Pourquoi mesurer les déformations des fonds marins ?

Les océans, opaques aux signaux électromagnétiques tels que GPS, Doris ou Galiléo, sont nos principaux obstacles pour cartographier globalement les déformations de la Terre. Les surfaces immergées représentent plus de 70% de la surface du Globe ; être capable de mesurer des déformations sous l’eau aura donc des conséquences importantes sur des études à différentes échelles, aussi bien sur des questions de géodésie globale que pour des applications plus locales géodynamiques ou industrielles. Par exemple, de nombreuses zones actives sont situées sous l’eau et donc, la mesure des déformations actives en milieu sous-marin se révèle indispensable pour répondre à un certain nombre de questions liées à l’étude de ces zones. Certains mécanismes géophysiques tels que l’accrétion océanique ou la subduction sont sous-marins par essence (sauf pour les cas particuliers de l’Afar et l’Islande en ce qui concerne l’accrétion) et ne peuvent pas être compris totalement si l’on ne sait pas ce qui se passe en domaine marin.

Dans un premier temps, nous nous intéressons plus particulièrement à la mesure des mouvements verticaux du sol à partir de données de pression fond de mer. Ces études impliquant des mesures fond de mer sont très complémentaires d’autres méthodes mises en œuvre au laboratoire telles que l’étude des mouvements verticaux et des mouvements de masse par gravimétrie terrestre ou spatiale.

Pourquoi la pression en fond de mer peut-elle renseigner sur les mouvements du sol ?

La pression en fond de mer est sensible à des variations du poids de la colonne d’eau et d’atmosphère au dessus du point de mesure.
Pfond = Patmosphérique + ρgh
ρ étant la densité moyenne de la colonne d’eau, h sa hauteur et g l’accélération de la pesanteur
La pression au fond varie donc avec :
- des variations de pression atmosphérique,
- des variations du poids (hauteur ou densité) de la colonne d’eau liées à des phénomènes océaniques (ex : marées, dynamique océanique),
- des variations de hauteur du point de mesure de la pression (signal de déformation magmatique ou tectonique recherché, ou phénomènes de surcharge).

Comment s’y prendre pour mesurer les déformations verticales ?

Dans la pratique, nous menons deux types d’approches en fonction des conditions de mesure et du signal recherché. Il s’agit des enregistrements continus en une ou plusieurs stations et des enregistrements répétés sur réseau de répétition. Ces deux approches peuvent être complémentaires et menées sur un même chantier, comme par exemple sur le chantier MoMAR.
L’enregistrement continu permet d’avoir un suivi temporel avec une fréquence d’échantillonnage élevée et donne donc accès éventuellement aux mécanismes de la déformation et à sa localisation dans le temps. La difficulté est alors de discriminer dans le signal total de pression de fond entre les contributions atmosphérique et océanique au signal (de l’ordre du mètre) et celle que nous recherchons (de l’ordre du centimètre). A cette fin, nous combinons des mesures de pression de fond avec d’autres mesures telles que des mesures du niveau de la mer par GPS cinématique (données acquises sur bouée ou navire) ou altimétrie satellitale et avec des mesures de gravimétrie satellitale (GRACE). Les variations du niveau de la mer (mesurées par GPS ou par altimétrie satellitale) peuvent être causées aussi bien par des variations de densité de l’eau que par des variations de la masse du système. En revanche, toute variation de la pression en fond de mer ou du champ de pesanteur traduit une variation de la masse d’eau (en l’absence de mouvement du sol ou du sous-sol et après correction des effets atmosphériques). Ainsi, combinant les techniques, nous devrions progresser dans la compréhension du signal de pression en fond de mer et donc à terme pouvoir identifier dans ce signal d’éventuels mouvements verticaux.

Les mesures effectuées sur réseau de répétition présentent deux avantages majeurs :
- elles permettent d’être effectuées en plusieurs points proches avec le même instrument, ce qui permet donc de caractériser la distribution spatiale de la déformation
- et permettent de s’affranchir au premier ordre des contributions atmosphériques et océaniques au signal de pression, en faisant l’hypothèse que les variations océaniques et atmosphériques affectent tout le réseau de la même façon au moment des mesures.
En revanche, elles nécessitent des campagnes de terrain plus lourdes et n’apportent pas d’information sur les caractéristiques temporelles de la déformation (inférieures à l’échelle de la fréquence des mesures).

Avec quels outils ?

Des instruments sont développés au laboratoire afin de répondre aux objectifs définis précédemment de mesure de la pression au fond en continu ou sur un réseau de répétition et de mesure de la hauteur de la surface de l’eau par bouée GPS. Les jauges de pression pour enregistrements continus ou répétés sont essentiellement basés sur des capteurs de pression Paroscientific, associés à des capteurs annexes tels que des capteurs de température ou des inclinomètres. Une attention particulière a été portée sur les systèmes d’installation au sol afin d’assurer une bonne pérennité des installations et la possibilité de replacer les instruments après relève exactement à la même place au centimètre près. Ces développements ont été menés dans le cadre du projet ASSEM piloté par l’Ifremer.

Station permettant l’enregistrement continu de la pression pendant 1 an.

Bouée GPS autonome permettant l’enregistrement des données satellitaires pendant environ 2 jours à 1 Hz. L’antenne sous la demi-sphère en plexiglass est une antenne choke-ring. Le chargement des batteries et déchargement des données peut être effectué sans ouvrir la demi-sphère.

Pressionaut : instrument permettant la mesure de la pression sur un réseau de répétition, à l’aide d’un engin sous-marin tel que le Nautile ou le ROV de l’Ifremer.

Les expériences en cours

Responsable scientifique : V. Ballu
Autres personnes impliquées : M. Diament, O. de Viron, C. Deplus, MN. Bouin (IGN/LAREG)

Responsable technique : B. Lecomte
Autre personne impliquée : O. Pot