Multi-technique estimate of glacial isostatic adjustment in Antarctica
Estimation multi-technique de l'ajustement isostatique glaciaire en Antarctique
Résumé
The Earth has a viscoelastic response to variations in surface mass over periods ranging from a few hours to several thousand years. In the context of changes in the cryosphere, glacial isostatic adjustment (GIA) has classically been modeled by invoking elastic rheology, for the most recent variations, or Maxwell-type viscoelastic rheology, for variations beginning at the last glacial maximum. In Antarctica, where the effects induced by recent and past variations in cap mass are cumulative, these models cannot explain the geodetic and gravimetric observations acquired over the past 20 years. In this thesis, we explore the influence of three rheological laws in modeling deformations induced by past and recent changes in the Antarctic ice cap. We consider the rheological laws of Maxwell, Andrade, and Burgers, a viscosity profile typically used in GIA modeling and a second that includes a low-viscosity layer in the upper mantle. Viscosity profiles and rheologies significantly impact deformations occurring between 10 and 1000 years after surface mass changes. Using Burgers' and Andrade's rheologies leads to larger deformations than Maxwell's, with differences of up to 300 mm for current mass variations. To determine viscous deformations in Antarctica while avoiding constraining assumptions about the internal structure and rheology of the mantle, we have developed an inversion strategy that uses three types of observations in conjunction: satellite altimetry and gravimetry, and GNSS positioning. The parameters determined by this inversion are the coefficients of spherical harmonic decompositions of cap thickness variation rates, surface densities of varying masses, and vertical velocities associated with viscous surface deformations. Tests carried out on synthetic data show that the new method can recover coefficients down to harmonic degree 40. The parameters, maps, and data predicted by the inversion are very close to those expected, with errors mainly below 1%.
La Terre se déforme de façon viscoélastique en réponse aux variations de masse superficielle se produisant sur quelques heures à plusieurs milliers d'années. Dans le cadre des changements de la cryosphère, l'ajustement isostatique glaciaire (GIA) a classiquement été modélisé en invoquant une rhéologie élastique, pour les variations les plus récentes, ou une rhéologie viscoélastique de type Maxwell, pour les variations débutant au dernier maximum glaciaire. En Antarctique, où les effets induits par les variations récentes et passées de masse de la calotte se cumulent, ces modèles ne permettent pas d'expliquer les observations géodésiques et gravimétriques acquises depuis plus de 20 ans. Dans cette thèse nous explorons l'influence de trois lois rhéologiques dans la modélisation des déformations induites par les changements passés et récents de la calotte Antarctique. Nous considérons les lois rhéologiques de Maxwell, Andrade et Burgers ainsi qu'un profil de viscosité typiquement utilisé dans la modélisation du GIA et un second qui comprend une couche de faible viscosité dans le manteau supérieur. Il ressort que les profils de viscosités et les rhéologies ont un impact significatif pour des déformations se produisant entre 10 et 1000 ans après les variations de masse en surface. L'utilisation des rhéologies de Burgers et d'Andrade mène à des déformations plus grandes que celles de Maxwell, avec des différences allant jusqu'à 300 mm pour les variations de masses actuelles. Afin de déterminer les déformations visqueuses en Antarctique tout en s'acquittant d'hypothèses contraignantes sur la structure interne et la rhéologie du manteau, nous avons développé une stratégie d'inversion qui utilise conjointement trois types d'observations : l'altimétrie et la gravimétrie satellitaire ainsi que le positionnement GNSS. Les paramètres déterminés par cette inversion sont les coefficients des décompositions en harmoniques sphériques des taux de variation d'épaisseur de la calotte, des densités superficielles des masses qui varient et des vitesses verticales associées aux déformations visqueuses de la surface. Des tests réalisés sur des données synthétiques montrent que cette nouvelle méthode permet de retrouver les coefficients jusqu'au degré d'harmonique 40. Les paramètres, cartes et données prédites par l'inversion sont très proches de ceux attendus, avec des erreurs principalement inférieures à 1%.
Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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