Utiliser les données de gravimétrie spatiale pour estimer l'état thermique et mécanique des plaques lithosphériques // Using space gravity data to evaluate lithosphere thermal structure, a proxy for plate deformation

Le manteau terrestre est étudié indirectement par l'imagerie (tomographie) sismique, par exemple au niveau des zones de subduction où des plaques lithosphériques froides et denses («slabs») sont identifiées parfois jusqu'à plus de 1000 km de profondeur. Les variations latérales du champ de gravité terrestre reflètent également la répartition inhomogène des masses dans l'intérieur de la Terre, du fait des anomalies lithologiques ou thermiques - par exemple un «slab» froid ou une plaque lithosphérique d'épaisseur variable (bord d'un craton, rift, point chaud). Ces anomalies de masse entraînent un mouvement du manteau, ce dernier déformant les interfaces de densité (à la surface et dans la Terre), impactant également le champ de gravité. C'est ainsi qu'historiquement l'étude des données gravitaires a permis de contraindre le profil radial de viscosité dans la Terre interne.

Des missions spatiales récentes (GRACE, GRACE-FO, GOCE) ont permis d'acquérir des données d'une qualité sans précédent sur l'ensemble de la Terre. Par exemple, la faible altitude (~250 km) du satellite GOCE autorise une résolution spatiale aussi bonne que 80 km à la surface. Cette couverture mondiale homogène est une nette amélioration par rapport à (i) les données gravimétriques plus anciennes et (ii) à la distribution hérétorgène des sources et stations sismologiques. De plus, le satellite GOCE fournit les 5 composants indépendants du tenseur de gravité, qui sont bien plus sensibles à la directionalité de la source de densité comparé aux signaux classiques (géoïde, vecteur gravité), et pourraient donc apporter un éclairage inédit sur la distribution des masses dans la Terre interne. La gradiométrie a jusqu'ici été utilisée dans l'étude de la Terre principalement sur des échelles spatiales très grandes, mais notre projet prévoir de l'utiliser pour étudier des structurs de plaques d'échelle intermédiaire (100-1000 km).

Objectif. Nous souhaitons poursuivre l'étude de sensibilité des données synthétiques de gravimétrie et gradiométrie à la structure thermique des plaques, et définir une stratégie pour contraindre par inversion ces structures à partir des données de gravimétrie spatiale.


Approche. Une étude préliminaire utilisant des données synthétiques suggère qu'une combinaison de plusieurs signaux, e.g. le géoïde et la composante Tzz du tensor du gradient de gravité, pourrait apporter des contraintes sur la structure d'une plaque en subduction dont la géométrie est supposée connue (par imagerie sismique).
Nous souhaitons maintenant analyser les données satellitaires acquises au-dessus de zones de subduction naturelles (e.g. Izu-Bonin-Mariana) pour tester si une température moyenne dans la zone de transition du manteau (400-700 km), où de nombreux tremblement de terre se produisent, peut être estimée. Le travail de la thèse comprendra:
- l'utilisation d'un «geomodeller» pour générer des structures 2-D ou 3-D de plaques en subduction,
- le développement d'un modèle direct générant des structures thermiques intraslab variées,
- la correction des données satellites pour enlever la contribution des anomalies de masses superficielles (e.g. sédiments, croûte, plaques en surface),
- le développement et l'application d'une stratégie d'inversion: quels diagnostics extraits du signal brut? quelle combinaison (pondérée) des différents signaux gravimétriques?

Dans un second temps, le projet s'intéressera à la signature gradiométrique au-dessus de plusieurs zones de subduction, afin d'apporter des informations pour quantifier la traction du slab, ainsi qu'aux signaux dans le cas d'autres contextes géodynamiques où l'épaisseur des plaques varie latéralement.
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The inacessible Earth's mantle is often indirectly echographied by seismic waves tomography, e.g. at subduction zones where denser and colder lithospheric plates (slabs) are imaged down to the lower mantle. The Earth's gravity field lateral variations also reflect the inhomogeneous distribution of the internal masses due to petrological and/or thermal anomalies, e.g. a cold subducting slab or a plate variable lithosphere thickness (craton edge, rift, plume). Mass anomalies induce mantle flows which deform the Earth's surface and internal boundaries, further influencing the gravity. On this basis, the gravity data historically brought crucial information on the radial viscosity profile.

Recent space gravity missions (GRACE, GRACE-FO, GOCE) brought unprecedented high-quality data over the entire Earth surface. For example, the low altitude (~250 km) of the GOCE satellite enables a resolution as low as 80 km at the surface. This worldwide and high-resolution coverage is an asset compared to previously available gravity data and to the heterogeneous distribution of both sources and sensors in seismology. In addition to classic gravimetry, the GOCE satellite provides the 5 independent components of the gravity gradient tensor, which are much more sensitive to directional properties of the attracting masses than classical gravity data and could provide unprecedented insight into the mass distribution at depth. Gradiometry has so far been mostly used at large scales to study the deep mantle, while this project will investigate plate structures at intermediate scales (100-1000 km).


Objective. We will further quantify the sensitivity of synthetic gravimetry and gradiometry signals to plate's thermal structure, and will define a strategy to constrain lithospheric thermal state from space gravity data.



Approach. A preliminary study based on synthetic gravimetric data has suggested that a combination of various signals, e.g. geoid and gravity gradient component Tzz, could bring insights into the thermal structure of a subducting slab of known morphology.
We wish now to analyze satellite data over natural Earth's subduction zones (e.g. the Izu-Bonin-Mariana subduction zone) to test if a mean slab temperature within the mantle transition zone, where numerous earthquakes occur, can be constrained. The PhD work will comprise:
- the use of a geomodeller tool to infer complex 2-D and 3-D slab shapes,
- the development of a forward model generating various inner thermal structures for subduction zones,
- the correction of satellite data for shallower gravimetry sources (e.g. sediments, crust, surface plates)
- the development and application of an inversion strategy: which features of the bulk signal ? which (weighed) combination of gravimetric signals ?

In a second time, the projet will also investigate the gradiometric signatures of Earth's subduction zones worldwide, to bright new constraints on slab pull quantification, and/or other geodynamical contexts where lithosphere thickness is expected to vary laterally.
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Début de la thèse : 01/10/2025

Concours GAIA

Université de Montpellier

584 GAIA - Biodiversité, Agriculture, Alimentation, Environnement, Terre, Eau

- connaissances solides en (géo)physique (gravimétrie, mécanique des fluides) - connaissances en traitement des données - compétences en programmation informatique (Python, Matlab) - expression orale et écrite de qualité et en anglais - personne motivée et curieuse, capable d'esprit critique - compétences pour travailler en équipe et communiquer
- Solid background in geophysics and/or physics (gravimetry, fluid mechanics) - Knowledge in data processing - Computer programming skills (Python, Matlab) - Written and oral communication skills in English - Motivated, open-minded and with critical thinking - teamwork and communication skills