Geophysical and petrological characterization of the lithospheric mantle in Iberia and North Africa

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Carballo González, Alberto

2016-A
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Resumen

El registro de las variaciones temporales de la gravedad tiene una larga tradición en Europa. En Estrasburgo el primer gravímetro adquirido con el propósito de observar dichas variaciones fue instalado en 1954. Desde entonces 8 modelos diferentes de gravímetros (gravímetros de muelle, superconductores (SG) y gravímetros absolutos) han estado registrando en períodos consecutivos. Durante estas seis décadas, los sensores, los sistemas de adquisición y las técnicas de análisis han mejorado drásticamente. Utilizando todas las series del observatorio J9 de Estrasburgo para verificar estas mejoras, se concluye que la precisión ha sido incrementada más de 10 veces con respecto a los primeros modelos de gravímetros de muelle utilizados. 

Posteriormente se utilizan varias de las series de datos de gravedad de mayor longitud registradas en Europa con diferentes modelos de gravímetros (de muelle en BFO (Alemania, 1980-2012), Walferdange (Luxemburgo, 1980-1995) y Potsdam (Alemania, 1974-1998), y varias estaciones de SGs con al menos 9 años de registro pertenecientes todas ellas a la red mundial GGP: Bad Homburg, Bruselas, Medicina, Membach, Moxa, Viena, Wettzell y J9), para poder comparar la sensibilidad de los diferentes tipos de instrumentos a través de la evolución temporal de los factores gravimétricos (amplitud y desfase) de las principales ondas de mareas diurnas y semidiurnas (O1, P1, K1, M2, S2 y K2) y de la relación entre las amplitudes M2/O1 (esta relación al ser independiente de la calibración instrumental es un muy buen indicador de la estabilidad del instrumento). Aparecen diversas variaciones temporales en los factores de amplitud de todas las series, siendo muy similares para casi todas las series de SGs, con una estabilidad entre el 0,03 y el 0,3 por ciento. Los posibles orígenes de estas variaciones son estudiados, para ello se analizan las correlaciones con efectos geofísicos, con el ruido instrumental y ambiental, etc. Y se lleva a cabo un estudio detallado de la estabilidad del factor de calibración del SG instalado en J9, a través de los numerosos experimentos de calibración realizados mediante el registro en paralelo de un gravímetro absoluto.

Teniendo en cuenta todos estos resultados, se profundiza en los principales beneficios obtenidos al utilizar registros muy largos de SGs a la hora de realizar un análisis de mareas o un análisis espectral. Utilizando la serie de 27 años de los SGs instalados en J9, que es la serie más larga a nivel mundial, su longitud nos permite separar las contribuciones correspondientes a ondas con frecuencias muy cercanas, detectar señales muy débiles (especialmente ondas derivadas del potencial de marea de grado 3) y detectar efectos con frecuencia muy bajas.

En la última parte, después de revisar la historia de las primeras observaciones de la resonancia de la FCN utilizando datos de gravedad, se estiman los valores de sus parámetros (Q y T_FCN) utilizando todas las series de J9 y del resto de las estaciones de SGs. Los valores obtenidos son muy cercanos a los valores estimados tanto mediante cálculos teóricos como a partir de observaciones de VLBI. También se estudia otro modo de rotación, el denominado FICN cuyos efectos no han sido nunca observados en los datos de gravedad, y del que los cálculos teóricos predicen un efecto muy pequeño de resonancia en las mareas terrestres. Para intentar observar alguna consecuencia derivada del FICN se desarrolla una metodología que nos permite ir limitando el rango de frecuencias de estudio, a través del análisis de mareas detallado en la banda de frecuencia diurna, separando ondas de amplitudes tan pequeñas que nunca antes habían sido observadas y que pudieran estar lo suficientemente próximas a la frecuencia asociada a la FCIN como para verse afectadas en términos de amplitud. Un posible efecto de resonancia aparece próximo a 1,00198 cpd (0,99924 CpsD), que correspondería a un período de alrededor de 1.300 días sid. 

 

 
Abstract

Temporal gravity variation measurements have been a long historical tradition in Central Europe, with some stations recording for decades. From the 80s, time varying gravity is permanently recorded at the Earth’s surface by a worldwide network of superconducting relative gravimeters within the Global Geodynamics Project of the International Association of Geodesy.

In one of these stations, located in Strasbourg since the 1970s, the three main gravimeter types (relative spring gravimeter, relative superconducting gravimeter, and absolute gravimeter) have been set up. We use all these series to review the instrumental betterments. Studying the different improvements on gravimeters in the last years, mainly in terms of long term stability and instrumental drift, we show that the superconducting gravimeters can uniquely contribute to the study of the low frequency Earth’s tides and small amplitudes waves. Also, the stability of the scale factor of the superconducting gravimeters is studied with the help of numerous calibration experiments carried out by collocated absolute measurements at Strasbourg Observatory.

Finally, after estimating the values of the Free Core Nutation parameters, we search for the rotational normal mode called Free Inner Core Nutation (FICN), the gravity effect of which has never been observed before. For this purpose we develop a methodology to constrain the possible frequency range, through the detailed tidal analysis in the diurnal frequency band, using the 27-year superconducting gravity series recorded at J9 observatory, to separate small amplitude waves that have never been studied before, and which could be close enough to the frequency range of the FICN to be affected in terms of resonant amplitude.

This work contributes to show the importance of not only the length, but also the quality of the data series to improve our knowledge of the Earth’s dynamics. 

 
Índice

Acknowledgementsv

Abstractvii

List of figuresix

List of Tablesxvii

List of used abbreviationsxix

1. General Introduction1

2. Earth tides: theory, instrumentation and analysis2

2.1 Earth Tides5

2.1.1 Introduction5

2.1.2 The tidal force7

2.1.3 The tidal accelerations8

2.1.4 Tidal potential9

2.1.5 Tidal Potential Catalogues13

2.1.6 Tidal Parameters15

2.1.7 Earth Response17

2.1.8 Long-Period tides20

2.2 Instrumentation25

2.2.1 Historical Instruments: Pendulums26

2.2.2 Relative gravimeters30

2.2.3 Absolute gravimeters38

2.2.4 Instruments used in this study42

2.3 Gravimetric data analyses43

2.3.1 Pre-processing of both spring and SG records43

2.3.2 Earth tides analysis54

2.3.3 Modern tidal analysis software56

2.3.4 Comparative analysis ETERNA 3.4/VAV61

3. Gravimetric Observation in Strasbourg (1954-2014)67

3.0 Gravimetric tides before 195471

3.1. Seismological Observatory of Strasbourg (1950-1970)73

3.1.1. Observation of Long Period tidal waves74

3.1.2. First observation of Free Core Nutation resonance with gravimetric data75

3.2. Gravimetric Observatory of Strasbourg J9 (1970s – today)77

3.2.1. Spring gravimeters78

3.2.2. Superconducting gravimeters80

3.2.3. Absolute gravimeters82

4. Time stability of tidal parameters in Europe85

4.1. Introduction87

4.1.1 Stations88

4.1.2. Time stability89

4.2 Time variation of tidal parameters in spring gravimeter series90

4.3 Comparison of spring and superconducting gravimeters at J9100

4.4 Superconducting gravimeters in Europe109

4.5. Time stability of SG instrumental scale factor at J9117

4.6. Summary of chapter 4125

5. Contribution of long data series to tidal gravimetry127

5.1. Introduction129

5.2 Analysis of small-amplitude tidal constituents131

5.3 Analysis of near frequency tidal components138

5.4 Observation and search for very low frequency signals144

5.4.1. Search of the 18.6 year period signal147

5.4.2. Search of the 9.3 year period signal151

5.5. Summary of Chapter 5152

6. Contribution of the gravimetry to rotational modes (FCN&FICN)153

6.1 Introduction155

6.2. Theoretical approach to FCN164

6.2.1. Linearized least-squares approach166

6.2.2. Bayesian approach167

6.3. Historical quest for the FCN resonance in gravity data170

6.4. Observations of the FCN resonance using other geodetic techniques175

6.5 Numerical results180

6.6 Attempt of detection of the FICN190

6.7. Chapter’s summary196

7. Conclusions &Perspectives199

Conclusions201

Perspectives203

Annexes205

Annex A207

Annex B211

Annex C219

Annex D221

Annex E223

Annex F225

Bibliography227

RESUMEN247

RÉSUMÉ267

 
Conclusiones

En Estrasburgo, el primer gravímetro adquirido con el principal propósito de observar las mareas terrestres fue instalado en 1954. Desde entonces, 8 modelos diferentes de gravímetros (gravímetros relativos de muelle, gravímetros relativos  superconductores y gravímetros absolutos) han estado registrando las variaciones temporales de la gravedad en períodos consecutivos. Durante estas seis décadas, los sensores, los sistemas de adquisición y los métodos computacionales han mejorado drásticamente.
Hemos utilizado todas las series obtenidas en el observatorio J9 de Estrasburgo para verificar estas mejoras, concluyendo que la precisión en las medidas relativas de la gravedad ha sido incrementada en más de 10 veces con respecto a los primeros modelos de gravímetros de muelle utilizados. La estabilidad temporal y el nivel de ruido de todas estas series también han sido estudiados, principalmente la estabilidad a largo plazo de los parámetros de marea (amplitud y fase) y de la deriva instrumental.
Estudios similares sobre la estabilidad temporal han sido realizados utilizando las series de datos de gravedad de 8 gravímetros relativos superconductores instalados en Europa, todos ellos pertenecientes a la red mundial de SGs (Global Geodynamics Project). Obteniendo para todos ellos unas evoluciones temporales de sus factores de amplitud muy similares a las obtenidas para los datos de Estrasburgo, todas ellas con una estabilidad comprendida entre el 0,03% y el 0,3% de la señal. Algunas fluctuaciones con oscilaciones estacionales aparecen en varias estaciones. En el caso de que estas variaciones temporales reflejaran un proceso geofísico, deberían observarse de una manera similar en la mayoría de las estaciones Europeas, o al menos en las estaciones que se encuentran más cercanas, pero no es el caso en nuestros resultados. Además, como las variaciones obtenidas para la relación dM2/dO1 son mucho menores que las variaciones obtenidas para cada factor gravimétrico individual, nos lleva a considerar que una 
parte de las fluctuaciones de los factores de marea serán debidas a cambios de origen instrumental (por ejemplo, factor de calibración). Sin embargo, después de utilizar todos los experimentos de calibración realizados en J9 desde 1996 para comprobar la estabilidad temporal del factor de calibración del SG C026, se llega a la conclusión de que la estabilidad interna obtenida a partir del estudio de los parámetros de marea es más de 10 veces mejor. 
Teniendo en cuenta todos estos resultados, es evidente que gracias a su mayor estabilidad, los gravímetros superconductores pueden contribuir de forma única al estudio de las mareas terrestres de frecuencias bajas y/o amplitudes muy pequeñas. La capacidad de los SGs para observar de forma precisa efectos con amplitudes del orden de 0.1 µGal ha abierto muchas posibilidades científicas interesantes. Por lo tanto, utilizando la serie de 27 años de datos de SG estudiada anteriormente, realizamos un análisis espectral de alta resolución en las bandas de marea, que nos ha permitido:
– Separar las contribuciones de distintas ondas con frecuencias muy cercanas que nunca fueron observadas antes
– Detectar señales muy débiles (especialmente ondas derivadas del potencial de marea de grado 3)
– Detectar efectos con frecuencias muy baja
Desafortunadamente, a pesar de la duración de 27 años de nuestra serie de datos, todavía no hemos sido capaces de observar claramente las ondas con periodos de 9,3 y 18,6 años, ondas que son de un gran interés para la investigación del comportamiento reológico de la Tierra sólida en esos períodos.
Por último, se ha revisado la historia de las primeras observaciones de la resonancia de la FCN utilizando datos de gravedad. Se han estimado los valores de los parámetros de la FCN utilizando datos de todas las series de Estrasburgo y también de todas las series de los SGs europeos. Todos estos resultados están en muy buen acuerdo con los resultados estimados tanto mediante cálculos teóricos como mediante las observaciones de VLBI. También se ha intentado observar alguna consecuencia derivada de la resonancia del FICN, modo normal que nunca antes ha sido observado usando datos de gravedad. Con este fin se ha desarrollado una metodología para limitar el rango de frecuencias posibles mediante análisis de marea detallados en la frecuencia diurna.
Para utilizar las diferentes series de datos de gravedad analizadas a lo largo de todo este estudio (tanto las series registradas por gravímetros de resorte, como por gravímetros superconductores) ha sido necesario hacer un gran trabajo previo de procesamiento y limpieza de las series de los residuos de gravedad. Gracias a ello, ahora disponemos de varias series de residuales de alta calidad distribuidas en el centro de Europa. Todas estas series podrán ser utilizadas en una amplia gama de estudios a nivel regional, tales como:
– Estudios de correlación entre las series de los residuales y la carga de la marea oceánica, para comprobar si hay alguna posible variación temporal de los efectos de carga
– Estudios de correlación entre las series de los residuales y la información hidrológica disponible para Europa Central
– Estudios comparativos entre los datos de gravedad en la superficie terrestre y los datos obtenidos con GRACE a nivel regional 
– Estudios sobre el efecto del ruido oceánico en los registros de gravedad
Así como otros muchos estudios en una amplia gama de frecuencias.
Además, un nuevo modelo de gravímetro superconductor (iOSG) será instalado en el Observatorio J9 de Estrasburgo en 2015, garantizando de esta forma la continuidad de la serie que disponemos actualmente. La prolongación de esta serie de datos de alta calidad nos permitirá identificar cada vez más ondas de pequeña amplitud así como separar ondas vecinas con frecuencias muy cercanas; y aparecerán nuevas oportunidades para detectar mejor las ondas de periodos de 9,3 y 18,6 años.
Se seguirá trabajando en la posible detección de la resonancia producida por la FICN en nuestra serie de datos y en una posible inversión utilizando un enfoque bayesiano similar al que se ha aplicado para los parámetros de FCN. Así mismo en un futuro próximo, una combinación de series más largas y una mejora en la predicción teórica del período de la FICN nos facilitarán el trabajo a la hora de intentar  buscar la frecuencia de dicho modo de rotación.