Détection de déformations transitoires dans les réseaux GPS denses / Detection of transient deformation in dense GPS networks

Sujet de stage M2 / Master-level internship

Les mesures de géodésie spatiale GPS permettent classiquement de déterminer les déplacements tectoniques séculaires à partir de changements de position mesurés avec une précision millimétrique. Les mesures continues dans des réseaux GPS denses montrent depuis peu qu'à ces déplacements séculaires se superposent des mouvements transitoires à des échelles temporelles et spatiales variables, qui se propagent parfois au travers des réseaux de mesure.

La cause de ces déformations transitoires est parfois identifiée, par exemple en association avec des crises volcaniques ou sous l'effet des variations de la charge hydrologique. Dans d'autres cas leur cause reste inconnue. Le lien potentiel entre certaines de ces déformations transitoires et l'activation des failles sismogéniques est un sujet de grande importance.

Ces déformations transitoires sont cependant difficiles à identifier car leur amplitude est souvent faible par rapport au bruit de mesure GPS. Par ailleurs, leurs échelles et corrélations spatio-temporelles ne sont généralement pas quantifiées, bien que cette information soit critique pour leur interprétation géophysique. Enfin, les méthodes classiquement utilisées pour détecter ces déformations transitoires nécessitent des hypothèses a priori sur leurs causes physiques ou leurs propriétés statistiques, qui sont le plus souvent inconnues.

L'objectif du stage est de rechercher dans des séries temporelles GPS des signaux transitoires  par une approche nouvelle qui utilise une méthode tirée de l'analyse des systèmes dynamiques. Cette méthode ("singular spectrum analysis" ou SSA) a été utilisée pour l'analyse des séries temporelles d'indicateurs climatiques, biomédicaux et macroéconomiques, mais jamais encore pour le GPS. Elle permet d'extraire de séries temporelles des informations quantifiées sur leur structure (tendances, périodicités, bruit) sans connaissance a priori de la dynamique du système sous-jacent.

Ces méthodes seront testées sur des séries temporelles synthétiques ainsi que sur des données réelles du "Plate Boundary Observatory" (PBO, Etats Unis) dans deux cas de déformations transitoires connues: (1) une surcharge hydrologique causée par un épisode pluvieux en Californie et (2) un épisode volcanique en Alaska. Sur la base de ces résultats, le travail sera éventuellement étendu à l'ensemble du réseau PBO.

Ce travail contribue à des efforts internationaux actuellement en cours pour détecter en routine et de manière automatique les signaux transitoires dans les réseaux GPS denses.

Ce stage ne nécessite pas de connaissances préalables en géodésie GPS, mais l'étudiant devra avoir de bonnes connaissances en mathématiques, connaitre unix/linux et savoir programmer. Des logiciels sont disponibles pour la mise en œuvre de la SSA sur des jeux de données spatio-temporelles.

Le stage sera effectué au département de géosciences de l'ENS sous la direction d'Eric Calais, en collaboration avec Michael Ghil.



Space geodetic measurements with GPS typically provide secular tectonic deformation from position changes now measured with millimeter precision. Continuous measurements in dense GPS networks are now showing transient deformation features at variable spatial and temporal scales superimposed on the secular displacements, and sometime propagating across the networks.

The physical mechanism driving these transient deformation features is sometimes identified, for instance magma movement in the case of volcanic crisis or variations of the hydrological loading for some seasonal transients. In other cases, the cause of the transient is unknown. The link between some of these transients and the activation of seismogenic faults is of particular significance.

Transient deformations are however difficult to identify because their amplitude if often small with respect to GPS noise measurement. In addition, their spatial and temporal scales are usually not quantified in spite of the importance of these parameters to understand the origin of those transients. Finally, classical methods used to identify the transients in position time series require a priori hypothesis on their physical cause or on their statistical properties while both are usually unknown.

The objective of the internship is to search for transient signals in GPS position time series with a novel approach that uses a method inherited from the analysis of dynamic systems. This method ("singular spectrum analysis" or SSA) has been applied to time series of climatic, biomedical, or macroeconomic indicators, but never to GPS. The methods extracts from time series quantitative information on their structure (trends, periodicities, noise) without any a priori hypothesis of knowledge of the underlying system's dynamics.

This approach will be tested on GPS time series from the Plate Boundary Observatory (PBO, USA) in two cases where transient deformation is known: (1) a hydrological loading event due to a heavy rainfall episode in California, and (2) a magmatic and volcano event in Alaska. On the basis of the results of these two cases, the study will be extended to the entire PBO network.

This internship contributes to current international efforts to routinely and automatically extract transient signals from dense GPS networks.

The internship does not require previous knowledge in geodesy or GPS, but the student should have a good background in mathematics, be comfortable with Unix/Linux, and know programming. Existing software packages are already available to implement SSA on spatial-temporal data sets mentioned above.

Internship advisors: Profs E. Calais (eric.calais@ens.fr, 01 44 32 22 17) and M. Ghil, Departement of Géosciences, Ecole Normale Supérieure

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