Étude des redistributions de masse à l’interface noyau-manteau de la Terre par gravimétrie spatiale

Connaître la structure et l’évolution de l’interface entre le noyau fluide et le manteau solide constitue un enjeu important pour comprendre les couplages dynamiques entre ces deux couches. Cependant, la caractérisation de cette frontière reste un défi en raison de la difficulté à obtenir des observations. L’étude du champ géomagnétique apporte des informations sur les courants au sommet du noyau, dont les variations les plus rapides donnent lieu aux secousses géomagnétiques. Parmi les modèles proposés, un couplage entre ces écoulements et des fluctuations temporelles de la topographie de l’interface noyau-manteau (CMB) a été envisagé. Pour l’étudier, nous explorons l’apport de la mission de gravimétrie spatiale GRACE pour détecter et quantifier les redistributions de masse associées.

Pour identifier de faibles signaux d’origine potentiellement profonde dans le champ de gravité terrestre et les distinguer des contributions plus importantes liées au cycle de l’eau, nous utilisons une analyse en gradients de gravité à différentes échelles spatiales, couplée à une analyse multi-échelles temporelle. Nous avons ainsi analysé quatre séries de géoïdes GRACE ainsi qu'une solution SLR (Satellite Laser Ranging), menant à la détection d’un signal anormal dans les gradients de gravité, sur une vaste zone à cheval entre le continent Africain et l’océan Atlantique. Ce signal évolue sur des échelles de temps s'étendant de quelques mois à environ 2 ans autour d’un maximum début 2007, et coïncide spatialement et temporellement avec la secousse géomagnétique de 2007. Nous analysons ensuite un ensemble de modèles hydrologiques et océaniques globaux, des données in-situ et effectuons une reconstruction des charges hydrologiques ou océaniques à partir des observations GRACE, pour montrer qu’aucun phénomène particulier lié au cycle de l’eau ne semble expliquer ce signal. Nous proposons qu'il pourrait refléter un déplacement en profondeur de la limite de phase pérovskite / post-pérovskite dans le manteau inférieur, en présence de petites hétérogénéités thermiques (environ -1K) à la base des panaches du LLSVP africain. Cette redistribution de masse peut modifier la topographie de la frontière noyau-manteau d’environ 10 cm sur une période de 2 ans et sur des échelles spatiales de l’ordre de 1000 km.

Nous appliquons ensuite la méthode des gradients à trois modèles de champ géomagnétique pour caractériser de manière nouvelle la secousse géomagnétique de 2007. Nous montrons ainsi qu'elle présente les mêmes caractéristiques spatio-temporelles que le signal anormal issu des données GRACE. Dans la dernière partie de la thèse, nous étudions enfin l’impact d’une variation temporelle de la topographie de la CMB sur les courants au sommet du noyau. Pour cela, nous développons un modèle d’écoulement dans une couche mince à la surface du noyau basé sur les équations des écoulements en eau peu profonde, et forcé par une topographie variable à la CMB. Le champ de vitesses est résolu en présence ou non d’un champ magnétique. Nos résultats montrent qu’une variation décimétrique locale sur deux ans de la topographie de la CMB peut générer des signaux géomagnétiques du même ordre de grandeur que ceux observés lors de la secousse de 2007.

Ces résultats montrent l’intérêt des observations de gravimétrie satellitaires pour caractériser les redistributions de masse à la base du manteau et à l’interface avec le noyau, aux échelles sub-décennales. Ils ouvrent ainsi des perspectives nouvelles pour étudier la dynamique profonde de la Terre et les processus à l’interface noyau-manteau, conjointement avec les observations du champ géomagnétique.