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Propositions stages M1,M2


Stage de M2 - Mines Paris Tech / ENS Laboratoire de Géologie

Imagerie haute résolution du rift de Corinthe par tomographie des séismes locaux

Encadrants Alexandrine Gesret, Mark Noble et Hélène Lyon-Caen (alexandrine.gesret@mines-paristech.fr, mark.noble@mines-paristech.fr, helene.lyon-caen@ens.fr )

Résumé

Depuis 2000, un observatoire naturel multidisciplinaire (voir l’instrumentation du Laboratoire du Rift de Corinthe CRL, http://crlab.eu) a été déployé visant, entre autres, à comprendre les mécanismes de fracturation et de nucléation des séismes dans le rift de Corinthe. Plusieurs études ont déjà mené à une meilleure compréhension de ces mécanismes mais une meilleure caractérisation de la structure en profondeur reste nécessaire afin d’améliorer la précision de localisation des séismes et de mener des interprétations fiables de la sismicité. Le but de ce stage est d’analyser la base de données sismologiques (13 ans d’enregistrements) en utilisant des méthodologies d’imagerie récemment développées pour déterminer avec une haute résolution la structure locale 3D ainsi que la localisation des séismes.

L’étudiant réalisera une inversion conjointe du modèle de vitesse de propagation des ondes et des localisations des événements sismiques. Les modèles de vitesse P et S seront estimés par tomographie des temps de première arrivée basée sur la méthode de l’état adjoint. Cette inversion consiste en une minimisation de la fonction coût entre les temps de trajet observés et les temps de trajet théoriques, qui est réalisée en estimant le gradient de la fonction coût. Les localisations des séismes seront aussi estimées par calcul du gradient de la fonction coût. Un modèle de vitesse 1D sera d’abord recherché, modèle qui servira de modèle initial dans l’inversion conjointe du modèle de vitesse 3D et de localisation des séismes. Des informations sur la structure issues d’autres travaux pourront être utilisées comme information a priori. Par exemple, les profondeurs d’interface obtenues par une analyse de fonctions récepteur pourront être injectées dans le problème inverse de tomographie, ce qui devrait résulter en une bonne estimation des vitesses de propagation sous les sismomètres. Les contraintes sur la structure très peu profonde donnée par tomographie de bruit pourront également être injectées. Une période du stage sera dédiée à se familiariser aux données acquises dans le rift de Corinthe. L’étudiant devra également calculer des tests de sensibilité et de résolution afin de mener des interprétations fiables.

L’étudiant utilisera également un code de localisation probabiliste afin d’obtenir des localisations précises des séismes avec les incertitudes associées. L’interprétation de la sismicité relocalisée dans cette image haute résolution devrait aider à comprendre les mécanismes de fracturation et de nucléation des séismes dans la partie Ouest du rift de Corinthe.

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Imagerie HR Rift de Corinthe par tomographie

Stage de M2 - Laboratoire Yves Rocard : CEA-DASE / ENS département de géosciences

Modélisations de tsunamis dans le Nord-Est Caraïbe

Encadrants A. Gailler (CEA), E. Calais (ENS)

Durée du stage 4 à 6 mois, janvier à juin 2017

Résumé

Le Nord-Est de la Caraïbe est une région ou séismes et tsunamis ont un très fort impact sociétal. Ce secteur se caractérise par une subduction oblique entre les plaques Amérique et Caraïbe qui s’accompagne d’une déformation contrastée de l’arc entre les grandes Antilles et Porto Rico. La totalité de la population de la région est exposée aux mouvements sismiques du sol et une majeure partie d’entre elle l’est aussi aux tsunamis. Des séismes majeurs y sont connus historiquement dans le Sud (M7.5, 1751) et Nord (M8.0, 1842, tsunami 3-4 m) d’Haïti, le Nord-Est de la République Dominicaine (M8.1, 1946, tsunami 4-5 m), Porto Rico (M8, 1787 et M7.3 1918, les deux accompagnés d’un tsunami), Nevis (M7.5, 1690), Guadeloupe (M > 8, 1843, sans tsunami observé) (tenBrink et al., 2011). Nombre de ces événements restent peu étudiés et leur relation avec les sources sismogènes de la région n’est pas toujours clairement établie. Le séisme d’Haïti en 2010 a rappelé, si besoin était, les progrès qui restent à réaliser en matière de connaissance de l’aléa et de préparation dans cette région.

Le stage s’inscrit dans la continuité de 1ers travaux réalisés fin 2014 début 2015 concernant le tsunami lié au séisme de Port-au-Prince de 2010, pour lequel différentes sources sismiques avaient été testées. Néanmoins, aucune des modélisations réalisées n’a permis d’expliquer conjointement les observations de hauteur d’eau côtières et en mer. L’objectif sera ici d’ajouter la contribution de possibles sources d’origine gravitaire, de modéliser la propagation des tsunamis associés et de comparer les hauteurs d’eau (inondations) observées avec les prédictions des modèles.

Le stage se déroulera dans le cadre du Laboratoire de Recherche Commun Yves Rocard, pour partie au sein du département de géosciences de l’Ecole Normale Supérieure (E. Calais), pour partie au sein du CEA/DASE Laboratoire de Détection et de Géophysique (A. Gailler et H. Hébert).

Prérequis : Ce stage nécessite des connaissances de base en géophysique, une pratique de linux et des notions de programmation. Des connaissances de base en SIG sont également un atout.

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Modélisation de tsunamis dans le Nord-Est Caraïbe

Stage de M2 - ENS laboratoire de Géologie

Hydrologie et déformations de la surface terrestre

Encadrants Sophie VIOLETTE (sophie.violette@ens.fr), Jérôme FORTIN, Eric CALAIS, Dominique Bruel

Durée du stage 6 mois à compter du 1er février 2017

Allocation de stage gratification de stage mensuelle

Résumé

L’avènement des mesures à haute résolution spatio-temporelle par satellites de la déformation de la surface de la Terre (GPS, radar) a permis de mettre en évidence qu’au signal de déformation d’origine tectonique se superposent des signaux à caractère cyclique, en particulier saisonniers, pouvant être mis en relation avec des phénomènes hydrologiques, notamment la variation du stock en eau sous la surface du sol (GRACE) ou la compaction/gonflement de couches plus profondes non consolidées sous l’effet de pompages/injections anthropiques. L’objectif du stage est de mieux comprendre les mécanismes physiques d’origine hydrologique (présence d’eau et/ou sa mise en mouvement au sein d’un milieu poreux poro-élastique) pouvant expliquer tout ou partie du signal de déformation de la surface terrestre mesuré.

La recherche bibliographique permettra d’appréhender le sujet et de réaliser une étude méthodologique des processus hydrologiques et poro-élastiques susceptibles de conduire à une déformation de la surface du sol. Ainsi des cas synthétiques pourront être établis et l’effet des processus hydrologiques (présence de l’eau et sa mise en mouvement au sein d’un milieu poro-élastique) sur la déformation de la surface du sol sera quantifié soit par méthode analytique (cas simple 1D), soit par modèle numérique (outil multiphysics COMSOL). Enfin, en contexte de bassin sédimentaire asismique l’information hydro-climatologique, hydrodynamique, géologique, des propriétés physiques des roches et géodésique sera rassemblée de façon à confronter mesures et analyses quantitatives pour comprendre quelle est potentiellement la part du signal hydrologique dans les mesures de déformation de la surface de la Terre.

Profil du candidat : fin d’études d’école d’ingénieur ou master 2ème année avec une spécialisation en géophysique ou hydrogéologie. Des connaissances en physique des roches et des fluides ainsi qu’en modélisation numérique seront appréciées.


Stage de M2 - ENS laboratoire de Géologie

Hydrologie et mouvements verticaux en France

Encadrants Eric Calais (eric.calais@ens.fr), collaboration Sophie Violette, Jérôme Fortin, Dominique Bruel

Durée du stage 6 mois à compter du 1er février 2017

Allocation de stage gratification de stage mensuelle

Résumé

L’avènement des mesures à haute résolution spatio-temporelle par satellites de la déformation de la surface de la Terre (GPS, radar) a permis de mettre en évidence qu’au signal de déformation d’origine tectonique se superposent des signaux à caractère cyclique, en particulier saisonniers, pouvant être mis en relation avec des phénomènes hydrologiques, notamment la variation du stock en eau sous la surface du sol (GRACE) ou la compaction/gonflement de couches plus profondes non consolidées sous l’effet de pompages/injections anthropiques.

L’analyse des données des réseaux GNSS permanents denses permet de nos jours d’identifier des déformations faibles grâce à la redondance spatiale des mesures. Cela permet, en particulier, de mesurer les défomations verticales causées par des processus hydro-climatologiques tels que le chargement/déchargement des aquifères. Des résultats préliminaires en France métropolitaine indiquent que ces processus pourraient être responsables de déformations verticales d’échelle régionale, qui renseigneraient alors sur le bilan hydrologique et les capacités d’emmagasinement de ces aquifères. L’objectif de ce stage est de tester ces observations géodésique préliminaires par une analyse poussée des données des réseaux GNSS permanents francais (RGP, RENAG, etc).

Le stagiaire sera formé au traitement des données GNSS à l’aide de logiciels de recherche existants. Il/elle produira des séries temporelles de positions qui seront comparées à celles obtenues par des centres d’analyse de données internationaux. Il/elle utilisera des techniques de traitement du signal pour extraire des défomations de ces observations géodésiques. Il/elle comparera ces déformations à des modèles mécaniques simples.

Profil du candidat. Fin d’études d’école d’ingénieur ou master 2ème année avec une spécialisation en géophysique ou géodésie. Des connaissances de linux et en programmation, ainsi que des bases de géodésie spatiale sont nécessaires.


Stage de M2 - ENS laboratoire de Géologie

Des séismes profonds au laboratoire : étude mécanique de la transformation Olivine – Spinel

Encadrants Alexandre Schubnel (ENS Paris - aschubnel@geologie.ens.fr), Harsha Bhat (ENS Paris), Nadège Hilairet (Université de Lille)

Résumé

Alors que les tremblements de terre superficiels ont lieu dans des zones où les contraintes normales et la température sont relativement faibles (σn < GPa, T < 500°C), et les contraintes déviatoriques sont fortes (t ∼ 0.5-1GPa), les tremblements de terre profonds (400 - 700 km) ont lieu au contraire dans des conditions extrêmes (σn ∼ 20GPa, T ∼ 1200°C, faibles contraintes déviatoriques) où il est mécaniquement difficile d’envisager la propagation dynamique de fracture. En effet, à ces profondeurs, les énergies de fracture et de friction mises en jeu sont énormes et de ce fait, la source de ces tremblements de Terre profonds reste encore largement mystérieuse (Kanamori et al.1998).

Les transformations olivine α-(Mg,Fe)2SiO4 en forme β et γ (structure spinel) dans le panneau plongeant des zones de subduction ont souvent été invoquées pour expliquer l’occurrence de ces tremblements de terre profonds (Green et al. 1990). Nous proposons donc de revisiter cette transformation minérale au laboratoire, grâce à un nouvel appareil de déformation HP-HT (presse dite de Griggs, 6 GPa - 3 GPa, 1300°C), en effectuant un monitoring acoustique continu (Schubnel et al. 2013), afin d’enregistrer la nano-sismicité générée par la transformation. Il s’agira de caractériser les rôles respectifs de la vitesse de déformation, de la contrainte déviatorique, de la pression moyenne et de la température sur la cinétique de la transformation et donc sur la génération de nano-séismes. Enfin, un modèle thermo-chemo-mécanique (Rudnicki et Rice 1975) devrait permettre le passage à l’échelle entre le laboratoire et l’échelle naturelle.

Les expériences sur la presse de Griggs installée à l’ENS Paris se feront sur l’analogue d’olivine de germanium Mg2GeO4, et seront, à terme, répétées en presse D-DIA, sur la ligne haute-pression du synchrotron APS à Chicago (US) sur l’olivine de silicium.

Ce projet, financé dans le cadre du projet Européen ERC REALISM, est doté d’une bourse de thèse.

Références

- Green H.W., Young T.E., Walker D. et Scholz C.H., Anticrack-associated faulting at very high pressure in natural olivine, Nature, 348, 720-722, 1990.
- Kanamori H., Anderson D.A. and Heaton T.H., Frictional Melting During the Rupture of the 1994 Bolivian Earthquake, Science, 279, 839-842, 1998.
- Rudnicki J.W. et Rice J.R., Conditions for the localization of deformation in pressure-sensitive dilatant materials, Journal of Rheology, 28, 759-778, 1975.
- Schubnel A., F. Brunet, N. Hilairet, J. Gasc, Y. Wang and H.W. Green II, Deep focus earthquake analogs recorded at high pressure and temperature in the laboratory, Science, 341, 1377-1380, 2013.

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Séismes profonds en laboratoire (ERC)