Tiltmeters can be used in the mining environment to monitor slope stability by making use of gravitational force to measure angles of inclination relative to horizontal. Tiltmeters typically use accelerometers, which output a voltage measurement that can be related to angle of tilt. Though wireless tiltmeters already exist today, they lack certain ruggedness and sensitivity preventing use in mines. The purpose of this project was to investigate the feasibility of using already existing wireless tiltmeters in the mining setting. Additionally, a new wireless tiltmeter was designed which could be specially tailored for the needs of monitoring hazardous rock bodies in both surface and underground mines. By recording angles of any slope, either in a surface mine or underground, over extended periods of time, changes in readings can infer instabilities in the rock mass underlying the slope being measured. By placing many tiltmeters in a mesh on a surface slope or underground roof, rib, or other face, the entire surface can be monitored. Compared to the measurements of a single point using one instrument, a dense network can be extremely useful in detecting rock movement. Many monitoring techniques are in use already in mines. Traditional methods of monitoring, though undeniably useful, are often time consuming. By utilizing wireless devices that transmit data back to a single location, data acquisition and analysis time can be minimized, saving the mine employee hours as well as down time. As surface mines continue to deepen, and underground mines continue to progress further from the surface, the extent of necessary monitoring continues to increase: this widening range will require greater time for proper monitoring, unless an automated system is implemented. With proper wireless equipment, real time monitoring of an entire mine is possible. / Master of Science

Submarine landslides can generate local tsunamis posing a hazard to human lives and coastal facilities. Two major related problems are: (i) quantitative estimation of tsunami hazard and (ii) early detection of the most dangerous landslides. This thesis focuses on both those issues by providing numerical modeling of landslide-induced tsunamis and by suggesting and justifying a new method for fast detection of tsunamigenic landslides by means of tiltmeters. Due to the proximity to the Sunda subduction zone, Indonesian coasts are prone to earthquake, but also landslide tsunamis. The aim of the GITEWS-project (German-Indonesian Tsunami Early Warning System) is to provide fast and reliable tsunami warnings, but also to deepen the knowledge about tsunami hazards. New bathymetric data at the Sunda Arc provide the opportunity to evaluate the hazard potential of landslide tsunamis for the adjacent Indonesian islands. I present nine large mass movements in proximity to Sumatra, Java, Sumbawa and Sumba, whereof the largest event displaced 20 km³ of sediments. Using numerical modeling, I compute the generated tsunami of each event, its propagation and runup at the coast. Moreover, I investigate the age of the largest slope failures by relating them to the Great 1977 Sumba earthquake. Continental slopes off northwest Europe are well known for their history of huge underwater landslides. The current geological situation west of Spitsbergen is comparable to the continental margin off Norway after the last glaciation, when the large tsunamigenic Storegga slide took place. The influence of Arctic warming on the stability of the Svalbard glacial margin is discussed. Based on new geophysical data, I present four possible landslide scenarios and compute the generated tsunamis. Waves of 6 m height would be capable of reaching northwest Europe threatening coastal areas. I present a novel technique to detect large submarine landslides using an array of tiltmeters, as a possible tool in future tsunami early warning systems. The dislocation of a large amount of sediment during a landslide produces a permanent elastic response of the earth. I analyze this response with a mathematical model and calculate the theoretical tilt signal. Applications to the hypothetical Spitsbergen event and the historical Storegga slide show tilt signals exceeding 1000 nrad. The amplitude of landslide tsunamis is controlled by the product of slide volume and maximal velocity (slide tsunamigenic potential). I introduce an inversion routine that provides slide location and tsunamigenic potential, based on tiltmeter measurements. The accuracy of the inversion and of the estimated tsunami height near the coast depends on the noise level of tiltmeter measurements, the distance of tiltmeters from the slide, and the slide tsunamigenic potential. Finally, I estimate the applicability scope of this method by employing it to known landslide events worldwide. / Submarine Erdrutsche können lokale Tsunamis auslösen und stellen somit eine Gefahr für Siedlungen an der Küste und deren Einwohner dar. Zwei Hauptprobleme sind (i) die quantitative Abschätzung der Gefahr, die von einem Tsunami ausgeht und (ii) das schnelle Erkennen von gefährlichen Rutschungsereignissen. In dieser Doktorarbeit beschäftige ich mich mit beiden Problemen, indem ich Erdrutschtsunamis numerisch modelliere und eine neue Methode vorstelle, in der submarine Erdrutsche mit Hilfe von Tiltmetern detektiert werden. Die Küstengebiete Indonesiens sind wegen der Nähe zur Sunda-Subduktionszone besonders durch Tsunamis gefährdet. Das Ziel des GITEWS-Projektes (Deutsch- Indonesisches Tsunami-Frühwarnsystem) ist es, schnell und verlässlich vor Tsunamis zu warnen, aber auch das Wissen über Tsunamis und ihre Anregung zu vertiefen. Neue bathymetrische Daten am Sundabogen bieten die Möglichkeit, das Gefahrenpotential von Erdrutschtsunamis für die anliegenden indonesischen Inseln zu studieren. Ich präsentiere neun große Rutschungereignisse nahe Sumatra, Java, Sumbawa und Sumba, wobei das größte von ihnen 20 km³ Sediment bewegte. Ich modelliere die Ausbreitung und die Überschwemmung der bei diesen Rutschungen angeregten Tsunamis. Weiterhin untersuche ich das Alter der größten Hanginstabilitäten, indem ich sie zu dem Sumba Erdbeben von 1977 in Beziehung setze. Die Kontinentalhänge im Nordwesten Europa sind für Ihre immensen unterseeischen Rutschungen bekannt. Die gegenwärtige geologische Situation westlich von Spitzbergen ist vergleichbar mit derjenigen des norwegischen Kontinentalhangs nach der letzten Vergletscherung, als der große Tsunamianregende Storegga-Erdrutsch stattfand. Der Einfluss der arktischen Erwärmung auf die Hangstabilität vor Spitzbergen wird untersucht. Basierend auf neuen geophysikalischen Messungen, konstruiere ich vier mögliche Rutschungsszenarien und berechne die entsprechenden Tsunamis. Wellen von 6 Metern Höhe könnten dabei Nordwesteuropa erreichen. Ich stelle eine neue Methode vor, mit der große submarine Erdrutsche mit Hilfe eines Netzes aus Tiltmetern erkannt werden können. Diese Methode könnte in einem Tsunami-Frühwarnsystem angewendet werden. Sie basiert darauf, dass die Bewegung von großen Sedimentmassen während einer Rutschung eine dauerhafte Verformung der Erdoberfläche auslöst. Ich berechne diese Verformung und das einhergehende Tiltsignal. Im Falle der hypothetischen Spitzbergen-Rutschung sowie für das Storegga-Ereignis erhalte ich Amplituden von mehr als 1000 nrad. Die Wellenhöhe von Erdrutschtsunamis wird in erster Linie von dem Produkt aus Volumen und maximaler Rutschungsgeschwindigkeit (dem Tsunamipotential einer Rutschung) bestimmt. Ich führe eine Inversionsroutine vor, die unter Verwendung von Tiltdaten den Ort und das Tsunamipotential einer Rutschung bestimmt. Die Genauigkeit dieser Inversion und damit der vorhergesagten Wellenhöhe an der Küste hängt von dem Fehler der Tiltdaten, der Entfernung zwischen Tiltmeter und Rutschung sowie vom Tsunamipotential ab. Letztlich bestimme ich die Anwendbarkeitsreichweite dieser Methode, indem ich sie auf bekannte Rutschungsereignisse weltweit beziehe.

Tilt and strain meters were installed on the Portland State University campus in the summer of 1982 and data was collected for 4 months. Instrument selection, operation, installation and performance are discussed. Suggestions that could enhance data quality and data collection efficiency are presented. An analysis procedure is suggested and an example of this procedure for an interval of data is discussed. The influence of the temperature, pressure, rainfall and solid earth tides on the signal is investigated, as well as the correlation between similar channels of the different tilt instruments. The temperature, rainfall and solid earth tides were all determined to have an influence on the instruments. A statistical test of the influence of the barometric pressure on the signal revealed no significant influence. A very low correlation between similar components of the different tilt instruments was observed aside from their thermal dependence. It was concluded that in order to obtain high quality data for the use in quantitative calculations, the temperature influence on the raw record must be minimized.

Thesis (Ph. D.)--University of Texas at Austin, 2000. / Vita. Includes bibliographical references (leaves 140-146). Available also in a digital version from Dissertation Abstracts.

University, Diss., 2004--Bonn.

Mount St. Helens returned to an active eruptive state March 20, 1980. Since then explosive and dome building eruptions have caused major topographic changes to the mountain and surrounding drainages. Monitoring of the southern side of the mountain by six tiltmeters at distances between 6 km and 12 km was conducted during the period of July 1, 1980 to December 31, 1980. Records obtained from the tiltmeters were analyzed and compared to data from precision geodetic surveys.

Les zones de subduction impliquent le recyclage de la lithosphère océanique dans le manteau convectif pour former une croûte continentale par migration ascendante de la partie fondue du slab. Ce processus à long terme, où la plaque supérieure accumule des contraintes qui sont instantanément libérées sous la forme de séismes, se répète sur un processus cyclique : le cycle sismique de subduction (SEC). Néanmoins, le glissement rapide sur les failles n'est pas le seul processus contribuant à la déformation pendant le SEC. Des processus de glissement asismique sont observés sous la forme de creeping constant et de glissement lent transitoire. Exemple du dernière est le phénomène d'afterslip et les slow slip events (SSE) dont la durée est beaucoup plus longue que les séismes "normaux". De la même importance est l'effet du stress induit par un sésime dans le manteau. Parce qu'il se comporte comme un corps viscoélastique, le manteau détend ce stress au cours d'un processus de déformation lent de longue durée et à grande échelle. Tous ces phénomènes ont un impact sur la déformation de la plaque supérieure et doivent être pris en compte dans l'analyse du budget de glissement sur le SEC afin d'obtenir l'estimation réelle du risque sismique d'une région. En partant de cette prémisse, la principale motivation de ce travail est de contribuer à la détermination de l'état actuel de couplage de l'interface sismique de la zone nord de la subduction chilienne. La majeure partie de cette étude a été menée dans deux directions : l'analyse et l'interprétation des déformations transitoires à court terme (jours, semaines) et à long terme (années) détectées par les stations GPS permanentes déployées au nord du Chili. Premièrement, en recherchant de façon exhaustive les signaux transitoires à court terme dans des séries géodésiques, nous cherchons à contribuer au débat actuel sur la question de savoir si des glissements lents se produisent dans la zone de subduction chilienne ou non. Jusqu'à présent, un seul cas de glissement lent associé à la phase de nucléation d'Iquique 2014 a été rapporté. Nos résultats, obtenus après filtrage et analyse approfondie des séries temporelles consacrées à la réduction de leur bruit inhérent, indiquent l'existence de seulement 3 événements susceptibles de correspondre à de petits épisodes de glissement sismique. Ils se produisent entre 2009 et 2011, avec des durées de quelques semaines et des amplitudes qui ne dépassent pas 4 mm. De plus, l'occurrence de l'épisode de glissement sismique plus important simultané à l'activité du séisme d'Iquique 2014 est confirmée, et l'analyse est poussée plus loin à l'aide d'enregistrements par inclinomètres à longue base. Grâce à cette analyse affinée et à la sensibilité de cet instrument, 4 événements de glissement lent dist incts peuvent être identifiés dans la plus grande région de glissement lent révélée par les données GPS, survenant au cours des 3 mois précédant le choc principal avec des magnitudes comprises entre Mw 5,8 et 6,2. Enfin, une analyse à long terme a été effectuée afin d'identifier les changements mineurs mais significatifs des tendances sur de longues périodes. Les données disponibles indiquent une diminution à long terme de la déformation de la plaque supérieure après le séisme de profondeur moyenne de Tarapaca 2005 (Mw 7.7). Nous testons l'effet viscoélastique de l'asthénosphère sur la déformation de surface déclenchée par une rupture profonde (~ 100 km). Pour cela, nous construisons un modèle 3D viscoélastique réaliste d'éléments finis viscoélastiques et avons essayé les rhéologies viscoélastiques de Maxwell et Burgers. Nous trouvons une très bonne correspondance entre le signal postsismique observé associé à cet événement et la déformation postsismique modélisée en utilisant une rhéologie de Burgers avec une viscosité long terme de 1.9e+18 Pa s, contestant l'hypothèse d'une diminution du couplage interséismique conduisant finalement à le mégathrust d'Iquique. / Subduction zones involve the recycling of oceanic lithosphere in the convective mantle to form continental crust by upward migration of the melted part of the slab. In this long-term process, the upper plate accumulate stresses that are instantaneously released in the form of earthquakes, repeating over a cyclic process: the subduction earthquake cycle (SEC). Nevertheless, fast slip on faults is not the only process contributing to the deformation during the SEC. For instance, the low frequency process of aseismic slip is observed in the form of steady fault creeping and transient slow slip. Examples of the latest are the phenomenon of afterslip, and slow slip earthquakes (SSEs) with much longer durations than ''normal'' earthquakes. Of the same importance is the effect of stress induced by an earthquake in the mantle. Because it behaves like a viscoelastic body, the mantle will relax this stress during a slow, long-lasting (up to decades) and large-scale (up to thousands of km) deformation process. All these phenomena impact the upper plate deformation and have to be considered in slip budget analysis over the SEC in order to obtain the real estimation of the seismic hazard of a region. Following this premise, the principal motivation of this work is to contr ibute to the determination of the actual locking state of the north seismic gap of the Chilean subduction zone. The main part of this study was conducted along two directions: analyzing and interpreting both short-term (days, weeks) and long-term (several years) transient deformations detected by permanent GPS stations deployed in north Chile. First, with an exhaustive search for short-term transient signals in 15-years long geodetic time series, we aim at contributing to the current debate of whether slow slip events do occur in the Chilean subduction zone or not. Up to now, only a single and debated case of slow slip associated to the nucleation phase of Iquique 2014 has been reported. Our results, obtained after thorough filtering and analysis of the times series devoted to reduce their inherent noise, indicate the existence of only 3 events that are likely to correspond to small episodes of aseismic slip. They occur between 2009 and 2011, with durations of few weeks and amplitudes that do not exceed 4 mm. Additionally, the occurrence of the larger aseismic slip episode simultaneous to the foreshock activity of Iquique 2014 earthquake is confirmed, and the analysis is pushed further with the help of long-base tiltmeter records. Thanks to this refined analysis and to the sensitivity of this instrument, 4 distinct slow slip events can be identified in the larger region of slow slip revealed by GPS data, occurring during the 3 months previous to the mainshock with magnitudes ranging between Mw 5.8 and 6.2. Finally, a longterm analysis of the same cGPS time series was conducted in order to identify small but significant changes of trends over long durations. Available data indicate a long-term decrease of the upper plate deformation after the intermediate depth earthquake of Tarapaca 2005 (Mw 7.7). We test the viscoelastic effect of the asthenosphere on surface deformation triggered by deep failure (~ 100 km depth). For this, we build a realistic 3D viscoelastic finite element model and tried Maxwell and Burgers viscoelastic rheologies. We find a very good correspondence between the observed postseismic signal associated to this event and the modeled postseismic deformation using a Burgers rheology with a long-term viscosity of 1.9e+18 Pa s, challenging the hypothesis of a decrease of interseismic coupling eventually leading to the megathrust failure of Iquique.

Le suivi de la déformation de la croûte terrestre durant la phase intersismique pour la recherche des transitoires nécessite des instruments précis capables d'opérer pour de très longues durées. Le projet ANR-LINES a visé le développement de trois nouveaux instruments : un sismomètre mono-axial, un inclinomètre hydrostatique à longue base et un inclinomètre de forage pendulaire. Ces trois instruments profitent d'un capteur interférométrique de déplacement à longues fibres optiques du type Fabry-Pérot Extrinsèque (EFFPI). Leurs architectures mécaniques et l'utilisation de longues fibres permettent à ces instruments géophysiques nouvellement fabriqués d'atteindre les objectifs fixés.Le premier objectif de cette étude est de proposer des méthodes adaptées à l'estimation de la phase du chemin optique dans les cavités Fabry-Pérot. Une modulation du courant de la diode laser, suivie par une démodulation homodyne du signal d'interférence et un filtre de Kalman permettent de déterminer la phase en temps réel. Les résultats sont convaincants pour des mesures de courtes durées mais exigent des solutions complémentaires pour se prémunir des effets de la variation des phénomènes environnementaux.Le capteur EFFPI intégré dans l'inclinomètre de forage LINES lui offre l'opportunité d'établir une mesure différentielle de l'oscillation de la masselotte pendulée grâce à trois cavités Fabry-Pérot. Le sismomètre LINES utilise lui aussi le capteur de déplacement EFFPI pour la mesure du déplacement de sa bobine. Une description de l'architecture mécanique de ces instruments et une analyse des phénomènes détectés (mouvements lents, marées, séismes, microséismes . . . ) font partie de cette thèse. / Monitoring crustal deformation during the interseismic phase when searching for earth transients requires precise instruments able to operate for very long periods. The ANR-LINES project aimed to develop three new instruments: a single-axis seismometer, a hydrostatic long base tiltmeter and a borehole pendulum tiltmeter. These three instruments benefit of an extrinsic Fabry-Pérot interferometer (EFFPI) with long optic fibers for displacement detections. Their mechanical architectures and their disposal of long fibers help these newly manufactured geophysical instruments complete their goals.The first objective of this study is to propose appropriate methods for estimating the phase of the optical path in the Fabry-Pérot cavities. A modulation of the laser diode current, followed by a homodyne demodulation of the interference signal and a Kalman filter, allow determining the phase in real time. The results are convincing while taking short periods measurements but require additional solutions for protection against environmental phenomena variations. The EFFPI sensor integrated in the LINES borehole tiltmeter gives it the opportunity to establish a differential measurement of the bob's oscillation thanks to three Fabry-Perot cavities. The LINES seismometer also uses the EFFPI displacement sensor to measure its coil's displacement. A description of the two instruments' mechanical structures and an analysis of the detected phenomena (slow movements, tides, earthquakes, microseisms . . . ) are part of this thesis.Keywords: Laser interferometry, wavelength modulation, synchronous homodyne demodulation, ellipse fitting, Kalman filter, temperature compensation, borehole tiltmeter, simple pendulum, differential measurements, slow drift, seismicobservations, seismometer.

Les géomètres de la section Survey de l’Organisation Européenne pour la Recherche Nucléaire (CERN) utilisent le nivellement hydrostatique HLS pour effectuer des alignements verticaux précis. Le HLS atteint des précisions micrométriques, ce qui lui permet d’être utilisé pour les expériences à but de physique fondamentale comme le Large Hadron Collider (LHC). HLS mesure certes des déformations qui ont pour conséquence de désaligner tout accélérateur de particules lié au sol, mais il mesure également d’autres phénomènes aux caractéristiques bien particulières. Parmi ces phénomènes mesurés, les marées terrestres représentent une part très largement majoritaire du signal. Leur effet sur les mesures HLS est périodique et engendre une inclinaison longue base qui n’aboutit pas au désalignement relatif des aimants constitutifs d’un accélérateur. Les objectifs de ce doctorat sont de pouvoir prédire les effets ne perturbant pas l’alignement relatif d’un accélérateur de particules et ainsi corriger les mesures HLS de ces signaux. En effet, les tolérances planimétrique et altimétrique à respecter dans le domaine des accélérateurs de particules sont de plus en plus serrées. Par exemple, le Compact Linear Collider (CLIC), aujourd’hui à l’étude de faisabilité, nécessite une précision d’alignement à 3σ de 10 μm dans une fenêtre glissante de 200 m selon les directions transversale et verticale. Le HLS est candidat pour assurer cet alignement vertical mais l’amplitude de marée est d’environ +/-20 μm à 200 m, rendant nécessaire la prise en compte de ce phénomène longue base pour que l’instrumentation réponde aux besoins du CLIC. Ce doctorat est inspiré des travaux déjà réalisés sur les inclinomètres longue base et décrit les effets mesurés par HLS afin de classer ces phénomènes selon qu’ils désalignent ou non un accélérateur de particules. Enfin, les outils et modèles pour prédire les effets maitrisables sont utilisés pour anticiper les différents signaux mesurés par les HLS installés au CERN. / The surveyors of the Large Scale Metrology section of the European Organization for Nuclear Research (CERN) use hydrostatic levelling systems (HLS) to perform precise vertical alignment measurements. The HLS achieves micrometer accuracy, which allows it to be used for the fundamental physics experiments such as the Large Hadron Collider (LHC). An HLS measures the deformations that lead to the misalignment of any particle accelerator linked to the ground, but it also measures other phenomena with very particular characteristics. Among these measured phenomena Earth tides form the main part of the signal. Their effect on HLS measurements is periodic and produces a long baseline tilt that does not lead to a relative misalignment of the magnets that constitute the accelerator.The objectives of this doctoral research are to be able to predict the effects which do not disturb the relative alignment of a particle accelerator and to remove these signals from the HLS measurements. Indeed, the horizontal and vertical positioning tolerances to be respected in the realm of particle accelerators are becoming tighter and tighter. For example, the Compact Linear Collider (CLIC), currently the object of a feasibility study, requires a 3σ alignment accuracy of 10 μm in a sliding window of 200 m, in both the transverse and vertical directions. The HLS is a candidate for measuring the vertical alignment but the amplitude of the tidal effect is approximately +/-20 μm over200 m, making it necessary to take into account this long baseline phenomenon for the instrument to meet the CLIC requirements.This doctoral thesis is inspired by previous work on the long baseline tiltmeters and describes the effects measured by HLS in order to classify the measured phenomena according to whether they could produce a misalignment of a particle accelerator or not. Finally, the tools and models to predict those effects that are well understood are used to anticipate the different signals measured by HLS installed at CERN.