Propositions de stages de Master 2 au LPG (année 2019 - 2020)

*) Evolution primitive de la Lune : rôle des marées et des impacts planétaires.

Après sa formation suite à un impact géant, la Lune a préservé un océan magmatique pendant plusieurs dizaines millions d'années sous une croûte anorthosique. Au cours de cette première phase d’évolution, la Lune se trouvait à faible distance de la Terre et était soumise à de puissantes forces de marée.  La cristallisation de l’océan magmatique subsurfacique a été vraisemblablement affectée par l’intense production de chaleur résultant des interactions de marée entre la Terre et la Lune. Tout au long de la phase de cristallisation, la croûte lunaire a, en outre, été soumise à un intense bombardement météoritique. Les plus gros impacteurs ont probablement perforé la croûte et déposé une partie significative de leur masse et énergie dans l’océan magmatique sous-jacent.
L’objectif de ce stage est de développer un modèle couplé d’évolution thermique et orbitale de la Lune permettant de quantifier le rôle de la dissipation de marée et des impacts météoritiques sur la cristallisation de l’océan magmatique lunaire. L’effet des impacts météoritiques sur la structure et composition de la croûte et de l’océan magmatique sera déterminé en effectuant une série de simulations numériques avec l’hydrocode iSALE, pour différentes épaisseurs de croûte et d’océan magmatique, correspondant à différents stades d’avancement de la cristallisation. Il s’agira de déterminer la quantité d’éléments volatils potentiellement apportée par les impacteurs dans l’océan magmatique et la conséquence des impacts sur le bilan énergétique. L’ensemble des simulations réalisées sera ensuite utilisé pour développer une paramétrisation simplifiée des processus d’impact qui sera intégrée dans le modèle d’évolution couplée. Le modèle d’évolution sera réalisé à partir des codes de diffusion thermique et de déformation de marée préexistants développés au LPG (Nantes) et les simulations d’impact seront réalisées avec l’hydrocode iSALE dans le cadre d’une collaboration avec le LMV (Clermont-Ferrand).  Le stage se déroulera en grande partie au LPG, avec un séjour d’environ 1 mois prévu au LMV.

Encadrants : G. Tobie (LPG), J. Monteux (LMV); Collaboration : M. Kervazo (LPG), M. Laneuville (ELSI, Japon).

*) Molards on Mars.

This research internship forms part of a larger project PERMOLARDS or "Tracking the degradation of mountain permafrost with molards" and will be partly based in Caen. Molards in permafrost terrains are cones of loose debris that result from thawing of blocks of ice-rich sediments mobilised by a landslide (Morino et al., EPSL 2019). Molards cannot form without ground ice, which cements the source material, allowing it to behave like solid during transport. Once the ground ice has thawed, its cementing action is lost, inducing collapse of the material into molards. These landforms are an indicator of recent and ongoing permafrost degradation on Earth. They have spatial and geomorphic characteristics that reveal the dynamics of the landslides that formed them. We have also identified candidate molards on Mars where the presence of ground ice is known, but evidence pointing to its thaw is controversial. The student(s) will study conical mounds that resemble mo lards in Hale Crater ejecta and compare them with remotely sensed data of molards on Earth in different settings. Hale Crater is thought to have been emplaced into an ice-rich substrate and its ejecta are already recognised to be fluidised (e.g. Jones et al., Icarus 2011), however the state, distribution and quantity of the ground ice are unknown. If time permits, the student will also consider the potential role of ground ice degradation in the formation of the chaos terrains on Mars and make a similar comparison to molards on Earth. The student will use a Geographic Information System (GIS) to study the morphology and spatial/topographic distribution of the mounds using digital terrain models of the candidate molards on Mars and of known sites with molards on Earth (Iceland, Canada, Greenland). Where possible the student will use thermal and spectral data to understand the types of materials comprising the mounds on Mars. On Earth an understanding of the materials involved in mola rd-formation will be gathered from the literature and existing field photos. The student will consider, from a theoretical viewpoint, the potential differences between molards formed by thaw and by sublimation. Based on the results of their study the student will help to design the experimental campaigns which will be the subject of a PhD thesis starting in 2020 (under consideration for funding), where the degradation of ice-cemented blocks into molards will be studied in the cold chamber in Caen.

Encadrement: Susan Conway (LPG), Marianne Font (M2C, Caen), François Costard (Geops, Paris-Sud), Costanza Morino (EDYTEM, Grenoble).

*) Inferring the level of equatorial symmetry in Earth's core flow from numerical dynamos and geomagnetic field models.

Dominant rotational effects in outer core dynamics are expected to produce equatorially symmetric flows (Jault, 2008). The observed geomagnetic secular variation (SV) can be explained by core flow models with imposed equatorial symmetry (Gillet et al., 2015). However, other effects including turbulence, magnetic diffusion and boundary heterogeneity might break this symmetry. Indeed, core flow models without imposed equatorial symmetry contain a significant amount of anti-symmetry (Amit and Pais, 2013).Comparable geomagnetic SV power in its symmetric and anti-symmetric parts could be explained by field-flow interactions (Amit et al., 2018). In particular, if the symmetric flow is nearly aligned with the field, then it will produce little advective SV. Unravelling such field-flow interactions is therefore crucial to understanding the symmetry properties of core dynamics.In this M2 stage the student will analyze output from self-consistent 3D numerical dynamo simulations. The radial field and the tangential flow at the top of the core will be decomposed into symmetric and anti-symmetric parts. Multiple SV contributions resulting from the interactions of the different field and flow parts will be calculated and visualized. The objective is to establish the efficiency of each of these interactions in inducing SV in the dynamo models. The results will be applied to the observed geomagnetic SV in order to infer the field-flow interactions and level of equatorial symmetry of the flow at the top of Earth’s core.Compétences souhaitées : A fundamental level of deep Eartn geophysics, mathematics and programming.

Encadrement: Hagay Amit (LPG).

*) Complémentarité des méthodes géophysiques électriques et de corrélation de bruit sismique pour la caractérisation de systèmes hydrogéologiques.

Les méthodes géo-électriques sont à ce jour largement utilisées pour l’étude des systèmes hydrogéologiques car les propriétés électriques des sols sont particulièrement sensibles au contenu en eau, à sa répartition dans l’espace poral et à sa composition chimique (Hubbard & Linde, 2010). Néanmoins, les méthodes sismiques, permettant d’estimer la distribution de vitesses sismiques dans le sous-sol peuvent également apporter des informations précieuses sur la composition de la subsurface. Le développement relativement récent (Shapiro & Campillo, 2004) de la méthode de corrélation de bruit sismique comme une méthode passive, relativement facile à implémenter sur le terrain, ouvre progressivement la voie à son utilisation dans de nouveaux contextes : caractérisation de digues (Le Feuvre et al. 2015), contexte géotechnique (Olivier & Brenguier 2016), et récemment réservoir aquifère (James et al. 2017) où la méthode a permis d’obtenir des informations structurales précieuses. A ce jour, le couplage de méthodes géo-électriques et de corrélations de bruit sismique pour une application hydrogéologique sont rares. L’objectif de ce stage est de réaliser une étude géophysique multi-méthodes d’un site hydrogéologique bien caractérisé (un cordon dunaire sur l’île de Noirmoutier), et d’analyser l’apport respectif des méthodes électriques (tomographie de résistivité électrique (ERT), polarisation induite (IP)) et de la méthode de corrélation de bruit sismique pour la compréhension du fonctionnement hydrogéologique du système étudié. L’étudiant participera à l’acquisition des données lors d’une ou deux missions de terrain de plusieurs jours, au traitement des données et à l’interprétation des résultats (inversion, quantification des incertitudes) dans une démarche de mise en valeur de leur complémentarité. Un état de l’art/recherche biblio sur la combinaison de ces méthodes et leur complémentarité est également attendu.

Encadrement: Thomas Kremer (LPG), Sergio Palma-Lopes (IFSTTAR), Eric Beucler (LPG).

Références : Hubbard, S. S., & Linde, N. (2010). Hydrogeophysics (No. LBNL-3341E). Lawrence Berkeley National Lab.(LBNL), Berkeley, CA (United States).James, S. R., Screaton, E. J., Russo, R. M., Panning, M. P., Bremner, P. M., Stanciu, A. C., ... & Farrell, M. E. (2017). Hydrostratigraphy characterization of the Floridan aquifer system using ambient seismic noise. Geophysical Journal International, 209(2), 876-889.Le Feuvre, M., Joubert, A., Leparoux, D., & Cote, P. (2015). Passive multi-channel analysis of surface waves with cross-correlations and beamforming. Application to a sea dike. Journal of Applied Geophysics, 114, 36-51.Olivier, G., & Brenguier, F. (2016). Interpreting seismic velocity changes observed with ambient seismic noise correlations. Interpretation, 4(3), SJ77-SJ85.Shapiro, N. M., & Campillo, M. (2004). Emergence of broadband Rayleigh waves from correlations of the ambient seismic noise. Geophysical Research Letters, 31(7).

*) Étude expérimentale du système H2O-CO2-NH3 -- Application aux lunes-océans du Système solaire.

La structure interne des hydrosphères des grands satellites de glaces (Europe, Ganymède, Callisto et Titan) est contrôlée par les conditions physico-chimiques (pression, température et composition) régnant dans ces corps. L'utilisation du diagramme de phase de l'eau pure a permis l'établissement de la structure suivante: croûte de glace Ih en surface, océan liquide et, sauf sur Europe, couche basale de glace haute pression. Cependant la présence d'espèces en solution (ioniques et non ioniques - héritées et/ou issus d'interactions fluides/roches) induit d'importantes modifications - densités, conductivité électrique, mais aussi pressions et températures associées aux transitions de phases - qui sont à même de bouleverser notre vision actuelle de la structure interne de ces hydrosphères. Parmi ces espèces, l'ammoniac (NH3) et le dioxyde de carbone (CO2) sont, de par leurs abondances initiales, leurs stabilités et leurs aptitudes à f ormer des phases condensées, des candidats susceptibles de jouer un rôle prépondérant. Aussi, une meilleure connaissance du système H2O-CO2-NH3 pour les conditions P,T et X rencontrées dans les satellites de glaces préside à l'élaboration de modèles plus aboutis de leur structure interne mais aussi, plus largement, à une meilleure compréhension de leur histoire évolutive. Ce stage propose la réalisation expérimentale du diagramme de phase du système H2O-CO2-NH3 pour les conditions rencontrées dans les hydrosphères des satellites de glaces (ie: P = 0.1-1.5GPa, 250-400K, [CO2] + [NH3] = 0.1 - 10 pd.%). Les expériences, conduites au LPG, se décomposeront en deux étapes: 1) réalisation de solutions présentant des concentrations en NH3 et CO2 contrôlés, 2) étude du comportement ces solutions dans l'espace P-T au moyen d'une cellule à enclumes diamant couplée à un spectromètre Raman, 3) détermination des conditions de stabilité des cristaux de carbonate d'ammonium.

Encadrement: E. Le Menn, C. Fauguerolles, G. Tobie (LPG).