Explorer la dynamique du système Terre grâce à l'analyse de séries temporelles

L'analyse des séries chronologiques offre un cadre précieux pour étudier l'évolution des processus terrestres au fil du temps, pour comparer des signaux d'origines physiques différentes et pour identifier les liens possibles entre la dynamique interne et les forçages externes. Plutôt que de se concentrer sur la méthode elle-même, ce séminaire montrera comment l'analyse spectrale singulière peut aider à mettre en évidence des schémas oscillatoires cachés dans des ensembles de données géophysiques complexes. Je présenterai deux études de cas complémentaires qui illustrent comment cette approche peut être appliquée à un large éventail d'échelles spatiales et temporelles.

La première étude de cas porte sur des processus de courte durée et à échelle locale associés à des éruptions volcaniques principalement effusives, en utilisant des données de l'éruption du Fogo au Cap-Vert en 2014-2015 et de l'éruption de Holuhraun en Islande en 2014-2015. Les analyses des tremblements sismiques continus, de la puissance radiative volcanique, des débits de lave et des émissions de SO₂ dérivées des données satellitaires révèlent des périodicités cohérentes, allant d’échelles de temps semi-diurnes à bimensuelles, en accord avec la modulation des marées luni-solaires. Ces résultats suggèrent que le transport du magma au sein de la croûte, la mise en place de la lave en surface et les émissions de gaz volcaniques pourraient tous répondre, au moins en partie, au forçage gravitationnel luni-solaire lors d’épisodes éruptifs effusifs.

La deuxième étude de cas examine l'activité sismique mondiale sur plus d'un siècle, en utilisant le catalogue mondial des séismes d'une magnitude ≥ 6 depuis 1900. Cette analyse montre comment des séries chronologiques géophysiques de longue durée peuvent être utilisées pour étudier les structures temporelles, les composantes spectrales et les covariations potentielles entre la sismicité mondiale et d'autres paramètres géophysiques, notamment les variations de la durée du jour et du niveau mondial de la mer. Les résultats révèlent plusieurs composantes pseudo-périodiques communes aux trois séries chronologiques, dont certaines concordent avec des cycles dérivés des éphémérides planétaires. La quadrature de phase systématique observée entre ces composantes et les cycles astronomiques correspondants est examinée comme une signature possible d'un forçage astronomique indirect. Ces résultats s'inscrivent dans le cadre plus large des interactions entre les fluides et la lithosphère, offrant une perspective qui intègre les processus physiques et chimiques à travers de multiples échelles spatiales et temporelles.

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Time-series analysis offers a valuable framework for exploring how Earth processes evolve through time, for comparing signals of different physical origins, and for identifying possible links between internal dynamics and external forcing  Rather than focusing on the method itself, this seminar will illustrate how Singular Spectrum Analysis can help reveal oscillatory patterns hidden within complex geophysical datasets.  I will present two complementary case studies that illustrate how this approach can be applied across a wide range of spatial and temporal scales.

The first case study focuses on short-duration, local-scale processes associated with predominantly effusive volcanic eruptions, using data from the 2014–2015 Fogo eruption in Cape Verde and the 2014–2015 Holuhraun eruption in Iceland. Analyses of continuous seismic tremor, volcanic radiative power, lava discharge rates, and satellite-derived SO₂ emissions reveal coherent periodicities, ranging from semi-diurnal to fortnightly timescales, consistent with lunisolar tidal modulation. These results suggest that magma transport within the crust, surface lava emplacement, and volcanic gas emissions may all respond, at least partly, to lunisolar gravitational forcing during effusive eruptive episodes.

The second case study examines global seismic activity over more than a century, using the worldwide catalogue of earthquakes with magnitudes ≥ 6 since 1900. This analysis illustrates how long geophysical time series can be used to investigate temporal structures, spectral components, and potential covariations between global seismicity and other geophysical parameters, including variations in the length of day and global sea level. The results reveal several pseudo-periodic components shared by the three time series, some of which are consistent with cycles derived from planetary ephemerides. The systematic phase quadrature observed between these components and the corresponding astronomical cycles is discussed as a possible signature of indirect astronomical forcing. These findings are placed within the broader framework of interactions between fluids and the lithosphere, offering a perspective that integrates physical and chemical processes across multiple spatial and temporal scales.