The method of combining multiple geophysical, geological, or geochemical datasets can reveal patterns of otherwise hidden features in the Earth’s crust. This may aid in geological mapping, locating economic mineral deposits and for general anomaly/feature detection. In this study a multidimensional geophysical approach implementing five geophysical datasets is applied using Self-Organizing Maps (SOM), where the main objective is to locate and understand a previously unknown hypothesized fault in Norrbotten, Sweden. The fault is estimated to extend from the Finnish border in the north, across northern Sweden in the N-S direction at a hypothesized length of > 250 km. Self-Organizing Maps is an unsupervised neural network - originally developed by Finnish physicist Teuvo Kohonen - capable of combining any number of datasets and thereby visualize them on a simple two-dimensional map. The datasets used in the analysis were three magnetic derivatives for the x, y and z components, as well as gamma-ray intensity measurements of the 238U, 40K and 232Th radioisotopes. All these variables have been shown to be effective tools for bedrock mapping and geological feature detection and were hence chosen based on these properties. The results revealed the efficiency of the SOM analysis to represent multivariate data on a 2D plane and proved to be a generally good visualization tool for multiple geophysical datasets. There seems to be a relatively sharp difference in geophysical properties between the eastern and western blocks divided by the hypothesized fault, which may indicate the presence of this crustal scale structure. Despite the evidence found in this study, more investigations are needed to verify the existence and nature of the fault, and the results shown here may motivate further projects by providing indications and suggestive evidence for its presence.

Acts of insurgency have become an increasing threat resulting in extensive measures being taken by the law enforcement authorities to mitigate their devastating effects on human life and infrastructure. This thesis introduces a magnetometry-based information, and signal processing methodology for detecting concealed ferrous objects in vehicle body panels. From extensive literature research, it was observed that while magnetic sensors have been used in a variety of related applications, but they have not been extensively applied to the on-road detection of firearms and explosives concealed in vehicles. This study utilized an extensive experimental protocol for preliminary concept validation. The main idea behind the approach was that almost all concealed weapons and explosives are made up of a considerable amount of ferrous material, and hence produce a local distortion in the Earth’s magnetic field. This distortion can then be identified by utilizing sensitive magnetic sensors. To detect concealed ferrous objects, magnetic signatures of a vehicle door panel were obtained by using a scanning assembly design in this thesis project, and compared to a base magnetic signature of the same vehicle door panel. The base magnetic signature is the magnetic field data of the same vehicle where no foreign ferrous objects were present. To analyze the data, a signal processing methodology was designed. To achieve the objective of accurately detecting concealed ferrous objects, simple measures such as magnetic field strength and its energy density were computed. These simple measures were then used in conjunction with more sophisticated statistical methods such as, normalized cross-correlation and Mahalanobis distance. Although all these methodologies were able to detect a magnetic footprint anomaly in the presence of a concealed object, the Mahalanobis distance approach, in particular provided the most conclusive results in all the test cases considered.

The use of magnetometers combined with unmanned aerial vehicles (UAVs) is an emerging market for commercial and military applications. This study presents the methodology used to magnetically characterize a novel fixed-wing vertical take-off and landing (VTOL) UAV. The most challenging aspect of integrating magnetometers on manned or unmanned aircraft is minimizing the amount of magnetic noise generated by the aircraft’s onboard components. As magnetometer technology has improved in recent years magnetometer payloads have decreased in size. As a result, there has been an increase in opportunities to employ small to medium UAV with magnetometer applications. However, in comparison to manned aviation, small UAVs have smaller distance scales between sources of interference and sensors. Therefore, more robust magnetic characterization techniques are required specifically for UAVs. This characterization determined the most suitable position for the magnetometer payload by evaluating the aircraft’s static-field magnetic signature. For each aircraft component, the permanent and induced magnetic dipole moment characteristics were determined experimentally. These dipole characteristics were used to build three dimensional magnetic models of the aircraft. By assembling the dipoles in 3D space, analytical and numerical static-field solutions were obtained using MATLAB computational and COMSOL finite element analysis frameworks. Finally, Tolles and Lawson aeromagnetic compensation coefficients were computed and compared to evaluate the maneuver noise for various payload locations. The magnetic models were used to study the sensitivity of the aircraft configuration and to simultaneously predict the effects at potential sensor locations. The study concluded by predicting that a wingtip location was the area of lowest magnetic interference. / Graduate

L’objectif de cette thèse est de comprendre (1) si l’exhumation des roches mantelliques aux dorsales océaniques est compatible avec l’enregistrement des inversions de polarité du champ magnétique terrestre, (2) quels sont les processus associés aux anomalies magnétiques observées à l’aplomb des transitions océan-continent et (3) quelles sont les conséquences de ces processus sur les mécanismes de l’océanisation. Afin de travailler avec des données de résolution maximum, une méthode de calibration et d’interprétation des données magnétiques acquises proches du fond est développée dans le premier chapitre. Dans le deuxième chapitre, cette méthode est appliquée aux données magnétiques acquises à l’aplomb des domaines de manteau exhumé de la dorsale Sud-Ouest Indienne (SWIR). Il est ensuite montré que l’exhumation des roches mantelliques est associée à un signal magnétique de faible amplitude et de faible continuité spatiale rendant impossible l’identification des anomalies magnétiques d’accrétion océanique. De fait, il est proposé que contrairement aux basaltes, les roches mantelliques exhumées de la SWIR ne portent pas une aimantation rémanente suffisamment stable pour fossiliser la direction du champ magnétique terrestre. Dans le dernier chapitre, il est démontré que l’anomalie « J », antérieurement interprétée comme la première isochrone associée à la partie distale des marges Ibérie/Terre-Neuve, est en fait identifiée à l’aplomb d’une structure crustale particulière caractérisée par un haut topographique et un épaississement crustal. Par conséquent, il est proposé qu’un évènement magmatique majeur est à l’origine de la création de cette structure crustale et que cet événement est le déclencheur de la mise en place de la première dorsale océanique. / The aim of this work is to constrain (1) whether exhumation of mantle rocks at mid oceanic ridges is compatible with the record of polarity reversals of the Earth magnetic field, (2) what is the origin and the processes responsible for the magnetic anomalies observed at magma-poor rifted margins and (3) what are the consequences of these processes on continental breakup. In a first part, in order to work with high-resolution data, we develop a method for calibration and interpretation of deep-tow three component magnetic data. In a second part, we apply these methods to the data acquired above the large exhumed mantle domains of the ultraslow-spreading Southwest Indian Ridge. We show that, in these areas, neither the magnetic properties of the dredge samples nor the deep-tow magnetic data are consistent with the seafloor-spreading magnetic pattern commonly observed at mid oceanic ridges. We further suggest that in contrast to mid oceanic ridges basalts the exhumed serpentinized mantle rocks do not carry a sufficiently stable remanant magnetization to produce marine magnetic anomalies. In the last part, we show that the “J” anomaly, previously interpreted as the first seafloor-spreading anomaly of the Iberia and Newfoundland passive margins, is associated with locally high topography and thickened crust. We propose that this peculiar crustal structure results from voluminous magma both erupted at the surface and added beneath the exhumed mantle domain. We therefore propose that the J anomaly did not form during seafloor spreading but instead represents a pulse of magmatism that have triggered continental breakup.

Cette étude propose d'examiner les vestiges archéologiques de Qasr ʿAllam enfouis sous les sédiments en développant une approche géophysique adaptée aux contextes du site. La mesure du champ total à l'aide de magnétomètres vectoriels à vanne de flux permet la mise au point de dispositifs multi-capteurs qui permettent une acquisition au rapport rapidité/densité hautement modulable. Ainsi des cartes verticales et horizontales de l'anomalie de l'intensité du champ magnétique à différentes échelles sont établies. L'utilisation et le développement d'outils d'interprétation issus de la théorie du potentiel, couplés à des fouilles ciblées, permettent à la fois de d'obtenir des informations sur les sources et d'améliorer la méthode grâce aux preuves-terrain. Les résultats ainsi obtenus révèlent la présence d'un système d'irrigation complexe et étendu, d'un ensemble cultuel massif du 8e/7e siècle avant l'ère commune et d'un second ensemble plus petit postérieur de plusieurs siècles. Entre ces deux derniers un changement environnemental brutal d'un milieu humide à aride a manifestement eu lieu. Tous ces résultats permettent d'établir des cartes des vestiges pour l'étude archéologique et l'établissement d'un périmètre de protection du site. / This study proposes to investigate the archaeological remains covered by sediments in Qasr ʿAllam by developing a geophysical method adapted to the contexts of the site. The measurement of the magnetic total field with fluxgate vector magnetometers allows the design of multi-captor devices which enable an acquisition of data with a highly adjustable rapidity/density ratio. Thus, vertical and horizontal maps of the anomaly of the magnetic total field's intensity are established. The use and development of interpretative tools derived from the theory of potential fields in association with targeted excavations allow the procurement of information on the sources as well as the improvement of the method through field evidences. The results reveal the existence of a large and intricate irrigation system, of a massive cultic facility dating from the 8th/7th century before the Common Era, and of a smaller complex built a few centuries later. Evidences also show that a massive change from humid to arid environmental conditions took place during the time separating the two latter. All these results allow the establishment of maps of the remains for archaeological studies and the establishment of a perimeter of protection of the site.

Ce travail de thèse porte sur la recherche géophysique de la proche sub-surface appliquée aux objets et structures archéologiques. L'objectif est de définir une méthodologie d'étude géophysique de sites archéologiques dans un contexte Méditerranéen : en France et en Tunisie, ainsi que " l'empreinte géophysique " des principaux objets archéologiques. La méthode géophysique principale utilisée est la méthode magnétique. Les cartographies magnétiques obtenues sont couplées aux cartographies et mesures électromagnétiques et aux tomographies électriques (ERT) et sismiques. Ce volet de prospection sur le terrain est corrélé aux mesures magnétiques de laboratoire, permettant une meilleure contrainte des modélisations directes et synthétiques proposées pour les différents objets étudiés. Dans une première partie, la thèse se concentre sur les structures et objets archéologiques de combustion. Cette partie précise la signature magnétique de ces objets et souligne son rehaussement dû à l'effet du feu. Dans un second temps, la thèse fait porter l'analyse sur l'empreinte géophysiques des structures d'aménagement et sa variation reliée aux différents matériaux et techniques utilisés ainsi qu'aux propriétés du terrain encaissant. D'autres objets sont par la suite étudiés pour une meilleure compréhension des anomalies magnétiques potentiellement produites. La diminution de la qualité du signal magnétique et donc du rapport signal sur bruit est traité vers la fin. / This dissertation deals with the applied geophysics to archaeological objects and structures in the close subsurface. The aims are to define a geophysical methodology for the study of archeological sites in a Mediterranean context : in France and in Tunisia, and also the geophysical signature of the main archaeological features. The main geophysical method used is the magnetic method. The obtained magnetic mappings are coupled with the electromagnetic cartographies and measurements, and with the electrical tomographies (ERT) and the seismic surveys. This ground prospecting is correlated with the magnetic measurements of laboratory, allowing a better constraint of the forward and synthetic modelling, proposed for the various studied features. First, the thesis concentrates on the study of the archaeological structures of combustion. This part specifies the magnetic signature of these objects and underlines the raising owed to the effect of the fire. Secondly, this work analyzes the geophysical imprint of the building structures and its variation connected with the various materials and techniques used as well as the surrounding ground properties. Other objects are afterward studied for a better understanding of the potentially produced magnetic anomalies. Last but not least, the decrease of the quality of the magnetic signal and thus the signal-to-noise ratio, is handled.

Située dans la partie occidentale de la République Centrafricaine, la zone d’étude (Fig.1 et 18), correspond à trois domaines géotectoniques : le domaine NW et SE, le domaine central et le domaine méridional. Le domaine NW et SE ou la nappe panafricaine des Gbayas (640 Ma), est caractérisé par une succession d’activités magmatiques et de granulites. Le mouvement tectonique affectant ce domaine est principalement latéral ( vers le S et SW). Le domaine central, constitué d’un socle éburnéen (2400-2200 Ma) et de sa couverture paléoprotérozoïque métasédimentaire à métavolcanite (1800 Ma environs), est dominé par des mouvements verticaux.Le dernier domaine comporte, une triade de roches (métatillite, cipolin, métasilexite) néoprotérozoïques, associées au dépôts du bassin de Bangui, est coiffée par une formation sédimentaire. S’agirait-il de deux domaines paléogéographiques (central et méridional) juxtaposés ? La lithologie et la lithostratigraphie de ces deux précédentes zones posent toujours des problèmes d’âges.). Les métatillites situés à la partie basale des dépôts du bassin de Bangui (domaine méridional), nous ont poussé à vérifier les traces de l’événement mondial qui est la glaciation néoprotérozoïque, en réalisant des analyses géochimiques au ∂18O et ∂13C. Ces trois domaines portent les empreintes de quatre à trois phases de déformation panafricaine. Des fortes valeurs d’aimentation (≤ 5 A/m ) mesurées sur certaines roches issues de cette zone pourraient être associées à la grande anomalie magnétique observée mondialement (satellitaire et au sol ) en République Centrafrique. / Located in the western part of the Central African Republic, the study area (Fig. 1 and 18), corresponding to three geotectonic areas: NW and SE area, central area and the southern area. The NW and SE domain or Pan Gbayas of water (640 Ma) is characterized by a succession of magmatic activity and granulites. The tectonic movement affecting this area is mainly lateral (to the S and SW). The central domain consists of a Eburnean basement (2400-2200 Ma) and its Paleoproterozoic metasedimentary to metavolcanic coverage (around 1800 Ma) is dominated by vertical movements.The latter area includes a triad of rocks (métatillite, cipolin, métasilexite) Neoproterozoic, associated with basin deposits Bangui, is capped by a Stack. Would it two paleogeographic domains (central and southern) side by side? Lithology and lithostratigraphy of the two previous areas still pose problems for ages.). The métatillites located at the basal part of Bangui Basin (southern area) deposits, we drove to check the traces of the global event that is Neoproterozoic glaciation, conducting geochemical analyzes ∂ 18O and ∂ 13C. These three areas are the fingerprints of four three-phase deformation of Pan. Strong values of magnetization (≤ 5 A / m) measured on some rocks from this area may be associated with high magnetic anomaly observed worldwide (satellite and ground) in the Central African Republic.

Les modes de déformation des systèmes de rift hyper-étirés pauvres en magma évoluent dans le temps et dans l’espace. Ainsi les structures et architectures observées varient le long d’une section en profondeur ainsi que sur une carte. Cette étude vise à caractériser les modes de déformation des systèmes hyper-étirés et leur propagation en utilisant les exemples du sud de l’Atlantique Nord. L’architecture de la terminaison de la croûte continentale a été comparée à la théorie du prisme critique de Coulomb car sa forme est prismatique, la déformation finale est cassante/frictionnelle et ce prisme glisse sur un décollement basal. Cette théorie met en évidence le comportement distinct des deux marges conjuguées. De plus, elle contraint l’architecture crustale, permet l’intégration des failles contre-régionales et explique la formation des blocs allochtones dans un modèle de failles en séquence. L’intégration des modes de déformation dans un modèle évolutif 3D impose un contexte cinématique fiable, ce qui n’est pas le cas de l’ouverture océanique du sud de l’Atlantique Nord. Ceci est dû à l’interprétation de l’anomalie J comme un isochrone. L’investigation de cette anomalie indique une formation polygénique et polyphasée incohérente avec un isochrone ou une limite de domaine. Ainsi l’anomalie J est inutilisable pour les reconstructions cinématiques. L’évolution de la déformation de rift a été analysée grâce à une nouvelle reconstruction cinématique du sud de l’Atlantique Nord. Il apparait alors que la déformation de la croûte continentale est segmentée alors que la propagation de la croûte océanique forme un V. L’approche développée dans cette thèse pose également de nouvelles questions géodynamiques quant à l’influence de l’héritage et l’effet des points triple. / Deformation modes of magma-poor hyper-extended rift systems evolve through time and space. Hence the observed structures and architectures vary along a depth section as well as on a map. This study aims to characterize the deformation modes of hyper-extended systems and their propagation using the examples of the southern North Atlantic. The architecture of the continental crust termination has been compared to the critical Coulomb wedge theory because it has a wedge shape, the final deformation is brittle/frictional and this wedge is gliding over a basal detachment. This theory highlights the distinct behavior of the two conjugate margins. Moreover it constrains crustal architecture of the continental crust termination, integrates continentward dipping faults and explains the formation of extensional allochthons in a sequential faulting model. The integration of deformation modes in an evolving 3D model necessitates a reliable kinematic context, which is not the case for the opening of the southern North Atlantic Ocean. This is linked to the interpretation of the J-magnetic anomaly as an oceanic isochron. Re-investigations of this anomaly revealed its polygenic and polyphased formation, which is inconsistent for an oceanic isochrons or a domain boundary making it unusable for plate reconstruction. The evolution of rift deformation has been analyzed with a new plate reconstruction of the southern North Atlantic. It appears that the continental crust deformation is segmented whereas oceanic crust propagates in a V-shape. The approach developed in this thesis also asks new geodynamical questions on the influence of inheritance and the effect of triple junction.

L’objectif de ce travail est d’améliorer la caractérisation des sources à l’origine d’anomalies magnétiques, par le biais de développements théoriques et expérimentaux. Pour des structures invariantes dans une direction horizontale (structures à 2D), l’idée de Nabighian (1972) a été généralisée, ce qui implique une nouvelle façon d’étudier les méthodes potentielles à 2D. Ces développements ont permis de proposer une nouvelle approche théorique et de nouvelles représentations dans le plan complexe des fonctions magnétiques. La deuxième approche de ce travail est expérimentale. Une étude y est faite par le biais de données et de cas synthétiques, afin d’estimer l’apport d’acquisitions magnétiques à différentes altitudes pour caractériser une source. Dans un troisième temps, les développements théoriques et expérimentaux sont mis en œuvre pour deux exemples : des anomalies magnétiques en domaine océanique de type Vine et Mathews et une cartographie pour l’archéologie. / Magnetic anomalies recorded outside bodies provide high quality information relative to buried structures. By using theoretical and experimental developments, this thesis aims to improve the characterization of the source inducing the magnetic anomaly. Firstly, some properties of three dimensional magnetic functions are presented, for example the presence of several maxima of the analytic signal operator (3D) is demonstrated. The Nabighian (1972) equation is generalized, which imply a new process to study potential method in two dimensions. These developments enable a new visualization of the anomaly in the complex field. The second approach is experimental. Synthetic cases are used to estimate the contribution of different configurations of magnetic data acquisitions at different altitudes to characterize the magnetic source. Theoretical and experimental developments are finally applied to two field examples: oceanic magnetic anomalies and archaeological magnetic prospection