Eric Calais, CNRS – Géosciences Azur, Sophia Antipolis
La géophysique, une discipline utilisatrice de positionnement précis
La géophysique s’attache à élucider les mécanismes qui gouvernent le fonctionnement et l’évolution de notre planète et de l’environnement dans lequel nous vivons. Les objectifs fondamentaux de cette discipline ont aussi des applications pratiques directes, en particulier en matière de prévision. On lui doit notre capacité à découvrir et exploiter les ressources minières et énergétiques, la prévision du temps, celle des éruptions volcaniques, un jour peut-être celle des séismes. Parmi les outils à sa disposition, la géophysique a récemment ajouté à sa panoplie celui du Global Positioning System (GPS). La motivation initiale est venue des spécialistes des déformations actives de la croûte terrestre, liées aux séismes, aux volcans, où à la lente dérive des plaques tectoniques, qui cherchaient à quantifier ces phénomènes par des mesures directes.
En effet, les mesures géodésiques sont depuis longtemps utilisées en géophysique : Reid utilisa des mesures de triangulation réalisées avant et après le grand tremblement de terre de San Francisco de 1906 et mesura pour la première fois directement la déformation associée à un séisme. Il utilisa ensuite deux séries de mesures réalisées avant ce séisme pour démontrer que la croûte terrestre se déforme aussi en période de quiescence sismique, accumulant sous forme de déformation élastique l’énergie qui sera relâchée lors du tremblement de terre par la rupture d’une faille dans la croûte terrestre. Il venait de jeter les bases de la théorie du cycle sismique, toujours utilisée actuellement.
L’arrivée du GPS dans les années 1980 n’a donc pas laissé les géophysiciens indifférents. L’avantage était grand par rapport aux méthodes géodésiques terrestres classiques car il devenait possible de s’affranchir de la condition d’intervisibilité entre sites de mesure. De plus, même si les premiers modèles de récepteurs GPS étaient tout juste portables et d’une utilisation peu intuitive, la mise en œuvre de mesures GPS était bien plus aisée et bon marché que les mesures de géodésie spatiale alors disponibles, par exemple la télémétrie laser ou la technique de radioastronomie par interférométrie très longue base. L’utilisation du GPS n’a ensuite cessé de se démocratiser, profitant de deux développements en parallèle. D’une part, la motivation des scientifiques à atteindre les meilleures précisions possibles a permis d’améliorer le traitement des données. D’autre part la pression d’utilisateurs non spécialistes a imposé aux constructeurs de matériel le développement d’équipement simple d’emploi, fiable, et relativement bon marché.
Le développement des réseaux permanents : une motivation d'abord scientifique
Très vite, les géophysiciens, habitués à mesurer la Terre et ses signaux de facçon continue par des stations simologiques, gravimétriques, magnétiques, etc… ont envisagé la mesure en continu de ses déformations à l’aide de stations GPS permanentes. L’idée a germé au Jet Propulsion Laboratory (Pasadena) et à la Scripps Institution of Oceanography (San Diego) en 1990. Ces deux instituts de Californie du Sud, précurseurs en matière d’application du GPS aux mesures de déformations de la croûte terrestre, partageaient en effet un souci de taille : la faille de San Andreas toute proche, le long de laquelle on attend toujours le « big one », un séisme majeur dont les effets seraient certainement dévastateurs. Le premier réseau de stations GPS permanentes vit donc le jour en Californie du Sud en 1991 autour de cette faille, dans le but de mesurer ses déplacements en continu.
Dans le même temps, quelques laboratoires de géophysique et de géodésie dans le monde s’équipaient de stations GPS permanentes, surtout au départ pour des raisons métrologiques et géodésiques. Le potentiel de fédérer ces stations au sein d’un réseau international apparu aussi très vite : cela donnait accès à un référentiel géodésique global et à des orbites des satellites GPS précises. Un service international à vocation scientifique, l’IGS (International GPS Service for Geodynamics) vit donc le jour en 1992, avec comme objectif de fédérer les stations GPS permanentes existantes, de favoriser l’implantation de stations nouvelles, de mettre en place un système de gestion et de traitement global des données, et de délivrer des « produits géodésiques » utiles à la communauté scientifique. A l’heure actuelle, l’IGS produit quotidiennement des orbites précises (précision 5 cm, disponibles sous 2 semaines), rapides (précision 10 cm, disponibles sous 24 heures), et prédites (pécision 50 cm, disponibles avec 24 heures d’avance), ainsi que des corrections d’horloges pour chaque satellite GPS. De nombreuses applications scientifiques sont rendues possibles par l’existence des produits IGS : leur précision et fiabilité permet d’assurer un positionnement absolu avec une précision de l’ordre du centimètre en trois dimensions.
Le nombre de stations GPS permanentes dans le monde ne cesse depuis d’augmenter. La motivation est dans certains cas scientifique. Le Japon, par exemple, a décidé en 1993 de s’équiper d’un réseau de 1000 stations GPS permanentes pour mesurer les déformations de la croûte terrestre liées à la sismicité importante qui affecte leur territoire national. De la même façon, la Californie du Sud s’équipe depuis 1995 d’un réseau de 250 stations GPS permanentes, avec une densification particulière dans la région de Los Angeles. Là encore, l’objectif est de mieux comprendre les déformations de la croûte terrestre liées aux séismes afin de pouvoir, à terme, améliorer la connaissance de l’aléa associé. Dans le même temps, les utilisations pratiques du GPS se développaient dans des domaines aussi variés que la cartographie, l’agriculture, la navigation maritime aérienne, etc. Le besoin de stations GPS permanentes pour ces applications s’explique par la nécessité de disposer de points d’appui de coordonnées connues, d’un référentiel cohérent et évolutif dans lequel exprimer l’information géographique, ainsi que de corrections (GPS différentiel ou RTK) permettant d’améliorer précision et productivité. On comprend donc pourquoi le nombre de stations GPS permanentes en opération sur le globe, qui se comptait par dizaines il y a seulement 5 ans, est actuellement de plusieurs milliers…
Pourquoi des mesures GPS continues ?
Durant ces 5 dernières années, la géodésie spatiale par GPS a permis des progrès fondamentaux dans la connaissance des déformations de la croûte terrestre, depuis l’activité de failles sismogènes jusqu’à la déformation intracontinentale. Le GPS permet en effet de mesurer des déformations avec une précision de l’ordre du mm/an, voire mieux, sur des durées de l’ordre de quelques années et sur des échelles spatiales allant jusqu’à plusieurs centaines de kilomètres.
Une stratégie particulière d’utilisation du GPS est l’observation permanente. Elle permet de réduire une partie des erreurs de mesure par des antennes montées de manière permanente sur un monument géodésique stable et durable, abaissant de fait le seuil de détection d’un signal tectonique. De plus, elle fournit des séries temporelles continues qui permettent d’analyser en détail les processus qui affectent la détermination de la position des stations au cours du temps (déformations tectoniques, variabilité troposphérique liée aux conditions météorologiques et aux saisons, stabilité du monument géodésique, etc.) et de déterminer au mieux les modèles statistiques décrivant les résultats et leurs incertitudes.
Les résultats de mesures GPS permanentes dans les régions sismiquement actives ont clairement démontré le potentiel de cette méthode. Des mesures GPS continues en Californie du Sud ont permis d’obtenir des précisions de 1 à 2 mm/an avec seulement deux ans de mesures en continu, pour des points séparés de 100 à 200 km (Bock et al., 1997). Nous avons démontré des précisions équivalentes en Europe à partir de 2 ans de mesures continues sur des sites GPS permanents encadrant les Alpes occidentales (Calais, 1999). L’emploi du GPS continu se justifie donc tout à fait dans les régions à faible taux de déformation car on est certain, dans un temps court, d’obtenir des résultats interprétables en terme de tectonique active. C’est la seule technique qui permette de mesurer directement, en un temps limité, des déplacements de l’ordre de quelques millimètres par an sur des distances de plusieurs centaines de kilomètres.
En outre, les applications du GPS s’ouvrent à une communauté plus vaste que celle inititalement intéressée à la mesure des déformations tectoniques. Parmi les applications nouvelles, on peut citer : l’etude des surcharges océaniques et atmosphériques, l’estimation de l’humidité atmosphérique pour son assimilation dans les modèles météorologiques, la mesure du contenu électronique ionosphérique pour la physique de l’ionosphère, le support à la réalisation de MNT à partir d’images satellitaires, la détection et le suivi de subsidence et de glissements de terrain, le couplage avec la marégraphie pour la mesure des variations du niveau des mers, la définition de référentiels géodésiques.
Applications aux Sciences de l’Atmosphère
Le signal émis par les satellites GPS sur les fréquences L1 et L2 est ralenti, lors de sa propagation dans l’atmosphère, par des interactions avec les constituants des milieux traversés. Ce ralentissement, qui est l’une des sources principales d’erreur dans le positionnement, contient donc des informations sur le contenu de l’atmosphère : le GPS est de fait un outil de sondage atmopshérique !
Le contenu électronique ionosphérique
L’ionosphère, couche atmosphérique située approximativement entre 100 et 1000 km d’altitude, est un milieu complexe combinant ions et électrons libres. Ces derniers sont particulièrement importants dans le domaine des communications radio car leur densité influence la propagation des ondes électromagnétiques. Les réseaux GPS permanents permettent de surveiller en continu la densité électronique de l’ionosphère.
La densité électronique de l’ionosphère dépend au premier ordre de l’activité solaire, directement responsable de la production d’électrons libres. La Figure 1 montre l’exemple de la densité électronique moyenne de l’ionosphère déterminée à partir de cinq ans de mesures GPS continues (Shaer, 1999). On reconnaît sur la courbe rouge des variations à court terme avec une période de 27 jours, causées par la rotation du soleil. On reconnaît aussi des variations de période annuelle et semi-annuelle, liées à l’alternance des saisons. Enfin, on constate une augmentation importante du contenu électronique depuis fin 1997, lié au cycle de 11 ans de l’activité solaire : nous nous rapprochons du maximum d’activité.
L’intérêt de stations GPS permanentes est qu’elles permettent de suivre en continu l’état de l’ionosphère afin de mieux comprendre, au travers des variations du contenu électronique mesuré, le comportement physique de l’ionosphère. Un second intérêt, plus pratique cette fois, est la réalisation de cartes du contenu électronique, qui sont directement transformables en cartes de correction ionosphériques pour les utilisateurs de récepteurs GPS monofréquence. La Figure 2 montre l’exemple d’une carte globale du contenu électronique ionosphérique déterminée à partir de mesures GPS de stations permanentes. On y reconnaît dabord une variation en fonction de la longitude : la production d’électron libre est minimale de nuit (la carte correspond à 23 heures TU), ce qui explique les faibles valeurs en Europe. Elle est maximale en milieu de journée, ce qui explique les fortes valeurs dans le Pacifique central. On reconnaît aussi une variation en fonction de la latitude, liée à l’obliquité avec laquelle les rayons solaire atteignent notre planète : cette obliquité est forte aux hautes latitudes, la procution d’eléctrons libres y est donc moins efficace qu’aux basses latitudes, où les rayons solaires atteignent la Terre quasiment perpendiculairement à sa surface.
La vapeur d’eau troposphérique
La troposphère est la couche atmosphérique située entre la surface terrestre et environ 10 km d’altitude. C’est dans cette couche que se déroulent les phénomènes météorologiques et climatiques. La vapeur d’eau y joue un rôle fondamental de régulateur en contrôlant en grande partie les transferts de matière et d’énergie. La connaissance de sa distribution, dans l’espace et dans le temps, est fondamentale pour la réalisation de prédictions météorologiques fiables. La vapeur d’eau est aussi un des gaz participant à l’effet de serre, la connaissance de son évolution à long terme est donc fondamentale pour comprendre les mécanismes du réchauffement global.
La mesure de la vapeur d’eau atmosphérique de manière précise et continue est difficile. Elle est en effet distribuée de manière hétérogène et sa mesure au sol n’est pas représentative de la quantité réelle en altitude. De plus la quantité de vapeur d’eau fluctue rapidement dans le temps : sa mesure par ballons sondes, lancés en général deux fois par jour, ne permet donc pas d’en suivre les variations temporelles de manière continue. De nombreuses études sont actuellement en cours afin de tester les potentialités du GPS pour déterminer en continu et de manière fiable la quantité de vapeur d’eau dans la troposhère.
Le principe en est simple. Le ralentissement subi par le signal GPS lors de sa propagation dans la troposphère dépend d’une part de la densité de la couche d’air « sec » traversée, d’autre part de la quantité de vapeur d’eau présente sur son trajet. L’allongement du trajet du signal GPS associé à ce ralentissement atteint typiquement de l’ordre de 2 à 2,5 m au zenith et au niveau de la mer. La plupart des logiciels de traitement de données GPS pour des applications scientifiques résolvent directement cet allongement en le considérant comme une inconnue supplémentaire dans l’inversion des données de phase. On peut donc obtenir, pour chaque station d’un réseau GPS permanent, la valeur de cet allongement total toutes les 15 minutes par exemple. Si l’on dispose de mesures de pression atmosphérique au sol on peut calculer l’allongement dû à la couche d’air « sec » (avec une précision meilleure que 0,5 mm) Par différence avec l’allongement total, on obtient l’allongement causé par la vapeur d’eau troposphérique (de 3 à 30 cm au zenith et au niveau de la mer), qui est proportionnel à la quantité de vapeur d’eau.
La Figure 3 montre les variations de la vapeur d’eau troposphérique mesurées par GPS sur le site permanent de St Jean des Vignes, près de Lyon (une mesure toutes les 15 minutes), et une comparaison avec des mesures indépendantes réalisées par ballon sondes (deux lancés par jour). L’accord entre les deux types de mesures est excellent, avec un biais inférieur à 1 kg/m2 et un résidu moyen de l’ordre de 2 kg/m2, ce qui valide la capacité du GPS à mesurer la vapeur d’eau troposphérique. On constate que le GPS détecte aussi une diminution générale de la quantité de vapeur d’eau entre les mois d’été, classiquement plus humides dans cette région (jours 180 à 240 : juillet-aout), et ceux d’hiver (jours 300 à 360 : novembre-décembre). Le challenge consiste maintenant à développer les algorithmes qui permettront d’assimiler ces données d’un genre nouveau dans les modèles de prédiction météorologique et d’évolution climatique.
Applications aux Sciences de la Terre
GPS permanent et tectonique des plaques
Depuis l’avènement de la théorie de la tectonique globale dans les années soixante, on sait que les cents premiers kilomètres de notre planète constituent une enveloppe rigide découpée en 11 plaques majeures qui se déplacent les unes par rapport aux autres à des vitesses allant de quelques millimètres à plusieures dizaines de centimètres par an. Cette théorie a été verifiée par des mesures directes, en particulier grâce au réseau de stations GPS permanentes mondiales géré par l’IGS (voir plus haut). La Figure 4 montre les vitesses calculées et mises à jour de manière continue par le Jet Propulsion Laboratory (NASA), un des laboratoires en charge de ce travail, pour l’ensemble des sites du réseau mondial de l’IGS. Une analyse fine de ces résultats permet de montrer que les vitesses déterminées à partir des mesures GPS, qui remontent au plus à 5 ans, montrent un accord de près de 99% avec le modèle théorique, qui, lui, représente une moyenne sur les 3 derniers millions d’années. Cette information fondamentale, outre le fait qu’elle valide la théorie de la tectonique des plaques, montre aussi que les variations de leur mouvement sont très faibles à l’échelle de 3 millions d’années. Cela a des implications importantes sur les mécanismes physiques qui contrôlent le mouvement des plaques.
GPS permanent et deformations faibles de la croûte terrestre
L’accord entre le modèle de la tectonique des plaques et les mesures a cependant des limites. Si il est excellent pour les sites qui se trouvent à l’intérieur des plaques tectoniques, il devient inexact pour les sites qui sont situées à leurs bordures, proches de ce que l’on appelle les « frontières de plaques ». Dans ces régions particulières, les plaques tectoniques s’affrontent en coulissant, s’écartant ou se rapprochant les unes des autres. Ces mouvements mettent la croûte terrestre sous contrainte, causant des déformations du sol que les réseaux GPS permanents permettent de détecter sans ambiguité.
La Figure 5 montre l’exemple de la Californie du Sud, dans la region de Los Angeles. Les traits noirs represente la trace en surface des failles actives majeures, celle qui traverse la figure en continu du nord-ouest au sud-est est la faille de San Andreas. On constate que les sites situés loin de cette faille (SN1 et GOLD par exemple) se déplacent l’un par rapport à l’autre à une vitesse de l’ordre de 3,5 cm/an, imposant un mouvement de coulissage le long de la faille de San Andreas. Cette faille majeure sépare les plaques Pacifique et Amérique du Nord et a été responsable de séismes historiques majeurs (San Fransisco, 1906, et Fort Tejon, 1887, tous deux d’une magnitude proche de 8). Entre ces deux points extêmes, on constate que les déplacements augmentent progressivement. Au passage de la faille de San Andreas, les mouvements des sites HOLC et TABL sont particulièrement intéressants. Bien que ces deux sites soient situés de part et d’autre de cette faille majeure (mais à quelques kilomètres seulement de la faille), leur déplacement relatif est nul ! Ce résultat démontre que la faille de San Andreas est actuellement bloquée. Dans le même temps, le gradient spatial de vitesse observé perpendiculairement à la faille montre que la croûte terrestre se déforme de manière élastique sous l’effet du mouvement relatif des plaques Pacifique et Amérique du Nord. Ces résultats fondamentaux illustrent le comportement typique des failles actives : elles sont la plupart du temps bloquées, mais accumulent des déformations élastiques à leur voisinage, sur une zone d’une centaine de kilomètre de largeur. Jusqu’au séisme…
La mesure des déformations liées aux séismes
Le Japon est un pays particulièrement exposé à l’aléa sismique. La Figure 6 montre la série temporelle de la position d’un site GPS appartenant au réseau de 1000 stations GPS permanentes qui couvre ce pays. La courbe du bas, qui montre l’évolution de la position du site en longitude, est particulièrement spectaculaire. On y observe un déplacement nul pendant les 10 premiers jours d’observation, puis un saut d’environ 8 cm. Ce saut a été causé par la déformation du sol liée à un séisme de magnitude 7.5 qui a affecté la région ce jour là. On la qualifie de déformation « cosismique ». Pendant les 10 jours qui suivent ce séisme, on observe que le mouvement du site se poursuit, suivant une progression logarithmique. Il s’agit de déformation « postsismique », qui correspond au relâchement lent du surplus d’énergie accumulé dans la croûte terrestre et qui n’a pas été libérée lors du séisme. La décroissance logarithmique des 2 cm de mouvement postsismique subis par ce site en 10 jours contient des informations fondamentales sur les propriétés mécaniques de la croûte terrestre et renseignent les géophysiciens sur la distribution des contraintes tectoniques en profondeur. Après 10 jours, un autre événement survient : il s’agit encore d’un séisme, de magnitude 6.9, qui se traduit par un saut cosismique d’environ 1 cm, suivi d’un mouvement postismique qui dure pendant environ 15 jours. Le réseau GPS permanent japonais permet d’une part de suivre en continu les variations temporelles des déformations du sol liées à des séismes, d’autre part de cartographier très présisément les variations spatiales de ces déformations. Ces informations sont cruciales pour comprendre les mécanismes qui conduisent à l’accumulation de contraintes dans la croûte terrestre et à leur relâchement lors de tremblements de terre.
GPS permanent et mouvements verticaux
En Suède et Finlande, un réseau GPS permanent d’environ 30 stations est opérationnel depuis maintenant 5 ans. Son objectif initial est de mesurer la surrection de la Scandinavie causée par la fonte de la calotte glaciaire qui le recouvrait il y encore 10000 ans : la diminution de charge correspondante « allège » la croûte terrestre, qui se re-équilibre en se soulevant à une vitesse allant jusqu’à 1 cm par an. De nombreux modèles géophysiques tentent de reproduire ce phénomène, mais la distribution spatiale de ce soulèvement était jusqu’ici mal connue et son amplitude contestée. Après 5 ans de fonctionnement continu, ce réseau permet d’apporter des éléments de réponse à ces questions.
En outre, plusieurs études ont montré que des réseaux GPS permanents pouvaient détecter des déplacements verticaux de la croûte terrestre causés par la surcharge océanique. Il s’agit de la réponse de la croûte terreste aux variations des masses d’eau océaniques liées aux marées. On a pu ainsi montrer, grâce aux stations GPS permanentes de Brest et du Mans (Figure 7), que la pointe de la Bretagne monte et descend deux fois par jour, au rythme des marées, avec une amplitude maximale allant jusqu’à 15 cm lors des grandes marées ! De la même façon, la croûte terrestre réagit au variations de la pression atmosphérique : ce phénomène, dit de « surcharge atmosphérique », a aussi été capturé par des réseaux GPS permanents, bien que son amplitude ne dépasse pas quelques millimètres.
Enfin, on utilise de plus en plus les stations GPS permanentes en conjonction avec des marégraphes pour déterminer les variations absolues du niveau des mers. Le marégraphe mesure en effet les variations relatives du niveau marin par rapport à la côte, qui peut elle-même subir un mouvement vertical, comme on l’a vu ci-dessus. Le GPS, lui, mesure le mouvement absolu de la côte. La différence avec les mesures marégraphiques permet donc de déterminer les variations absolues du niveau des mers, paramètre capital pour comprendre l’évolution globale du climat.
L’intérêt de mesures permanentes dans ces exemples où l’on recherche des déformations très faibles de la croûte terrestre (en particulier sur le vertical, qui est la composante la plus bruitée en GPS) est de s’affranchir des erreurs systématiques liées à la mise en station sur trépied par exemple, ainsi que de permettre l’analyse complète des erreurs qui affectent les mesures. On sait en effet que ces erreurs ne sont pas à moyenne nulle, mais évoluent dans le temps suivant des modèles statistiques plus complexes. Des séries temporelles continues sont indispensables pour les estimer rigoureusement.
Bien que l’aléa sismique sur le territoire métropolitain soit relativement modéré, les déformations de la croûte terrestre n’y sont pas nulles. Les Alpes occidentales font partie des régions les plus exposées : la sismicité, faible mais régulièrement ressentie (par exemple le séisme de 1995 à Annecy), qui jalonne la chaîne témoigne de déformations de la croûte terrestre toujours actives de nos jours. Si la théorie de la tectonique des plaques a fourni le cadre nécessaire pour mettre ces déformations en relation avec la convergence entre les plaques Afrique et Europe, les processus selon lesquels les forces tectoniques se transmettent dans la croûte terrestre, les facteurs qui régissent sa déformation sur différentes échelles de temps et les conséquences sur l’aléa sismique restent à élucider. Cet objectif passe par la mesure directe des déplacements et déformations de la croûte terrestre, indispensable pour contraindre les théories géophysiques. Le GPS permanent est un outil particulièrement adapté à de telles mesures.
Depuis octobre 1997, une équipe de scientifiques du Centre National de la Recherche Scientifique, de l’Institut de Protection et de Sûreté Nucléaire, des universités de Nice, Chambéry, Montpellier, Grenoble, du Laboratoire de Détection Géophysique du CEA et de l’Observatoire de la Côte d’Azur met en place un réseau de stations GPS permanentes couvrant les Alpes occidentales et leur avant-pays (projet « REGAL » pour REseau Gps permanent dans les ALpes, Figure 8). Ce projet s’étend maintenant au Jura, aux Vosges et à l’Alsace, bientôt aux Pyrénées. La première station du réseau permanent REGAL a été installée en octobre 1997 (St Jean des Vignes, près de Lyon). Il n’existait alors en France que deux stations GPS permanentes à Grasse et Toulouse, gérée par le CNES dans le cadre du réseau GPS permanent global IGS. Neuf stations de ce réseau sont aujourd’hui opérationnelles à Lyon, La Feclaz, St Jean de Maurienne, Modane, St Michel l’Observatoire, Cadarache, Montpellier, Sauvan, Strasbourg. Huit stations supplémentaires sont prévues en 2000 : Nice, Jura (2 stations), Vosges, Alpilles, Aigoual, Dévoluy, La Rochelle. Cinq autres sont actuellement à l’étude (Figure 8). Ce projet est mené en collaboration avec le laboratoire de recherche en géodésie (LAREG) de l’Institut Géographique National (IGN) et l’ESGT qui ont mis en place dans le même temps 5 stations GPS permanentes bifréquence en France pour des applications géodésiques (Brest, Marseille, Marne la Vallée, Ajaccio pour l’IGN, Le Mans pour l’ESGT). La Figure 9 montre l’exemple de la série temporelle de la la ligne de base entre deux sites situés de part et d’autre de la vallée de la Durance, qui correspond au passage d’une faille active dont le mouvement est actuellement inconnu. Les chiffres indiquent la pente calculée par une régression linéaire des séries temporelles en tenant compte uniquement d’un bruit de moyenne nulle (WN) avec un bruit coloré additionnel de type « marche aléatoire » (WN+RWN). On constate que l’impact du modèle statistique décrivant le bruit sur l’estimation des erreurs est important : un modèle de bruit blanc indique en effet un mouvement significatif sur cette faille, alors qu’un modèle plus sophistiqué (et plus approprié aux mesures GPS), suggère que ce mouvement n’est pas significatif… La compréhension des erreurs affectant les mesures GPS est actuellement au cœur du débat scientifique. Dans le cas de la faille de la Durance, il faudra encore quelques années de mesure avant de pouvoir quantifier rigoureusement son mouvement.
Si la motivation scientifique première du réseau REGAL était la mesure des déformations tectoniques, les données GPS sont cependant disponibles pour d’autres applications scientifiques (par exemple les mesure de vapeur d’eau, voir Figure 3). Des chercheurs de plusieurs laboratoires utilisent actuellement les données de ces stations GPS permanentes dans le cadre de leur activité de recherche, dans des domaines tels que la mesure des déformations crustales, la détermination de la vapeur d’eau troposphérique, la physique de l’ionosphère, le forçage océanique et atmosphérique. Ces données sont aussi disponibles pour des applications pratiques en topographie, cartographie, etc. Elles sont mises à disposition des utilisateurs sur internet sous 24 heures dans leur format propriétaire ainsi qu’au format standard d’échange RINEX, assurant ainsi la compatibilité avec tout type de matériel GPS et de logiciel de traitement de données. Elles sont accessibles interactivement à l’adresse http://renag.unice.fr/regal.
Les résultats issus de mesures GPS sont en train de révolutionner bon nombre d’idées en recherche fondamentale en Sciences de la Terre car cet outil permet de mesurer directement les mouvements du sol liés à des séismes, à des éruptions volcaniques, ou au déplacement lent de blocs tectoniques. Pour ces applications, une précision millimétrique est nécessaire car les mouvements à mesurer sont généralement lents. De plus, certains phénomènes géophysiques varient rapidement dans l’espace et dans le temps. Les réseaux GPS permanents, permettent d’atteindre une résolution temporelle suffisante pour détecter ces signaux géophysiques transitoires. Ils sont aussi fondamentaux pour obtenir la redondance de mesures nécessaire à l’obtention d’une précision de mesure à l’échelle des phénomènes que l’on cherche à détecter.
Ces réseaux permanents, originellement développés pour des applications scientifiques, sont en augmentation très rapide, en grande partie pour satisfaire les besoins croissants des utilisations pratiques du GPS. De plus, l’arrivée de nouveaux systèmes de positionnement satellitaires tels que GLONASS et, à terme, GALILEO, promet une augmentation encore plus importane de la quantité de données disponibles. Les scientifiques ne seront donc pas en manque de « grain à moudre » dans les années à venir ! On peut espérer que ces données continueront de contribuer à des avancées dans la connaissance des mécanismes qui gouvernent le fonctionnement et l’évolution de notre planète et de notre environnement.