Plateforme Observationnelle

La plateforme observationnelle développe de nouvelles instrumentations et mène de nombreuses campagnes et missions de maintenance partout sur le globe. Ces mesures géodésiques et sismologiques réalisées in situ sont l'un des principaux outils de l'équipe « Géodynamique et Structures » du laboratoire. 

Plateforme d’instrumentation de géophysique mobile

    Le laboratoire de Géologie de l’ENS étudie la déformation à toutes les échelles de temps (des temps géologiques aux instants des ruptures sismiques) et d’espace (de l’échantillon de laboratoire aux plaques tectoniques). Il le fait au laboratoire avec ses plateformes expérimentales et analytiques, mais aussi en milieu naturel sur des chantiers géographiques spécifiques un peu partout sur la planète dont deux sites instrumentés labélisés par l’INSU/CNRS. Les mesures géodésiques et sismologiques in situ sont l’un des principaux outils de l’équipe « Géodynamique et Structures » du laboratoire (12 chercheurs et enseignants-chercheurs ; dont 6 travaillent directement avec des données géodésiques et 3 avec des données sismologiques). De ce fait, le laboratoire gère des réseaux GNSS permanents de plusieurs dizaines de stations sur divers chantiers, ainsi que des réseaux de centaines de marqueurs géodésiques. Ces instruments doivent être entretenus, ces réseaux doivent être remesurés périodiquement. Sur certains chantiers, s’y ajoutent des stations et des données sismologiques. Toutes ces mesures produisent des masses de données qu’il convient d’organiser et traiter pour l’analyse scientifique.

    Station permanente GNSS BAR2 – Baranquilla
    © Émilie Klein


Principaux chantiers

    • Le Golfe de Corinthe (Grèce)
    • La subduction Chilienne
    • La Faille Nord-Anatolienne en Turquie
    • Les instruments locaux :
      • Sismomètre installé en salle E319 à l’ENS (actuellement en maintenance…)
      • Station GNSS installée sur le toit de l’ENS

Activités de terrain de la plateforme

    En 2021

    • Juin-Juillet : Installation Raspberry Shake sur des églises en Toscane, Italie
      A.Montabert, H.Lyon-Caen

    En 2020

    • Février-Mars : Mesures des réseaux sGPS d’Atacama, Taltal, S5, Chili/Argentine
      A.Delorme, Z.Duputel, E.Klein, M.Métois, R.Tissandier, C.Vigny

    En 2019

    • Novembre – Campagne de mesures du réseau sGPS de Coquimbo, Chili
      E.Klein, C.Vigny
    • Octobre – Stage de terrain Géopotentiel M2, Var, France
      E.Calais, E.Klein, V. Lefils, N.Rochetin
    • Septembre – Mission de maintenance des réseaux cGPS-sismo à Corinthe, Grèce
      P.Briole, P.Elias, E.Klein
    • Août – Campagne de mesures du réseau sGPS de Taltal, Chili
      E.Klein, C.Vigny
    • Juin – Mission de maintenance des réseaux cGPS-sismo à Corinthe, Grèce
      P.Briole, P.Elias, E.Klein
    • Mars – Campagne de mesures du réseau sGPS d’Atacama, COP2020, Chili
      E.Klein, C.Vigny

Parc instrumental


Développement instrumental et valorisation/innovation

    Inclinomètre longue base à mesure optique
    Brevet France délivré le 21/05/2019 sous le numéro FR 2998957
    Brevet USA délivré le 12/06/2018 sous le numéro US 9995579
    Brevet Europe délivré le 21/11/2018 sous le numéro EP 2926085 et validé dans les pays suivants : Allemagne, France, Royaume Uni, Italie et Suisse

    Suite à l’ANR LINES (Laser INterferometry for Earth Strains) et dans le cadre d’une collaboration national (LGENS Paris, IPGP, LAAS OSE Toulouse, Géosciences Montpellier et LSBB), des capteurs de déformations innovants ont été développés et couplés par fibre optique à un interféromètre laser EFFPI (extrinsic Fabry-Pérot fiber optic interferometer). Ces développements se poursuivent par des projets de valorisation SATTs (CERN) et FUI MIRZA de 2012 à 2019. Au Laboratoire de Géologie, nous avons développé  et breveté un nouveau type d’inclinomètre longue base optique (brevet obtenu en France, en Europe et aux USA).

    Cet instrument fonctionne suivant le principe simple des vases communicants. Il est constitué d’au moins 2 pots reliés par un tube rempli d’eau (voir figure 1 et photo 1). Le déplacement de la masse mobile (eau pure) est mesuré à haute résolution (10-9 m) aux extrémités par un faisceau laser sans contact. Pour un instrument d’environ 100 m de long, nous obtenons une résolution angulaire proche de 10-11 rad, mais aussi une meilleure stabilité long terme que les autres inclinomètres à base courte (~1 m) disponibles dans la communauté (inclinomètre de forage vertical, inclinomètre pendulaire ou inclinomètre à bulle résistive). Proportionnellement, sa stabilité est environ 100 fois plus grande. On peut obtenir une précision mensuelle meilleure que les mesures GPS (0,1 mm en déplacement vertical relatif sur une base de 10 km). 

    Figure 1 : Principe de fonctionnement
    Photo 1a : Capteurs iHLS-LINES livré au CERN en juillet 2016 pour mesurer sans contact le niveau du liquide de nivellement à l’intérieur du capteur étanche.
    Photo 1b : Il n’utilise aucune électronique ; seul un faisceau laser infrarouge traverse le liquide et le signal lumineux est déporté par fibre optique à 300 m.

    Une 1ère station fonctionnant sans optique avec des LVDT (Linear Variable Differential Transformer) a été installée dans la lacune sismique nord-chilienne en 2012. Cette station a pu observer les déformations lentes pré-sismiques de très faibles amplitudes (à la limite de détection des mesures GPS) suite à l’événement majeur d’Iquique (Mw = 8.2) en 2014 (voir figure 2). Nos instruments sont également utilisés dans les observatoires nationaux ORE H+ (OSUR à Géosciences Rennes et au LSBB, Laboratoire souterrain à bas bruit, UMS 3538). L’objectif est d’étudier à haute précision les processus de transfert des masses d’eau souterraine.

    Figure 2 : Observation de glissements lents ~Mw6 précédents l’événement majeur d’Iquique Mw8.2 sur la zone de subduction du nord-Chili.

    Les nouvelles caractéristiques optiques apportent d’autres avantages par rapport aux générations de capteurs précédents. L’innovation brevetée porte sur une mesure différentielle effectuée à partir d’une seule source laser permettant de réduire les coûts et permettant de filtrer les bruits thermiques, atmosphériques et électromagnétiques sur toute la bande de fréquence (10-7 Hz – 100 Hz). Ces innovations et cette grande stabilité/précision sont des atouts indispensables pour être couplée aux réseaux GPS et permettre une observation des très faibles glissements lents sur les failles.
    L’absence d’électronique à l’intérieur du capteur apporte une grande robustesse sans alimentation électrique ni intervention sur le capteur. Les acquisitions de séries temporelles peuvent donc se faire sur des durées beaucoup plus longues, plusieurs décennies et avec un pas d’échantillonnage jusqu’à 10 kHz. Les signaux déportés par fibre optique entre 100 m et 10 km de distance permettent des déploiements autrefois impossibles : installation en réseau en tunnel profond sur les sites sismo-tectoniques de notre laboratoire (voir photo 2), mais aussi sur des sites radiatifs, électromagnétiques type CERN (accélérateur de particules) ou industriel. Un contrôle métrologique de haut niveau a été fait en collaboration avec le CERN en Suisse et le laboratoire OASIS du LAAS-CNRS à Toulouse (calibration, sensibilité, bruit instrumental, stabilité et précision des mesures). Cela nous a permis d’atteindre une maturité technologique au niveau TRL 6 à 7.

    Photo 2 : Photo d’une installation d’un inclinomètre longue base en tunnel profond sur la lacune.

    Depuis plus récemment, nous envisageons d’utiliser cette capacité de déploiement pour des installations en fond de mer (projets en cours interreg PREST et futur MARMOR en collaboration avec l’IPGP et l’IFREMER).  Les grands fonds marins représentent un environnement extrêmement hostile. Y accéder, pour l’observation et l’acquisition de données scientifiques, demeure – aujourd’hui encore – un défi, qui demande des moyens lourds à la mer. Nous développons un nouveau capteur de pression couplé à l’inclinomètre et à l’interféromètre optique pour une installation en Guadeloupe aux Saintes avant fin 2021 au plus près de l’activité sismique sous-marine récente.


Station permanente GNSS PCHO – Punta Choros © Émilie Klein