période ont donc cohabité des régimes compressifs au front externe des Alpes et des phénomenes distensifs dans les Alpes du Sud. Actuellement le raccourcissement entre l'Afrique et l'europe , d'environ 6 mm/a d'apres le modele cinématique global NUVEL1 semble essentiellement transmis par le bloc corso-sarde comme en témoigne le régime de contrainte actuel (ritz) et les séismes compressifs enregistrés dans le Golfe de Genes.
La cinématique actuelle dans les Alpes, qui resulte de cette convergence, est probablement complexe pour au moins deux raisons :
1) A l'échelle de la lithosphere, Le guide de contrainte que constitue le manteau sous crustal en domaine continental est ajencé de facon complexe, en particulier sous la plaine du Po ou se juxtapose la plaque Europe. Si la croute inférieure est un reel niveau de découplage, cette déformation ne peut pas etre déduite de la déformation observée en surface;
2) A l'échelle de la croute, la cinématique actuelle correspond à la reprise d'accidents créés dans un contexte distensif lors de la phase Oligocene.


Les déformation actuelles

Deux types de données géodesiques existent déjà sur la chaine Alpine. Les données de triangulation éffectuées par l'IGN peuvent etre comparées entre 2 époques. Elles indiquent une direction de raccourcissement global NO-SE mais l'hétérogéneité des réseaux et la précision intrinseque de la mesure (10-6) introduisent un bruit de niveau comparable à celui du signal tectonique attendu (Jouanne). Les données de nivellement, de par leur précision intrinseque plus grande, indiquent à la fois une éxhumation de l'ordre de 1.5 mm/a des zones internes par rapport à la plateforme europeenne, ainsi que des différentiels de l'ordre de 1mm/a au passage des chevauchements des zones externes. Bien que les mesures de nivellement puissent contenir des biais intrumentaux non détectables pour de longues distances, la valeur d'exhumation trouvée pour les zones internes pourrait etre compatible avec les données thermo-barométriques de ces unités durant les 10 derniers millions d'années (en supposant une topographie plus ou moins stationnaire). Par contre, la vitesse de déplacement horizontale déduite des mouvements verticaux serait de 6 mm/y pour les seules zones externes, ce qui parait à la limite du compatible avec le modele cinématique global.
En plus des facteurs internes à la lithosphere (structure, rheologie, conditions aux limites), la mesure géodesique peut etre affectée par des causes externes telles que la déglaciation et l'érosion. Si la déglaciation semble etre négligeable pour les Alpes en raison de son ancienneté (-30000 ans) et la faible épaisseur de glace, l'érosion est un phénomene majeur ayant occasionné l'ablation de 30 km de croute dans les zones internes, avec une accéleration marquée lors des 10 Ma.
En resumé, la mesure de la déformation horizontale est indispensable pour aller plus loin dans la compréhension de la géodynamique alpine. La réalisation pratique du réseau GPS Alpes a été éffectuée en fonctions de 3 trois objectifs :
- A l'échelle d'une ou deux décennies, ce réseau permettra de déterminer la part de la convergence actuelle absorbée dans les Alpes et la déformation dans les diverses unités structurales de la chaine. On pourra en particulier détecter certaines complexités locales;
- en cas de séisme important, la réiteration immédiate du réseau permettra de déterminer les mouvements co et postsismique et d'avoir une estimation de la dislocation en profondeur;
- Ce canevas permettra de replacer dans un cadre general des études de détail sur des zones clés.

Description du réseau

Les sites de mesure sont répartis de facon relativement homogene dans les zones internes et externes des alpes, l'espacement moyen etant de l'ordre de 50 km. Cet espacement devient superieur dans les massifs péripheriques dans l'espoir d'accrocher des zones stables au Nord (Vosges, Morvan), à l'Ouest (Massif Central) et au Sud (Corse). Tous les sites situés en France et en Italie sont ancrés dans la roche en place, matérialisés avec des reperes en acier INOX, avec 3 points auxiliaires. Les sites situés en Suisse font partie du nouveau canevas géodésique suisse, déjà mesure en 1991.


DESCRIPTION DU RESEAU MESURÉ EN 93


Table 1. Coordonnées des sites GPS ALPES93 dans le repère WGS84 en degrés, minutes, secondes décimales.
No PAYS CODE LATITUDE (DMS) LONGITUDE (DMS) ALTITUDE(M) NOM COMPLET
1 Fr ARC0 47 2 44.7 6 22 24.3 855.8 ARC-SOUS-CICON
2 Fr AUF0 45 59 36.3 6 29 15.6 1660.4 AUFFERAND
3 Fr AUS0 45 13 23.3 6 44 29.6 1549.5 AUSSOIS
4 Fr BAU0 43 9 48.4 5 53 24.8 596.3 BAOU DE QUATRE AURES
5 Fr BSB0 42 1 27.1 8 43 57.4 515.6 BOCCA SAN BASTIANO
6 Fr CAU0 43 45 16.6 6 55 14.6 1318.2 CAUSSOLS
7 Fr CBR0 44 8 17.1 4 17 11.8 572.6 COL DU BOURRICOT
8 Fr CDM0 45 31 22.1 6 3 53.8 1097.6 COL DU MONT
9 Sw *CET 46 48 6 30 1222. COL DES ETROITS
10 Fr CEY0 46 12 18.6 5 20 31.4 580.7 CEYZERIAT
11 Fr CFE0 45 13 31.6 6 12 25.6 2098.3 COL DE LA CROIX DE FER
12 Fr CHA0 43 59 18.2 6 19 38.4 966.4 CHAUDON
13 Fr CHP0 44 44 4.1 6 34 12.2 1184.1 CHAMPCELLA
14 Sw *CHS 47 09 7 04 1649. CHASSERAL
15 Fr CLB0 44 12 12.8 7 9 12.9 2468.5 COL DE LA LOMBARDE
16 Fr CPA0 44 6 14.2 3 39 26.9 908.0 COL DU PAS
17 Fr CRM0 45 45 35.7 5 28 11.1 274.3 CREYS-MALVILLE
18 Fr CSP0 43 47 34.0 7 24 1.5 730.3 COL DE SAINT PANCRACE
19 Fr CTA0 44 41 3.8 5 54 40.4 1730.1 COLLET DU TAT
20 Fr CUE0 45 52 52.3 5 45 27.5 1483.1 CUERME
21 Fr CXP0 46 57 55.6 5 53 10.7 837.8 CROIX DE POUPET
22 Fr DTG0 45 47 40.0 6 6 31.1 1641.8 DENT DU GONVY
23 Sw FAH0 47 24 35.0 6 56 55.1 633.6 FAHY
24 Fr FIX0 47 14 34.1 4 57 18.6 487.0 FIXIN
25 Fr FUR0 44 53 32.4 5 19 21.7 1554.7 FONT D'URLE
26 Sw GIV0 46 27 14.7 6 6 7.4 1257.9 COL DE LA GIVRINE
27 Fr GMN0 43 58 33.3 4 45 59.0 240.2 LE GRAND MONTAGNE
28 Fr GRC0 46 26 57.9 4 42 52.7 557.2 LA GRANDE ROCHE
29 It *IMP 43 52 8 02 75. IMPERIA
30 Sw *JEI 46 18 7 36 1584. JEIZINEN
31 It LAU0 44 53 3.5 7 7 18.8 2331.7 PUNTA LAUZARO
32 Fr LCH0 44 32 12.0 6 47 4.0 1695.3 LE CHATELET
33 Fr LUB0 43 48 13.3 5 8 59.1 699.2 PETIT LUBERON
34 Sw MAR1 46 6 17.2 7 4 7.5 593.4 MARTIGNY
35 Fr MAZ0 42 38 48.0 9 18 6.3 235.2 MONTE A MAZZOLA
36 It *MIL 45 17 9 08 120. POLITECNICO MILANO
37 Fr MPA0 43 13 10.1 6 36 3.8 368.0 MOULIN PAILLAS
38 Fr MTC0 45 6 00.0 5 46 2.8 781.5 MONTCHABOUD
39 Fr NCH0 47 47 40.8 5 22 3.0 501.3 NOIDANT-CHATENOY
40 It NIV0 45 28 44.4 7 8 34.4 2680.7 COL DU NIVOLET
41 Fr PEC0 44 14 53.7 6 3 6.0 1274.0 PAS DE L'ECHELLE
42 Fr PLJ0 46 11 52.7 6 27 56.0 1314.7 PLAINE JOUX
43 It PRN0 44 15 3.3 7 47 19.5 1693.9 PRATO NEVOSO
44 It PSB0 45 39 11.5 6 51 57.1 2430.3 PETIT SAINT BERNARD
45 Fr PUB0 46 38 46.6 5 38 36.6 567.4 PUBLY
46 Fr RPA0 44 45 51.1 4 24 40.8 1131.5 ROCHER DE LA PAILLERE
47 Fr RPE0 47 18 50.9 4 0 26.9 597.3 ROCHER DE LA PEROUSE
48 Fr RSL0 45 41 29.7 6 37 41.8 1693.4 ROSELEND
49 Fr RVE0 43 22 30.3 5 17 23.8 325.5 LE ROVE
50 Fr SAR0 45 52 37.4 4 32 19.0 382.0 SARCEY
51 It SGG0 45 39 30.3 7 59 30.8 1095.4 SANTUARIO SAN GIOVANNI GALLERIA
52 Fr SJU0 43 41 35.5 5 54 16.8 616.0 SAINT JULIEN LA MONTAGNE
53 Fr TCH0 47 54 57.9 6 49 38.1 1046.1 TETE DES CHAMPS
54 Sw *TRE 46 36 7 04 804. LA TOUR-DE-TREME
55 It *TUR 45 03 45.1 7 39 41.8 326.8 POLITECNICO TORINO
56 Fr VER0 44 18 7.6 5 20 33.6 681.2 VERCOIRAN
57 Fr VIR0 45 17 9.1 5 12 3.3 601.2 VIRIVILLE
58 Sw ZIMM 46 52 37.5 7 27 55.1 956.0 ZIMMERWALD
  • Les distances entre stations correspondent à une répétabilite centimétrique, par contre les positions absolues peuvent correspondre à des incertitudes de quelques dizaines de centimètres.
  • Les calculs ont été effectués par christophe vigny avec le logiciel gamit 9.3, sauf pour les sites dont les noms sont précédés d'une * dont les coordonnées sont très approximatives.

Scénario de la campagne 1993

Le réseau francais comprends donc 51 points. Trois d'entre eux sont "fixés", c'est à dire qu'ils sont stationnés en permanence pendant toute la campagne. les 48 autres sont mesurés à l'aide de 18 récepteurs mobiles du parc INSU. La campagne se déroule en 3 phases (A, B, C) de 4 jours chacune. Les mesures principales sont éffectuées de nuit par sessions de 12 heures (20h-8h). Les rattachements des points auxilliaires sont effectués de jour par sessions de 3 heures environ (1h par point auxiliaire).


LES 3 PHASES DE MESURES


Au final, 41 sites ont été occupés pendant 4 sessions (les sites mobiles), 6 sites pendant 6 sessions (les sites "d'accrochage" entre les trois phases), et 3 sites continuement pendant toute la campagne. Cette disposition est classique lorsque l'on dispose de moins de récepteurs que de sites à mesurer. Finalement, 700 lignes de base sur les 1275 possibles ont été mesurées au moins 4 fois.
En raison des conditions météorologiques "raisonnables" presque toutes les sessions de mesures plannifiées ont été effectuées. Grace à l'absence d'Anti-Spoofing (AS) pendnant la presque totalité de la campagne, la plupart des données contiennent les mesures du code précis, malgré l'inexistence de technologie Z à l'époque.
Seize de nos sites appartiennent au nouveau réseau de base Francais (RBF). De ce fait, durant et immédiatement après la campagne, 25 sites ont éeé rattachés par GPS aux sites les plus proches du réseau géodésique francais NTF (Nouvelle Triangulation de la France).
Pendant la campagne francaise, des mesures ont été réalisées indépendamment par les Suisses et les Italiens. Parceque les sessions de mesures ne coincident pas exactement, peu d'observations sont vraiment simultanées. De ce fait, ces données seront traitées à part (en 3 jeux distincts) et seule les 3 solutions indépendantes seront combinées au moyen d'un filtre de Kalman.


Traitement des données

1993

L'analyse des données GPS à été effectuée à l'ENS, à l'aides des logiciels GAMIT et GLOBK (du MIT). Les données des 9 stations Européennes environnantes sont inclues dans le traitement, de manière à fournir un sytème de référence stable. Les donnéees Suisses et Italiennes ne sont pas inclues directement dans l'analyse mais sont traitées à part, puis combinées avec la solution "francaise" au moyen d'un filtre de Kalman. Aucune information météorologique à priori n'est introduite dans le traitement. Les délais troposphériques sont estimés à partir des données elles memes sous la forme d'un "paramètre athmosphérique" empirique toutes les deux heures.
Les résultats sont présentés sous la forme de la répétabilité des lignes de base. Cette répétabilité est en fait tout simplement la dispersion statistique des mesures quotidiennes de chaque ligne de base par rapport à sa valeur moyenne.


Alpes 93 - orbites IGS

RÉPÉTABILITÉ AMBIGUITÉS NON RÉSOLUES RÉPÉTABILITÉS AMBIGUITÉS RÉSOLUES


Table2. Répétabilité 1993
Nord Est Vertical
ENS GAMIT (amb. libres) 55 sites - 910 lignes 4.4 mm 7.4 mm 14.1 mm
ENS GAMIT (amb. résolues) 55 sites 910 lignes 5.8 mm 7.3 mm 14.6 mm
IGN BERNESE
Chambéry BERNESE


Le fait que la dispersion soit quasi indépendante de la longueur des lignes de base montre que les orbites des satellites GPS sont correctement estimées et qu'il n'y a pas de gain en précision supplémentaire à espérer de ce coté là. Le fait que des lignes de longueur proche aient des répétabilités différentes provient des "erreurs" telles que : mauvais centrage des trépieds, mauvaise(s) journée(s) de données à un site particulier, etc... Par contre, la résolution des ambiguités est relativement décevante...En y regardant de plus près, ca marche quand meme un peu sur les lignes les plus courtes.


Taux de résolution des ambiguités
248249250251252253254255256257258259260
29%34%39%36%29%41%19%31%34%35%33%31%40%
ATTENTION : la résolution d'ambiguités n'est tentée que sur les lignes < 500 km, soit environ 75% des lignes (703 sur 910). Donc en fait, un taux "brut" de 30% correspond à un taux "net" d'environ 40%


Liste des problèmes et spécificités des données 93