Quantensensoren, wie Atominterferometer und Atomuhren werden zu hochpräzisen und akkuraten Messungen von Inertialkräften und der Zeit benutzt und sind hervorragend dazu geeignet fundamentale Fragestellungen der Physik anzugehen und die Aussagen der allgemeinen Relativitätstheorie zu testen. Die Empfindlichkeit von Atominterferometern skaliert quadratisch mit der freien Entwicklungszeit und die Verwendung von Quantensensoren im Weltraum ist prädestiniert die Genauigkeit von Tests des Äquivalenzprinzips um mehrere Größenordnungen zu verbessern. Zusätzlich, werden präzise und akkurate Sensoren für Inertialkräfte, im Bereich der Navigation oder Geodäsie benutzt wo mobile auf Atominterferometrie basierende Geräte noch selten sind. Diese Arbeit trägt zur Entwicklung von hochempfindlichen und stabilen mobilen Quantensensoren bei. Im Rahmen dieser Doktorarbeit wurden drei mobile Vergleichsmessungen der Erdbeschleunigung mit dem Atominterferometer GAIN an verschiedenen geographischen Orten durchgeführt. Die demonstrierte Stabilität von 5*10^-11 g nach 10^5 s übertrifft die Stabilität von klassischen Gravimetern. Mit dem Ziel von Weltraumgestützten Atominterferometern wurde ein kompaktes Lasersystem für den Betrieb von Atominterferometrie mit Rubidium Bose-Einstein Kondensaten auf Höhenforschungsraketen entworfen, qualifiziert und in Betrieb genommen. Zusätzlich wurden drei Nutzlasten für dein Einsatz auf Höhenforschungsraketen realisiert um die Reife der notwenigen Subsysteme zu zeigen. Dopplerfreie Laserspektroskopie an Rubidium und Kalium wurde verwendet um eine optische Frequenzreferenz zu realisieren und während der Flüge wurde mit einem Frequenzkamm zu vergleichen. Diese Messung stellt einen ersten Test der Lokalen Lorenz Invarianz im Weltraum dar. Diese Aktivitäten ebnen den Weg für den zukünftigen Einsatz von Quantensensoren im Weltraum die noch nie dagewesene Tests der fundamentalen Physik, Weltraumgeodäsie oder sogar Gravitationswellen ermöglichen. / Quantum sensors, such as atom interferometers and atomic clocks are used for high precision and accurate measurements of inertial forces and time and are therefore ideally suited to address fundamental questions in physics and to test the predictions of general relativity. The sensitivity of atom interferometers scales quadratically with the free evolution time and the use of quantum sensors in space is predestined to improve the accuracy of such tests by several orders of magnitude. Additionally, precise and accurate sensors for inertial forces are required in the field of navigation or geodesy where mobile devices based on atom interferometry are still rare. This work contributes to the development of highly sensitive and stable mobile quantum sensors. In the course of this thesis, three measurement comparisons of the gravitational acceleration with the mobile atom interferometer GAIN were performed at different geographic locations. The demonstrated stability of 5*10^-11 g after 10^5 s surpasses the one reached by classical gravimeters. With the goal of space-born atom interferometry, a compact laser system for operation of atom interferometry with Bose-Einstein condensates of rubidium on a sounding rocket was designed, qualified and put in operation. Additionally, three sounding rocket payloads were realized to show the technological maturity of the necessary subsystems. Doppler-free laser spectroscopy of rubidium and potassium was used to realize an optical frequency reference that was compared during the flights to an atomic microwave standard via a frequency comb. This measurement represents the first test of the Local Position Invariance in space. These activities pave the way for future deployment of quantum sensors in space enabling unprecedented tests of fundamental physics, space geodesy or even gravitational wave detection.

Temporal gravimeter observations, used in geodesy and geophysics to study variation of the Earth’s gravity field, are influenced by local water storage changes (WSC) and – from this perspective – add noise to the gravimeter signal records. At the same time, the part of the gravity signal caused by WSC may provide substantial information for hydrologists. Water storages are the fundamental state variable of hydrological systems, but comprehensive data on total WSC are practically inaccessible and their quantification is associated with a high level of uncertainty at the field scale. This study investigates the relationship between temporal gravity measurements and WSC in order to reduce the hydrological interfering signal from temporal gravity measurements and to explore the value of temporal gravity measurements for hydrology for the superconducting gravimeter (SG) of the Geodetic Observatory Wettzell, Germany. A 4D forward model with a spatially nested discretization domain was developed to simulate and calculate the local hydrological effect on the temporal gravity observations. An intensive measurement system was installed at the Geodetic Observatory Wettzell and WSC were measured in all relevant storage components, namely groundwater, saprolite, soil, top soil and snow storage. The monitoring system comprised also a suction-controlled, weighable, monolith-filled lysimeter, allowing an all time first comparison of a lysimeter and a gravimeter. Lysimeter data were used to estimate WSC at the field scale in combination with complementary observations and a hydrological 1D model. Total local WSC were derived, uncertainties were assessed and the hydrological gravity response was calculated from the WSC. A simple conceptual hydrological model was calibrated and evaluated against records of a superconducting gravimeter, soil moisture and groundwater time series. The model was evaluated by a split sample test and validated against independently estimated WSC from the lysimeter-based approach. A simulation of the hydrological gravity effect showed that WSC of one meter height along the topography caused a gravity response of 52 µGal, whereas, generally in geodesy, on flat terrain, the same water mass variation causes a gravity change of only 42 µGal (Bouguer approximation). The radius of influence of local water storage variations can be limited to 1000 m and 50 % to 80 % of the local hydro¬logical gravity signal is generated within a radius of 50 m around the gravimeter. At the Geodetic Observatory Wettzell, WSC in the snow pack, top soil, unsaturated saprolite and fractured aquifer are all important terms of the local water budget. With the exception of snow, all storage components have gravity responses of the same order of magnitude and are therefore relevant for gravity observations. The comparison of the total hydrological gravity response to the gravity residuals obtained from the SG, showed similarities in both short-term and seasonal dynamics. However, the results demonstrated the limitations of estimating total local WSC using hydrological point measurements. The results of the lysimeter-based approach showed that gravity residuals are caused to a larger extent by local WSC than previously estimated. A comparison of the results with other methods used in the past to correct temporal gravity observations for the local hydrological influence showed that the lysimeter measurements improved the independent estimation of WSC significantly and thus provided a better way of estimating the local hydrological gravity effect. In the context of hydrological noise reduction, at sites where temporal gravity observations are used for geophysical studies beyond local hydrology, the installation of a lysimeter in combination with complementary hydrological measurements is recommended. From the hydrological view point, using gravimeter data as a calibration constraint improved the model results in comparison to hydrological point measurements. Thanks to their capacity to integrate over different storage components and a larger area, gravimeters provide generalized information on total WSC at the field scale. Due to their integrative nature, gravity data must be interpreted with great care in hydrological studies. However, gravimeters can serve as a novel measurement instrument for hydrology and the application of gravimeters especially designed to study open research questions in hydrology is recommended. / Zeitabhängigen Gravimetermessungen, die in der Geodäsie und der Geophysik eingesetzt werden, um Variationen des Erdschwerefelds zu messen, werden durch lokale Wasserspeicheränderungen beeinflusst und verursachen – aus dieser Perspektive – ein hydrologisches Störsignal in den Gravimetermessungen. Gleichzeitig bietet der Teil des Gravimetersignals, der durch Wasserspeicheränderungen hervorgerufen wird, das Potential wichtige Informationen über hydrologische Speicher zu gewinnen, da zwar Wasserspeicher eine grundlegende Zustandsgröße hydrologischer Systeme darstellt, jedoch ihre Quantifizierung mit einem hohen Maß an Unsicherheiten auf der Feldskala behaftet ist. Diese Studie untersucht die Beziehung zwischen zeitabhängigen Gravimetermessungen und Wasserspeicheränderungen, um die Gravimetermessungen von dem hydrologischen Störsignal zu bereinigen und um den Nutzen der Gravimetermessungen für die Hydrologie zu erkunden. Dies geschieht am Beispiel des Supraleitgravimeters (SG) des Geodätischen Observatoriums Wettzell in Deutschland. Ein 4D Vorwärtsmodel mit einer räumlich genesteten Diskretisierungsdomäne wurde entwickelt, um die lokalen hydrologischen Masseneffekte auf Gravimetermessungen zu simulieren. Des Weiteren wurde ein intensives Messsystem am Geodätischen Observatorium Wettzell installiert, um die Wasserspeicheränderungen in allen relevanten Speicherkomponenten, also im dem Grundwasser, in der ungesättigten Zone und im Schneespeicher zu messen. Das Monitoringsystem beinhaltete auch einen wägbaren, monolithischen Lysimeter mit Matrixpotentialübertragung, der es uns ermöglichte, zum ersten Mal einen Lysimeter direkt mit einem Gravimeter zu vergleichen. Die Lysimetermessungen wurden in Kombination mit komplementären hydrologischen Beobachtungen und einem 1D-Modell verwendet, um die Wasserspeicheränderungen auf der Feldskala zu bestimmen. Die Gesamtwasserspeicheränderungen wurden bestimmt, Unsicherheiten abgeschätzt und der hydrologische Masseneffekt auf Gravimetermessungen berechnet. Schlussendlich wurde ein einfaches, konzeptionelles, hydrologisches Modell mittels der Zeitreihen von dem SG, Bodenfeuchte- und Grundwassermessungen kalibriert und evaluiert. Das Modell wurde durch einen “Split-Sample-Test” evaluiert und basierend auf unabhängig bestimmten Wasserspeicheränderungen bestimmt auf Grundlage der Lysimetermessungen validiert. Die Simulation des hydrologischen Masseneffektes auf Gravimetermessungen zeigte, dass Wasserspeicheränderungen von einem Meter Höhe entlang der Topographie, einen Erdschwereeffekt von 52 µGal hervorriefen, während in der Geodäsie im Allgemeinen die gleiche Wassermassenvariation in flachem Terrain eine Erdschwereeffekt von nur 42 µGal (Bouguer-Platte) hervorruft. Der Einflussradius der lokalen Wasserspeicheränderungen kann auf 1000 m begrenzt werden, und 50 % bis 80 % des lokalen hydrologischen Erdschweresignals wird in einem Radius von 50 m um den Gravimeter generiert. Wasserspeichervariationen in der Schneedecke, im Oberboden, dem ungesättigten Saprolith und im gelüfteten Aquifer, sind allesamt wichtige Größen der lokalen Wasserbilanz. Mit der Ausnahme von Schnee beeinflussen alle Speicheränderungen die Gravimetermessungen in derselben Größenordnung und sind daher für die Gravimetermessungen von Bedeutung. Ein Vergleich des lokalen hydrologischen Gravitationseffektes mit den SG Residuen zeigte sowohl ereignisbezogene als auch saisonalen Übereinstimmungen. Weiterhin zeigten die Ergebnisse jedoch auch die Grenzen bei der Bestimmung der gesamten lokalen Wasserspeichervariationen mithilfe hydrologischer Punktmessungen auf. Die Ergebnisse des Lysimeter-basierten Ansatzes zeigten, dass SG Residuen mehr noch, als bisher aufgezeigt, durch lokale Wasserspeicheränderungen hervorgerufen werden. Ein Vergleich der Resultate mit anderen Methoden, die in der Vergangenheit zur Korrektur zeitabhängiger Erdschwerebeobachtungen durch Bestimmung des lokalen hydrologischen Masseneffekte verwendet wurden, zeigte, dass die unabhängige Berechnung von Wasserspeicheränderungen durch Lysimetermessungen erheblich verbessert werden kann und dass diese somit eine verbesserte Methode zur Bestimmung des lokalen hydrologischen Erdschwereeffekts darstellt. Die Installation eines Lysimeters ist somit im Zusammenhang mit einer Reduzierung des hydrologischen Störsignals und an Standorten, wo zeitabhängige Erdschwerebeobachtungen für geophysikalische Studien, die über die lokale Hydrologie hinausgehen verwendet werden, zu empfehlen. Aus hydrologischer Sicht zeigte diese Studie, dass die Verwendung von zeitabhängigen Gravimetermessungen als Kalibrierungsdaten die Modellergebnisse im Vergleich zu hydrologischen Punktmessungen verbesserten. Auf Grund ihrer Fähigkeit, über verschiedene Speicherkomponenten und ein größeres Gebiet zu integrieren, bieten Gravimeter verallgemeinerte Informationen über die Gesamtwasserspeicherveränderungen auf der Feldskala. Diese integrative Eigenschaft macht es notwendig, Erdschweredaten in hydrologischen Studien mit großer Vorsicht zu interpretieren. Dennoch können Gravimeter der Hydrologie als neuartiges Messinstrument dienen und die Nutzung von Gravimetern, die speziell für die Beantwortung noch offener Forschungsfragen der Hydrologie entwickelt wurden wird hier empfohlen.

Baigiamajame magistro darbe atlikta Lietuvos ir Lenkijos gravimetrinių tinklų analizė. Apžvelgta IGSN 71 sunkio sistemos perdavimo metodika, išnagrinėtas gravimetrinių tinklų tikslumas. Pateikta informacija apie naujausią automatinį gravimetrą Scintrex CG-5, atlikta Lietuvos antrosios klasės gravimetrinio tinklo sudarymo metodikos detali analizė. Sudaryta gravimetrinių matavimų duomenų bazė, kuri gali būti naudojama gravimetrinių matavimų duomenų analizei. Panaudojant antrosios klasės gravimetrinio tinklo matavimų gravimetrais Scintrex CG-5 duomenis, atlikti, sunkio pagreičio tikslumo priklausomybės nuo matavimų skaičiaus punkte, tyrimai. Darbe gauti tyrimų rezultatai gali būti panaudoti tobulinant matavimų gravimetrais Scintrex CG -5 metodiką. Darbą sudaro 6 dalys: įvadas, 4 skyriai, išvados, literatūros sąrašas. Darbo apimtis – 98 p. , 56 iliustr., 22 lent., 28 bibliografiniai šaltiniai. / Thesis carried out in Lithuania and Poland, the gravimetric analysis of the network.Reviewed in IGSN 71gravity system of transmission methods, examined the accuracy of gravimetric networks. The information on the latest automatic gravimeter Scintrex CG-5, made second-class Lithuanian gravimetric network of methodology on a detailed analysis. Done gravimetric measurement database that can be used for gravimetric measurement data analysis. Using a second-class gravimeters gravimetric network Scintrex CG-5 data, perform, acceleration of gravity accuracy dependence on the number of measurements point out. We obtain the results can be used to improve measurement gravimeters Scintrex CG -5 methodology. The work consists of six parts: introduction, four sections, conclusions and the list of literature. Working volume - 98 pages, 56 drawings, 25 tables. The list of literature includes 28 bibliographical sources.

This dissertation is focused on a study of selected environmental effects influencing terrestrial gravity observations. Global geopotential models were used to compute quantities of the disturbing gravity field and its variations during time period. Furthermore, analyses of an atmospherical and hydrological effects on the gravity observations were provided. The computation was realized at the station Pecný, however the concept was proved and compared with data from station Strasbourg. Consequently, the results were discussed with respect to quasigeoid modelling established from gravity and astrogeodetic measurements. The result and recommendations for future research are exposed.

Thesis (MEng)--Stellenbosch University, 2013. / ENGLISH ABSTRACT: The suitability of local construction materials for construction purposes is governed by several rock mechanical properties. Strength, durability, performance and petrography of aggregates all influence the decisions engineers make in deciding if the aggregate is suitable and sustainable throughout the lifetime of a structure. This thesis investigates these properties by combining engineering, chemistry and geological disciplines to make informed decisions. The pertaining project for which the research was conducted is the construction of the gravimeter vault at the Matjiesfontein Geodesy and Earth Observation Observatory (MGO) although the research acquired can be used for other projects of a similar nature and other outbuildings at the MGO. Material at and around the site were tested for strength and durability according to certain South African National Standards (SANS). Slake durability was tested as certain rock types tend to slake when exposed to the atmosphere such as tillite of the Dwyka formation and shale of the Karoo Supergroup. Concrete cube strength was determined on cubes containing crushed rock from Matjiesfontein as well as river sand. Cube strength was conducted to analyse performance and to establish a mix design that would be sustainable throughout the lifetime of the project. Petrographic examination using Powder X-ray diffraction (PXRD), X-ray fluorescence (XRF), Scanning Electron Microscopy (SEM) and inspection under a petrographic microscope were conducted. These methods were used to determine if a risk exists for alkali-silica reactivity (ASR) in concrete when the rock types are used as aggregate, particularly if high quartz-bearing rock types such as quartzite of the Table Mountain group were to be used as coarse aggregate. Inspection of thin sections for strained quartz under a petrographic microscope and SEM imaging were important in determining if ASR may occur. The gravimeter vault was constructed using materials sourced mainly from Laingsburg. Tillite satisfied all tests and analyses conducted during the research, making it more suitable for construction than the other materials from Matjiesfontein. The slake durability test indicates that tillite is nearly as durable as quartzite, which is considered the most durable rock type at Matjiesfontein. This is due to atmospheric conditions in the Karoo being very dry with low humidity in comparison to the coast where slaking is known to occur. Slaking properties were most prominent for shale at Matjiesfontein and if excavated, it is recommended to cover the exposed shale with a layer of asphalt or cement to prevent slaking. The 10% fines aggregate crushing test (10%FACT) value for tillite was over the 210 kN prerequisite and the wet-to-dry ratio over 75% making it suitable for road construction according to the 10%FACT. All cube tests reached the desired 40 MPa prerequisite although the mixtures containing local river sand were unworkable. Unlike quartzite and quartzitic sandstone from Matjiesfontein, tillite is low in quartz and has minimal strained quartz. Therefore, no risk exists for ASR if tillite were to be used as aggregate in concrete. / AFRIKAANSE OPSOMMING: Die geskiktheid van plaaslike konstruksiemateriale vir konstruksiedoeleindes word deur sekere rots meganiese eienskappe beïnvloed. Sterkte, duursaamheid, volhoubaarheid en petrografie van aggregaat beïnvloed die besluite wat ingenieurs moet neem sodat die aggregaat aan standaarde voldoen en gedurende die leeftyd van ‘n struktuur volhoubaar is. Hierdie tesis ondersoek die genoemde eienskappe deur ingenieurs-, chemiese- en geologiese dissiplines te kombineer. Die voorgenome projek, waarvoor die navorsing ter sprake is, is vir die konstruksie van die gravimeterkluis by die “Matjiesfontein Geodesy and Earth Observation Observatory (MGO)”, alhoewel die navorsing ook gebruik kan word vir soortgelyke projekte, sowel as die konstruksie van die res van die geboue by die MGO. Materiale van die terrein en die omgewing is volgens sekere Suid-Afrikaanse kodes vir sterkte en duursaamheid getoets. Die blusbaarheid van materiale is getoets omdat sekere materiale, soos tilliet van die Dwyka-formasie en skalie van die Karoo Supergroep blus wanneer dit aan die atmosfeer blootgestel word. Die betonsterkte van kubusse, waarin plaaslike gesteentes en riviersand van Matjiesfontein vir aggregaat gebruik is, is bepaal. Die kubusse is getoets om die sterkte daarvan te analiseer en om ‘n betonmengsel, wat tydens die leeftyd van die projek volhoubaar is, daar te stel. Petrografiese eksaminering deur X-straal difraksie (XRD), X-straal fluoressensie (XRF), Skandeerelektronmikroskopie (SEM) en inspeksie onder ‘n petrografiese mikroskoop is gedoen. Met die doel om die petrografiese samestelling van materiale van Matjiesfontein te bepaal, is hierdie metodes gevolg om te uit te vind of daar ‘n risiko vir alkalie-silikaat reaksies (ASR) bestaan, as die gesteentes in beton gebruik word. Veral gesteentes met ‘n hoë hoeveelheid kwarts, soos kwartsiet van die Tafelberg-groep, is hier ter sprake. Inspeksie van dunsnitte vir gespanne kwarts onder ‘n petrografiese mikroskoop en SEM was belangrik om die risiko vir ASR te bepaal. Die gravimeterkluis is hoofsaaklik met materiale afkomstig van Laingsburg gebou. In vergelyking met die ander gesteentes by Matjiesfontein is tilliet, volgens alle toetsparameters, die mees geskikte gesteente vir konstruksiedoeleindes. Die blusbaarheid van tilliet vergelyk goed met kwartsiet, wat as die sterkste en duursaamste gesteente by Matjiesfontein, beskou word. Die rede hiervoor is die atmosferiese toestande wat baie droër is, asook die laer humiditeit in die Karoo, in vergelyking met gebiede nader aan die kus waar blusting meer algemeen voorkom. Die blusbaarheid van skalie by Matjiesfontein kom algemeen voor. As daar dus uitgrawing in hierdie gebied plaasvind, word dit aanbeveel dat ‘n laag sement of asfalt oorgegooi word om die blusting te verhoed. Die 10%FACT waarde vir tilliet was bo die vereiste 210 kN, asook bo die 75% nat-teenoor-droog-verhouding en daarom is dit volgens die 10%FACT-toets as padboumateriaal geskik. Alhoewel mengsels, wat plaaslike riviersand bevat het, onwerkbaar was, het alle toetsmonsters (kubusse) die vereiste 40 MPa- sterkte bereik. In vergelyking met kwartsiet en kwarsitiese sandsteen, bevat tilliet min kwarts en ook minimale gespanne kwarts. Daar bestaan dus geen risiko vir ASR indien tilliet van Matjiesfontien in die beton gebruik word nie.

Das gravimetrische Atominterferometer (GAIN) ist ein transportables Atominterferometer welches spezifisch für hochpräzise Schweremessungen in der Geodäsie und Geophysik entwickelt wurde. Es basiert auf einer Rubidium Atomfontäne, stimulierten Ramanübergängen und einer 3-Puls Mach-Zehnder Interferometriesequenz. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Optimierung und Anwendung von GAIN als transportables Gravimeter für Absolutschweremessungen an geodätischen Observatorien welche über den aktuellen Stand der Technik hinaus gehen. Dabei wurden eine Absolutgenauigkiet von 29 nm/s^2, eine Langzeitstabilität von 0.4 nm/s^2 sowie eine Sensitivität von 82 nm/s^2 in einer Sekunde erreicht. Die gemessene Genauigkeit und Langzeitstabilität stellen, nach dem Wissen des Authors, die bis heute besten publizierten Werte für ein transportablen Atominterferometer dar und repräsentieren einen bedeutenden Fortschritt im Bereich der Gravimetrie. Um dies zu erreichen wurden umfangreiche Verbesserungen am Gerät umgesetzt und eine ausführliche Analyse der systematischen Messabweichungen durchgeführt. Unter anderem wurden ein System zur Kompensation von Corioliskräften und Ausrichtungsfehlern, ein verbessertes Schwingungsisolationssystem zur nachträglichen Korrektur von Umgebungsvibrationen und eine magnetische Abschirmung instrumenteller Streufelder implementiert. Darüber hinaus wurden insgesamt vier Messkampagnen in Berlin, sowie an den geodätischen Observatorien in Wettzell, Deutschland und Onsala, Schweden durchgeführt, um GAIN mit anderen hochmodernen Absolut- und Relativgravimetern zu vergleichen. Der direkte Vergleich zwischen GAIN und anderen Gravimetern stellt den prinzipbedingten Vorteil der Atominterferometrie durch die Kombination aus Absolutgenauigkeit, Stabilität und Langzeitbetrieb klar hervor. Dies wurde in der Arbeit durch die um einen Faktor 2-5 verbesserte Kalibrierung des Skalenfaktor von zwei supraleitenden Gravimetern demonstriert. / The gravimetric atom interferometer (GAIN) is a transportable setup which was specifically designed to perform high-precision gravity measurements at sites of interest for geodesy or geophysics. It is based on a Rb atomic fountain, stimulated Raman transitions and a three-pulse Mach-Zehnder atom interferometry sequence. The presented work is concerned with the optimization and application of GAIN as a transportable gravimeter in order to perform gravity measurements beyond the state-of-the-art. An absolute accuracy of 29 nm/s^2, long-term stability of 0.4 nm/s^2 and short-term noise level as low as 82 nm/s^2 in one second was achieved. The obtained long-term stability and accuracy values are, to the knowledge of the author, the best published performance of any transportable atom interferometer to date and represent a significant advancement in the field of gravimetry. A comprehensive analysis of the systematic error budget was performed to improve the accuracy and stability of the measured gravity value. Several setup improvements were implemented to this end, including Coriolis force and alignment control systems, an improved vibration isolator with post-correction and magnetic shielding which reduces spurious coupling due to stray fields. Measurement campaigns were conducted in Berlin and at geodetic observatories in Wettzell, Germany, and Onsala, Sweden, in order to compare GAIN to other state-of-the-art absolute and relative gravimeters. The direct comparison of GAIN to other absolute and relative gravimeters shows the general advantage of atom interferometers due to their unique combination of absolute accuracy, stability and robust architecture enabling continuous measurements. This was demonstrated during the presented campaigns by the improvement of the scale factor calibration of two superconducting gravimeters by a factor 2 to 5 using GAIN data.

Les aquifères karstiques représentent des ressources en eau essentielles dans de nombreuses régions du monde comme le bassin Méditerranéen. Cependant, de par les processus complexes de karstification, ces aquifères sont hétérogènes à de nombreuses échelles et vulnérables. Dans cette thèse, nous étudions le potentiel de la gravimétrie et du bruit sismique ambiant pour la modélisation hydrologique en milieu karstique.Le site dolomitique de l’observatoire « GEK », sur le bassin du Durzon dans le Larzac, est le site d’étude privilégié de ces travaux. Dans l’observatoire, un gravimètre supraconducteur dédié à l’hydrologie mesure depuis 2011 les variations de gravité en continu et à une très haute précision, pour la première fois sur un karst. Des modèles hydrologiques conceptuels ont été réalisés à partir de cette surveillance gravimétrique et ont permis de poser les bases de modèles physiques d’écoulements 1-D. En effet la gravimétrie, intégratrice, permet 1) de considérer l’épikarst localement hétérogène comme un milieu tabulaire équivalent et 2) de définir les types de transfert à l’œuvre sur le site. En particulier, l’absence de transfert rapide dans l’épikarst a été quantifiée avec précision pour la première fois à l’échelle du terrain (~100m). A l’aide de données météorologiques locales, un bilan de masse précis a permis de définir le flux en limite inférieure du modèle à 1 mm.jour-1. Ce flux s’est montré représentatif du débit de basses-eaux de la source drainant l’ensemble du bassin. Ce résultat suppose une homogénéité de l’épikarst dolomitique quasiment à l’échelle du bassin. Les paramètres des modèles physiques ont ensuite pu être calibrés à l’aide d’un an d’intercorrélation du bruit sismique ambiant entre deux stations. Les variations de vitesses de phase obtenues entre 6 et 8Hz nous ont servi de « chronomètre » pour suivre l’infiltration entre 30 et 60m de profondeur. La surveillance passive des variations de vitesses sismiques par intercorrélation du bruit sismique ambiant montre ainsi un fort potentiel pour l’étude des zones critiques profondes et complexes à l’échelle du terrain et peut combler la lacune instrumentale qui existe actuellement en hydrologie.Des campagnes répétées de mesures avec un gravimètre portable à ressort ont également mis en évidence le fonctionnement différent de deux épikarsts et leur variabilité à l’échelle de la centaine de mètres. Des mesures mensuelles autour de l’observatoire ont mis en évidence l’homogénéité spatiale de cet épikarst dolomitique : toutes les stations ont les mêmes variations temporelles de stock d’eau. Au contraire, des mesures saisonnières en surface et en profondeur le long de la galerie souterraine calcaire de l’abîme de Saint-Ferréol ont montré une variabilité spatiale forte du stockage ainsi que du transfert rapide. La lithologie de l’épikarst est donc suspectée de jouer un rôle dans sa capacité de stockage. Lors de ces campagnes, la faiblesse du signal recherché a nécessité une méthodologie précautionneuse et un effet de température sur les mesures des gravimètres relatifs à ressort a été observé sur le terrain et quantifié en laboratoire. / Karstic aquifers represent the most important fresh water reservoirs in many regions of the world like the Mediterranean Basin. However, because of complex processes of karstification, those aquifers are highly heterogeneous at all spatial scales and vulnerable to contamination. In this dissertation, we studied the potential of gravimetry and ambient seismic noise for hydrological modeling in karstic areas.The dolomitic area surrounding the “GEK” observatory in the Durzon catchment on the Larzac plateau, in France, is the preferred site for these studies. Inside the observatory, a superconducting gravimeter dedicated to hydrology has continuously measured gravity changes since 2011 with high precision, undertaken for the first time on a karst. From this gravity monitoring, we made conceptual hydrological models which laid the foundation of 1-D flow physical models. Indeed, gravimetry is an integrative hydro-geophysical method which allows 1) to consider the epikarst, locally heterogeneous as an equivalent tabular medium and 2) to define the types of transfer (fast & slow) occurring at the site. Especially, the lack of fast transfer through the GEK epikarst was precisely quantified for the first time at the field scale (~100m). Gravity-driven water mass balance with local meteorological data (evapotranspiration from a flux tower and precipitation) allowed setting the bottom outlet of the model to 1 mm.day-1. This flow has proved to be representative of the low-flow discharge at the only spring which represents all groundwater outflows from the catchment. This result supposes the homogeneity of the dolomitic epikarst almost at the basin scale. Model parameters were next calibrated using one year of ambient seismic noise monitored at two stations. Phase velocity changes obtained by cross-correlating the noise between 6 and 8 Hz were used as a ”timer” to follow the water infiltration between a depth of 30 and 60 meters. Thus, monitoring seismic velocity changes using ambient seismic noise demonstrates great potential for the study of deep and complex critical zones and could fill the instrumental gap currently existing in hydrology.Time-lapse gravity measurements with a spring-based portable gravimeter have also demonstrated the different behavior of two epikarsts and their variability at the scale of a few hundred meters. Monthly measurements around the observatory revealed the spatial homogeneity of this dolomitic epikarst: all the stations showed the same water storage changes. On the contrary, seasonal surface to depth gravity measurements along the underground passage of the Saint-Ferréol sinkhole, in limestone, have shown fast transfer and strong spatial variability of water storage. Lithology is then expected to play a part in the epikarst capacity to retain water. The precision needed to measure the weak hydrological induced signals during those surveys required robust methodology and an ambient temperature effect on measurements with spring-based gravimeter was observed in the field and quantified in the laboratory.