Champ de gravité de la Terre

Selon la loi de Newton, l'attraction gravitationnelle entre deux corps est proportionnelle à leur masse et inversement proportionnelle au carré de leur distance.

Le champ de la gravité de la Terre résulte de la distribution de la masse à l'intérieur de la Terre. Le champ de gravitation de la Terre est dominé par une diminution de l'attraction gravitationnelle des pôles vers l'équateur. De légères variations viennent se superposer à ce phénomène, qui sont dues en grande partie aux variations de la masse volumique près de la surface de la Terre. Les principales caractéristiques du champ de la gravité de la Terre sont les suivantes :

Puisque le but des levés gravimétriques est d'étudier le champ de gravité engendré par des structures géologiques appelé champ de l'anomalie de gravité, on doit supprimer les fortes variations en fonction de la latitude dans les données brutes des levés.

Masse volumique des roches

La masse volumique est le quotient de la masse d'un corps divisé par son volume. Les divers types de roches ont des masses volumiques différentes, car leur composition est différente et la masse volumique subit l'influence des processus physiques et chimiques. La masse volumique des roches sédimentaires est généralement faible alors que celle des roches de profondeur est de 3 g/cm³ou de 3000 kg/m³ ou plus.

Géologie et gravité

Après avoir été corrigée pour la position géographique et l'altitude, l'accélération due à la gravité à la surface de la Terre présente de légères variations qui dépendent de la distribution de la masse volumique dans les roches sous-jacentes. Un certain nombre d'exemples sont présentés dans le tableau ci-dessous :

Il est à noter que même dans un type de roche donné, la fourchette des masses volumiques est très imposante - ce qui peut s'expliquer par la présence de nombreux facteurs différents qui ont influé sur la roche au cours de sa formation et de son histoire. Ainsi, le métamorphisme affecte la masse volumique ainsi que la fracturation. En règle générale, la masse volumique des roches sédimentaires est plus faible que celle des roches métamorphiques ou ignées. Cependant leur masse volumique est en grande partie fonction des fluides présents et de la profondeur de l'enfouissement. Signalons que la variation maximale de la masse volumique des roches dans la croûte terrestre est d'un facteur de 2 environ. Par conséquent, les variations de la masse volumique sont bien plus faibles que celles de la susceptibilité magnétique dont le coefficient peut atteindre 10⁵.

Conception des levés

Les levés gravimétriques sont généralement effectués au sol. Dans les régions éloignées, les sites sont accessibles par hélicoptère, mais les mesures réelles sont faites en installant un gravimètre sur la surface de la Terre. Des données gravimétriques ont été collectées récemment à partir d'aéronefs, mais la résolution ne convient généralement que pour les levés de reconnaissances. Une autre réalisation intéressante est l'utilisation du radar pour cartographier la surface des océans. L'altitude moyenne de la surface de la mer révèle la gravité locale. De ce fait, on peut déterminer le champ de la gravité en mer en se servant de cartes précises de la surface de la mer.

Mode des levés

Le Répertoire national des données gravimétrique renferme différents types de levés gravimétriques :

Système de saisie de données

Un système de saisie de donnés type comporte un certain nombre d'instruments :

La plupart des instruments utilisés pour effectuer les levés sont des gravimètres relatifs. Par conséquent, ils peuvent mesurer avec exactitude la différence des accélération dues à la gravité entre les stations. Afin de relier ces observations à une référence nationale, on doit étalonner le gravimètre au début et à la fin de chaque journée en prenant une mesure en un point où la gravité exacte est connue. Au Canada, on a établi plus de 5000 points qui constituent le Réseau de normalisation de la gravité. On se sert de ces points pour relier les observations des levés relatifs à la référence nationale. On peut obtenir de l'information sur les points de contrôle spécifiques auprès de la Division des levés géodésiques, Géomatique Canada, Ministère des ressources naturelles du Canada.

Traitement des données

Après qu'elles ont été collectées, les données subissent un autre traitement afin d'apporter des corrections pour chaque point de mesure, à la fois horizontalement et verticalement :

Après avoir accompli ces diverses phases, les données du levé peuvent être affichées sous forme de carte ou d'images.

Présentation des données

Les données des levés gravimétriques sont généralement présentées sous une des formes suivantes :

Actuellement, la plupart des données sont présentées sous forme de cartes ou d'images en couleurs, les couleurs indiquant l'amplitude du champ de la gravité de l'anomalie (Bouguer ou air libre).

Rehaussement

Afin de faciliter l'interprétation des données gravimétriques, on peut se servir de nombreuses méthodes pour améliorer (ou transformer) les cartes ou les images de manière à mettre les caractéristiques intéressantes en évidence. Le champ des anomalies de gravité n'indique pas seulement les variations de la masse volumique des anomalies situées près de la surface mais également des variations à grande échelle de l'épaisseur de la croûte et des structures profondes. Puisque les variations de la masse volumique à proximité de la surface du sol engendrent des anomalies de gravité de superficie plus petite que les anomalies produites par des sources profondes, la suppression des anomalies les plus étendues permettra d'obtenir une carte sur laquelle seules les anomalies développées par les sources superficielles seront mises en évidence. On peut estomper ou illuminer artificiellement les images gravimétriques pour faire ressortir des anomalies de gravité d'une direction donnée.

Interprétation

L'interprétation des données gravimétriques est effectuée à partir de données des profils ou des cartes. Les profils sont sélectionnés de sorte qu'ils soient à peu près perpendiculaires aux structures géologiques et une coupe verticale est construite dont la distribution de la masse volumique est conforme aux observations sur l'anomalie de gravité. La forme d'une anomalie de gravité donnée est habituellement indicatrice du pendage et de l'extension en profondeur de l'unité géologique si la gravité est très différente de celle des unités lithostratigraphiques environnantes. Ainsi, sur les intrusions granitiques, l'importance de la diminution de la gravité (associée à des granites de masse volumique plus faible) peut servir à déterminerr avec exactitude la forme des intrusions en profondeur et l'angle d'inclinaison du contact avec les roches environnantes.

L'interprétation des données en carte se fait la plupart du temps à l'aide de techniques d'inversion. En se basant sur certaines hypothèses (p. ex., une épaisseur constante de la croûte ou une masse volumique constante), on peut calculer un modèle géologique qui produit un champ de gravité correspondant à celui observé, en inversant les données. On utilise souvent ces types de modèles pour étudier des variations de l'épaisseur ou de la composition de la croûte à grande échelle, par exemple le long des marges continentales. À l'échelle la plus grande, les données des anomalies de gravité peuvent nous renseigner sur l'état d'équilibre dans la croûte et le manteau terrestres.