Etat des lieux en gravimétrie terrestre

Présentation de Nicolas Le Moigne (Géosciences Montpellier) au Workshop "Instrumentation Géophysique" | 3-5 juillet 2017, Brissac

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1. Etat des lieux et développements en gravimétrie terrestre et mobile Nicolas Le Moigne nicolas.lemoigne@umontpellier.fr
2. Définitions • Gravimétrie : Méthode qui permet de mesurer le champ de pesanteur • Pesanteur : g = gravité ‘accélération gravitationnelle’ + accélération centrifuge • Unité : SI : g=9,81 m/s2 En géophysique : 1 Gal=1cm/s2 1uGal = 10‐8 m/s2 ≈ 10‐9 <g>
3. Qu’est ce qui fait varier la pesanteur ? • Variation de masse g sommet < g sol g sol • Variation altitude g g
4. Ordre de grandeur 9 8 0 1 2 3 4 5 6 1μGal : lame eau 2.5cm 3μGal : mvt vertical 1cm Marée océanique Marée terrestre Aplatissement de la terre 9,78 au pôle 9,83 à l’équateur Grands réservoirs Masses internes Montagnes et fosses océaniques Gal mGal μGal Sur la lune g=1,6m/s2
5. Comment mesurer g ?
6. Quel instrument pour quelle mesure ? • Gravimètre absolu – Pendule – Corner‐cube – Quantique • Gravimètre relatif – Pendule – A ressort – Supraconducteur – Accéléromètre – MEMS Mesure absolue – Valeur vraie de g Mesure relative – Variation de g – Dérive instrumentale
7. • Gravimètre absolu – Corner‐cube – Quantique • Gravimètre relatif – Pendule – A ressort – Supraconducteur – Accéléromètre – MEMS Mesure absolue – Valeur vraie de g Mesure relative – Variation de g + → Réseau absolu
8. DÉVELOPPEMENTS EN GRAVIMÉTRIE Evolution de la précision des techniques de mesures de g (1670‐1995) 1995‐2015 ? : Améliorations (CG5, iOSG / iGrav, FG5/A10,…) – Innovation : atomes froids Premières mesures (Pendules) Gravimètres modernes (~10‐8 – 10‐9) Gravimètres relatifs (à ressort) Gravimètres relatifs supraconducteurs) Gravimètres absolus (chute libre) Années 2000 – Gravimètres quantiques Gravimètre quantique ?
9. Différents types de gravimètres • Gravimètres relatifs – Ressort – Supraconducteur
10. Gravimètre relatif Worden • Années 50 Capteur en quartz fondu Dispositif mécanique et optique de lecture des variations d’allongement du ressort nécessaire pour remettre la masse dans sa position d’équilibre
11. Gravimètre relatif Worden Mesures longues et manuelles
12. Gravimètre relatif Scintrex masse placée dans un capteur capacitif – allongement du ressort (la mesure de pesanteur revient à une mesure de tension électrique)
13. Gravimètre relatif Scintrex L&R ‐ G Scintrex CG3 1990 Scintrex CG5 2005 Scintrex CG6 2016 Ultra‐portable Facile utilisation Dérive 500 uGal/jour Automatisation des relevés
14. Applications – gravimètres relatifs Réseau à l’échelle d’un « petit » pays 300 km* 100 km 1pt/5km Précision 0,1mGal Etude locale 150m*150m 1pts / 4m Précision 5uGal
15. Applications – gravimètres relatifs Microg‐Lacoste gPhone Etude de marées Monitoring court terme
16. Gravimètre relatif Supraconducteur 45 ans d’évolution
17. Gravimètre relatif SG Bille Rb 2,5cm Qq grammes Sensibilité– nGal Dérive très faible – 3‐5uGal/an 2 Hz Relatif ‐ Calibration nécessaire Installation « lourde » Acquisition Compresseur He 4°K
18. Gravimètre relatif SG
19. Applications En France Strasbourg – 1985 Depuis 2011 – 8 nouveaux instruments Monitoring hydrologie Suivi long terme et continu du champ de pesanteur
20. Différents types de gravimètres • Gravimètres absolus – Corner‐cube – Atomes froids
21. Premières Mesures g absolu Corrections : Baro Polar motion Altitude Earth / Ocean loading Site de test AQG‐A10 Mesures FG5
22. Gravimètres Absolus Microg‐Lacoste FG5 Instrument labo … utilisé sur le terrain Principe de la chute libre
23. 23 Gravimètre absolu : principe de la chute libre – corner cube Gravimètre absolu Micro‐g Lacoste FG5 Principe de la chute libre Précision : 1‐2 µGal 1 µgal ~ attraction d’une lame d’eau de 2.5 cm 3 µgal ~ 1 cm en vertical
24. GRAVIMETRE À ATOMES FROIDS : ETAT DES LIEUX ?  Evolution de l’instrumentation gravimétrique à atomes froids
25.  Gravimètres absolus coin cube FG5 vs quantique 10 cm Pyramide Nuage atomes Enceinte à vide 1er blindage magnétique 2nd blindage magnétique Accéléromètre « passif » Collimateur Inclinomètres Pompe ionique Pompe Getter FG5 AQG 20 à 7 cm  Chute périodique d’un nuage d’atomes (Cs, Rb) soumis à l’action de la gravité  Piégeage, refroidissement (qq µK) et détection des atomes par laser  Propriété des ondes de matières pour créer un interféromètre atomique (mesure déplacement des atomes) GRAVIMETRE À ATOMES FROIDS VS. FG5 / A10
26. Ex : Inter-comparaisons (ICAG 2009 BIPM) -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 30 NOAA/FG5-102 CMS/FG5-224 WUT/FG5-230 UME/A10-5 KRISS/FGL-103 LNE-SYRTE/CAG-01 VUGTK/FG5-215 NMIJ/FG5-213 UM/FG5-228 BKG/FG5-101 LANT/FG5-233 NRC/FG5-105 IfE/FG5-220 IGNV/FG5-238 FGI/FG5-221 IGC/A10-20 METAS/FG5-209 IPGP/A10-14 BEV/JILAg-6 NIM/NIM-02 MPL/MPG-2 Absolute gravimeters DoE / µGal Figure 5.1 Degrees of Equivalence for the AGs participating in the ICAG2009 with respect to the KCRV calculated for CCM.G-K1 following precedures specified by the CIPM MRA (positive DoE means positively biased AG). The dots are the KC AGs and squares the PS AGs. The error bars represent the expanded uncertainties (U k ) at 95% confidence. Jiang et al., Metrologia, 2012) AUTRES VALIDATIONS / INTER-COMPARAISONS À VENIR
27. GRAVIMETRE À ATOMES FROIDS : ETAT DES LIEUX ? 2009 2015 ‐ Instrument de laboratoire ‐ Instrument de terrain ‐ Mesures absolues en continu ‐ Maintenance réduite
28. GRAVIMETRE À ATOMES FROIDS : ETAT DES LIEUX ? 1er gravimètre atomique « portable » opérationnel compatible avec utilisation labo courante La précision du FG5 avec une mise en œuvre plus simple 2009 2015 Présentation Vincent Menoret – Muquans Un gravimètre à atomes froids transportables pour les applications géophysiques
29. Et la gravimétrie embarquée ? Sur la mer (idem aéroporté) Instrument relatif embarqué + rattachement Scintrex + base absolue à terre (KSS ou Microg Lacoste LR) (Scintrex CGX) (MGL A10)
30. ONERA’s Cold Atom sensor projects • Cold Atom Gravimeters: GIRAFON (2003-2011) Lab gravimeter GIRAFE (2007-2009) Transportable gravimeter GIRAFE 2 (2013-2016) Onboard gravimeter • Multispecies Cold Atom Sensors: - Universality of Free Fall with 87Rb/85Rb → Resolution/Accuracy on η : 10-9/10-7 - Towards new generation of instruments with increased meas. range, sensitivity, no deadtime • Futur Space Missions with Atom interferometers - Hybrid Atomic-Electrostatic accelerometer for geodesy mission • Development of a cold atom gradiometer/IMU : - Realization under progress - Bloch oscillations for atomic clouds separation Oct. 2015/ Janv. 2016: First demonstrations of gravity measurements on a boat (Atlantic) April 2017: First demonstration of gravity measurements on an aircraft (Iceland)
31. GIRAFE 2 (2013-2016) : Marine survey 2 shipborne gravity campaigns (~ 10 days) in Oct. 2015 and Jan. 2016 on the BHO Beautemps-Beaupré french ship (SHOM) Cold atom gravimeter GIRAFE 2 Measurements: GIRAFE 2 and KSS32 comparison 85 m long ship BHO KSS32 Marine relative gravimeter (Bodenseewerk)
32. Application gravimétrie mobile 50km 1 pixel satellite Mesures gravi sol Développements mobiles (drones, avion, ballon, …) → Combler le gap Sol ‐ Spatial
33. Développement G2O Technologie validée pour sismologie et inclinométrie FUI MIRZA – ANR LINES Démonstrateur pour g Plus de detail : H‐C Seat – Mercredi matin
34. • Mesure vectorielle de la gravité par 3 accéléromètres électrostatiques – Triade accélérométrique Système GraviMob – ESGT Thèse Clément Roussel, 2017 Capteur + Porteur
35. Measurement of the Earth tides with a MEMS gravimeter, Nature 2016 Glasgow University Pour détecter d’infimes altérations de la gravité, le système utilise une masse mobile suspendue dans un cadre de silicium qui change de position au gré des fluctuations de l’attraction terrestre. Une photodiode placée dans son ombre mesure les variations de luminosité engendrées par ce mouvement et les traduit en mesures gravimétriques Le Monde, Mars 2016 Micro‐capteur en silicium → produc on très peu couteuse Isolation en cuivre → régulation thermique Surface capteur 1cm2
36. MEMS Capteur lowcost Dérive 140uGal/jour Raw data Filtre 10min Filtre 2h Mesures MEMS après correction Marée terrestre théorique Mardi L. Guerineau – SERCEL High sensitivity MEMS‐based accelerometer
37. MEMS Supraconducteur MEMS gPhone CG5
38. Et après ? https://www.raellic.com/graviton/
39. Gravity – local scale (observatory) •Continuous observation SG •Drift and calibration AG •High accuracy •Local observation •From very short (min/h) • to long term observation
40. Gravity – large scale (field) •Large scale RG •Drift correction AG •Spatio‐temporal variation •Surface to depth observation •No spatial limitation