The research presented in this thesis seeks to address meaningful geodynamic problems related to the viscosity structure of the Earth’s interior. Isostatic adjustment is a process which is dependent upon the mechanical properties of the lithosphere and mantle. By performing computational simulations of the isostatic response for various surface-loading scenarios and numerous viscosity structures, insight can be gained into the mechanical structure of the Earth and geodynamic processes related to that structure. The modelled isostatic signal for a given set of Earth model parameters can be compared to real-world observational data in order to identify valid Earth model configurations. In Chapter 2, the “Transition Zone Water Filter” theory is tested by modelling the geophysical effects of a low-viscosity melt-rich layer atop the 410 km discontinuity. The thickness and viscosity of this layer, and the surrounding mantle, is constrained using observations of relative sea level and the geodetic J ̇_2 parameter, as well as multiple ice-loading scenarios by which the isostatic adjustment process is driven. The relative sea level data, being most sensitive to the upper mantle and the theorized melt-rich layer it contained, constrain layer properties more effectively than the J ̇_2 observation, which is strongly dependent on the lower mantle. Constraints on the viscosity of the melt-rich layer vary according to thickness, with thicker layers requiring stiffer viscosities to satisfy observations. For instance, a 20 km thick layer would require a viscosity of 10^17 Pas or greater, but any of the considered viscosities could be possible for a 1 km thick layer. Similarly, a broad range of upper mantle viscosities are possible, but they must be balanced by variations in the lower mantle. However, J ̇_2 results show a strong preference for a high-viscosity lower mantle (≥10^22 Pas). For every evaluated Earth model parameter, there is evidence of ice-model sensitivity in the inversion results. Although the results of this study demonstrate that observables related to glacial isostatic adjustment can provide constraints on the properties of this theorized melt-rich layer, the confounding effect of parameter trade-off prevents a more definitive test of this model of mantle geodynamics. The purpose of the study presented in Chapter 3 is to analyze the nature of solid-Earth deformation beneath the Lower Mississippi River, most crucially in the Mississippi Delta region where subsidence is an ongoing and costly problem. The study uses the displacement of the long profile of the Lower Mississippi River over the last 80 kyr to constrain isostatic deformation and determine constraints on the mechanical structure of both the mantle and lithosphere. Deformation recorded in the northern portion of the long profile is dominated by the effect of glacial isostatic adjustment, whereas the southern portion is governed by sediment isostatic adjustment. However, the southern portion is also potentially affected by past fault displacement, and to account for this the observational data are corrected using two distinct faulting scenarios. Displacement of the long profile is modelled using either an entirely elastic lithosphere or a lithosphere with internal viscoelastic structure, the latter of which is derived from two end-member geothermal profiles. Between the elastic and viscous lithosphere models, the viscous models are better able to replicate the observational data for each faulting scenario – both of which prefer a viscous lithosphere corresponding to the warmer geotherm. The chosen faulting scenario exerts no control over the optimal mantle model configuration, however the optimal mantle for the viscous lithosphere models is much stiffer than was determined for their elastic counterparts, reflecting significant parameter trade-off between mantle and lithosphere mechanical structure. These study results demonstrate the utility of the long profile displacement data set for constraining Earth viscosity structure, as well as the importance of considering more-complex models of lithosphere mechanical structure when addressing surface-loading problems similar to those encountered in the Mississippi Delta region.

Dans le contexte de la hausse actuelle du niveau marin, la détermination du mouvement vertical à la côte est cruciale pour deux principales raisons. D’une part, parce qu’il est enregistré dans la mesure marégraphique et constitue une source d’incertitude dans l’estimation des variations long terme du niveau marin (suivant les auteurs ces variations sont de l’ordre de 1 à 2 mm/an de montée au cours du siècle passé). Et d’autre part, parce que les processus de subsidence à la côte sont un facteur aggravant des effets de la montée du niveau marin avec parfois des taux qui résultent en une montée relative du niveau marin de l’ordre de 1 cm/an, soit des projections de 1 mètre en un siècle, sans accélération des contributions climatiques actuelles. Cette thèse de doctorat s’attaque à la détermination des mouvements verticaux à la côte par GPS et par une méthode originale de combinaison des données de marégraphie et d’altimétrie radar embarquée sur satellite. La méthode proposée ici est basée sur celle de Kuo et al. (2004), reprise et étendue en appliquant un filtrage spatio-temporel issu de l’analyse EOF des deux types de séries de données. La méthode est appliquée dans le Golfe du Mexique sur la période 1950-2009 en utilisant les quinze séries marégraphiques de plus de 40 ans d’observations disponibles dans la région au PSMSL et les séries altimétriques mises à disposition dans AVISO sur la période 1992-2009. La comparaison avec les mouvements verticaux issus des cinq séries de positions de stations GPS co-localisées avec marégraphes montre un écart moyen quadratique sur les différences de 0.60 mm/an révélant la grande précision de la nouvelle approche. Les séries temporelles GPS ont préalablement fait l’objet d’une analyse poussée du bruit et des incertitudes associées, légitimant l’utilisation des séries GPS dans la correction des tendances du niveau marin obtenues des marégraphes. Les incertitudes obtenues des vitesses verticales GPS sont de l’ordre de 0.5 mm/an ce qui est significativement inférieur à d’autres analyses de ce type. La méthode altimétrie moins marégraphie mise au point offre donc des perspectives intéressantes dans la détermination précise des mouvements verticaux côtiers où il n’existe pas de mesures géodésiques. / In the context of the current sea level rise, the determination of coastal vertical land motion is crucial for two main reasons. In one hand, tide gauge measurements are affected by vertical displacements and this is a source of uncertainties for the estimation of long-term sea level variations ( those variations are in the order of 1 to 2 mm/yr of sea level rise during the last century according to different authors). On the other hand, coastal subsiding processes could aggravate the effects of sea level rise with rates leading sometimes to 1 cm/yr of relative sea level rise, that is 1 meter over a century, without any acceleration of climatic contribution. This PhD thesis addresses the determination of coastal vertical land movement by GPS and by an original method combining the data from both tide gauge and satellite radar altimetry. The method which is suggested here is based on those of Kuo et al., (2004), repeated and extended by spatio-temporal filtering from EOF analysis of the two kinds of series. The method is applied in the Gulf of Mexico over the period 1950-2009 using the available fifteen tide gauge series of more than 40 years of observations selected from the PSMSL and altimetric series selected from AVISO over the period 1992-2009. The comparison between vertical land movements from the five position time series of the GPS stations collocated at tide gauge locations shows a root mean square error of 0.60 mm/an over the difference , highlighting the high accuracy of the new approach. Beforehand, GPS time series underwent a detailed noise analysis and their associated uncertainties, legitimating the use of GPS series in the correction of tide gauge sea level trends. The uncertainties from GPS vertical velocities are in the order of 0.5 mm/yr which is significantly lower than other analysis of this type. The adjusted method altimetry minus tide gauge presents interesting prospects for the accurate determination of coastal land motion where there are not geodetic measurements.

Contemporary and future relative sea-level (RSL) rise that can be attributed to anthropogenic climate change sees significant spatial variability as a result of the processes that underlie it. Some of the processes that contribute to RSL rise unrelated to anthropogenic climate change can and have had significant contributions. In this work, we examined the contributions of one of these processes, glacial isostatic adjustment (GIA), in the coastal regions of Atlantic Europe. These regions have seen significant RSL rise associated with a collapsing peripheral bulge throughout the Holocene and are expected to see more throughout the Anthropocene. Using the recently published paleo sea level database (García-Artola et al., 2018) which follows the HOLSEA RSL data assessment and reporting protocol (Khan et al., 2019) we determined optimal Earth model parameters for much of Atlantic Europe. These optimal parameters fit the data well and largely agree with values determined for previous works on peripheral bulges along the coasts of North America. We further used these results to perform a rudimentary sea-level budget analysis at 10 tide gauge stations, yielding results with high uncertainties and significant discrepancies between observed and projected rates of RSL change for half (5) of the tide gauge stations. Our results lead to the conclusion that GIA remains an important factor when predicting present and future RSL change.

Les changements du niveau de la mer sont un des indicateurs des changements climatiques qui affectent le monde depuis les dernière décennies. Dans les zones côtières, ce phénomène est à l'origine de l'érosion côtière, l'intrusion d'eau salée dans la nappe phréatique et les inondations. Les côtes du Canada ne sont pas épargnées. En effet, le niveau de la mer dans ces régions augmente actuellement et suit les tendances mondiales. Parmi ces zones côtières, celles du golfe du Saint-Laurent nous ont intéressées. Elles sont caractérisées par des propriétés physiques spécifiques comme l'isolement relatif par rapport l'océan Atlantique, la couverture de glace en hiver et la coulée de l'eau douce au printemps qui leurs confèrent un comportement particulier en termes de changements du niveau de la mer. Les changements du niveau de la mer peuvent être déterminés en intégrant les données des marégraphes et de l'altimétrie satellitaire que le résultat de cette procédure conduit à une détermination relative du niveau moyen de la mer. Cependant, parce que la structure de mesure de ces données est différente, certaines corrections doivent être appliquées. L'une des corrections parmi les plus essentielles est la longueur du Mouvement de Terrain Vertical (MTV) qui doit être prise en compte dans les données des marégraphes, car ces derniers sont connectés directement à la croûte terrestre. Différents phénomènes peuvent causer le MTV. À une échelle locale, la tectonique, l'affaissement et la sédimentation sont les facteurs qui créent le mouvement vertical et à une méso ou macro-échelle, la fonte des inlandsis qui entraîne une modification de la charge de masse de la surface de la terre, provoquent le mouvement des terres. Il existe divers modèles et méthodes de correction du MTV globaux et locaux, tels que l'Ajustement Isostatique Glaciaire (AIG), le Système Mondial de Navigation par Satellite (SMNS), l'Interférométrie par Radar Synthèse d'Ouverture (InRSO), Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) et le calcul de la différence entre données marégraphiques et altimétriques par satellite. Parmi ces méthodes, l'utilisation de la vitesse verticale des données GPS est la plus précise. Cependant, en raison du faible nombre de stations GPS dans ou proximité des stations marégraphiques, l'utilisation d'une approche plus globale est inévitable. En utilisant cette correction, le niveau moyen absolu de la mer sera obtenu. Dans cette étude, l'évaluation du MTV se fait par un algorithme d'InRSO, appelé Diffuseurs Persistants InRSO (DPInRSO en anglais PSInSAR). Les images du RSO du satellite Sentinel-1 sont soumises à l'analyse DPInRSO. Afin d'évaluer la précision de cette approche, les résultats de DPInRSO (obtenus du logiciel Stanford Method for Persistent Scatterers (StaMPS)) pour deux régions de l'est du Canada (Halifax et St. John's) sont comparés à la GPS vitesse verticale en analysant les séries temporelles de données. Également, en utilisant la même méthode, le mouvement vertical des terres dans 24 stations marégraphiques du golfe du Saint-Laurent sera corrigé. L'étude du niveau moyen de la mer est mise en oeuvre en utilisant l'analyse spectrale (analyse harmonique et analyse spectrale des moindres carrés (ASMC)) afin de supprimer les effets à long terme des constituants de la marée (constituants annuels et semi-annuels). Aussi, pour évaluer le niveau moyen absolu de la mer (NMAM) dans la région considérée, le niveau moyen de la mer calculé est corrigé sur la base des résultats du MTV. En conclusion, la comparaison des résultats de la technique DPInRSO avec les données GPS indique le comportement similaire des tendances au cours de la période d'étude. En d'autres termes, la méthode DPInRSO mesure le mouvement vertical des terres en précision millimétrique dans la région d'étude (à l'exception d'une station) et elle peut être appliquée pour les régions qu'elles ne se connectent pas sur le positionnement GPS continu des marégraphes. Dans le cas d'un changement du niveau de la mer, l'incompatibilité entre les données marégraphiques et altimétriques en termes de temps rend la conclusion plus diffcile. Cependant, sur la base d'observations continues dans des séries temporelles de données altimétriques, nous avons obtenu une tendance plus homogène du niveau de la mer (niveau moyen de la mer) dans toutes les stations, mais pour évaluer le changement à long terme du niveau de la mer et en raison de l'emplacement exact de la station marégraphique, ces dernières données doivent être prises en compte (à la fois dans le calcul du niveau moyen de la mer et des constituants de la marée). Enfin, en raison du faible changement de MTV, les valeurs moyennes absolues du niveau de la mer sont très proches de celles relatives, ce qui indique que nous pouvons évaluer les changements du niveau de la mer dans le golfe du Saint-Laurent, en utilisant uniquement les données marégraphiques et altimétriques. En plus de faire des corrections, des cartes de la tendance du niveau de la mer et des différences de phase entre les stations marégraphiques seront représentées. La qualité des données des marégraphes et de l'altimétrie satellitaire sera discutée et rapportée sur les résultats tirés de l'étude. / Sea level changes are one of the indicators of climate change that has affected the world in recent decades. In coastal areas, this phenomenon has caused coastal erosion, saltwater intrusion into the groundwater and floods. These environmental changes can also be seen in Canada's coasts. Indeed, the sea level in these regions is currently increasing and follows the global trends. Among these coastal areas, those of the Gulf of St. Lawrence interested us. This area is characterized by specific physical properties such as relative isolation from the Atlantic Ocean, winter ice cover and spring freshwater flow that confer particular behavior in terms of sea level changes. Sea level changes can be determined by integrating the tide gauge and satellite altimetry data that the result of this procedure leads to a relative determination of mean sea level. However, because the measurement structures of these data are different, some corrections should be applied. One of the most essential corrections is the length of the Vertical Land Motion (VLM) which must be taken into account in tide gauge data, as these are connected directly to the Earth crust. Different phenomena can cause VLM. In the local scale, tectonics, subsidence and sedimentation are the factors that create vertical movement and in global scale, melting of ice sheets, which leads to change the mass loading of the earth's surface, cause the land motion. There are various global and local VLM correction models and methods such as, Glacial Isostatic Adjustment (GIA), Global Navigation Satellite Systems (GNSS), Interferometry Synthetic Aperture Radar (InSAR), Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) and calculation of difference between satellite altimetry and tide gauge data. Between these methods, using the vertical velocity of GPS data is the most accurate one. However, due to the low number of GPS stations in or near the tide gauge stations, using a more comprehensive approach is inevitable. By applying this correction, the absolute mean sea level will be obtained. In this study, VLM is examined by one algorithm of InSAR which is called Persistent Scatterer InSAR (PSInSAR). The Sentinel-1 single-look SAR images are used for PSInSAR analysis. In order to accuracy assessment of this approach, the results of PSInSAR (obtained from Stanford Method for Persistent Scatterers software (StaMPS)) for two regions in east of Canada (Halifax and St. John's) are compared with GPS vertical velocity by analyzing their time series data. Equally, by using the same method, vertical land movement in 24 tide gauge station in Gulf of St. Lawrence will be corrected. Investigation of mean sea level is implemented by using the spectral analysis (Harmonic analysis and Least Square Spectral Analysis) in order to remove the long-term effects of tidal constituent (annual and semiannual constituents). Also, to assess the Absolute Mean Sea Level (AMSL) in considered region, calculated mean sea level is corrected based on the results of VLM. In conclusion, comparing of the results of PSInSAR technique with GPS data indicate the similar behavior of trends during the period of study. In other words, PSInSAR method measures vertical land motion in millimeter precision in study region (except of one station) and it can be applied for regions that they do not connect on continuous GPS positioning of tide gauges. In the case of sea level change, incompatibility between tide gauge and altimetry data in terms of time makes the conclusion harder. However, based on continues observations in time series of altimetry data, we obtained more homogeneous sea level trend (mean sea level) in all stations, but to evaluate the long-term sea level change and because of exact location of tide gauge station, this latter data must be considered (both in calculation of mean sea level and tidal constituents). Finally, because of small values of VLM, absolute mean sea level values are very close to relative one which indicate that, we can evaluate the sea level changes in Gulf of Saint Lawrence by using only the tide gauge and altimetry data. In addition to making corrections, the maps of sea level trend and phase differences between tide gauge stations will be represented. The quality of the tide gauge and satellite altimetry records will be discussed and reported over the drawn results of the study.

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