ERC WAVETOMO | INSTITUT DE PHYSIQUE DU GLOBE DE PARIS

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Améliorer l'imagerie de la Terre profonde grâce aux ondes de volume

Nous avons utilisé des réseaux sismiques denses et de bonne qualité pour étudier la structure petite échelle de la Terre profonde puis en extraire les arrivées d'onde de volume faibles. Nous avons traité les faibles rapports signal sur bruit et les interferences entre des phases proches en introduisant un filtre en lenteur dépendant de l'echelle spatiale ainsi qu'une amélioration de la résolution espace-temps. Nous avons appliqué ces outils aux ondes de compression des très bonnes données provenant de réseaux sismiques denses situés en Amérique du Nord pour ensuite mener une étude régionale de la CMB et la couche D'' avec une résolution sans précedent. En particulier, nous avons obtenu des temps differentiels PcP-P pour des ondes de volume télésismique courte période qui nous ont permis d'apporter de nouvelles contraintes sur cette zone du manteau. Les régions échantillonées s'étendent depuis l'Alaska et le Nord au Canada jusqu'à l'extérieur Pacifique de la large-low shear-velocity province (LLSVP) et sa bordure Est (proche de l'Amérique centrale). Nous avons analysé avec attention et corrigé, si possible, les principales sources de biais, telles que les hétérogénéités du manteau, la mauvaise location des séismes ou encore l'atténuation intrinsèque. La précision de nos observations est principalement limitée par la plus haute fréquence des signaux utilisés et du niveau de bruit. Bien que nous nous sommes focalisés sur la séparation des ondes de volume, les outils que nous avons développé sont plus généraux et pourraient s'étendre à d'autres applications.

Tomographie régionale utilisant des données globales.

Le but de ce projet est de construire des images tomographiques régionales de l’intérieur de la Terre en utilisant des formes d’ondes issues de réseaux sismographiques globaux. Pour cela, nous avons développé une nouvelle méthode permettant de confiner les calculs du champ d’onde dans la région à imager. Le principe se présente ainsi :
1) Le champ d’onde sismique induit par un évènement lointain (en dehors de la région que nous voulons imager) est modélisé globalement dans un modèle de référence. (voir la figure 1 ci-dessous). Ce calcul est fait une fois pour toutes. Le champs d’onde est enregistré en fonction du temps dans la région qui nous intéresse.
2) Les enregistrements obtenus dans l’étape précédente sont transformés en un jeu de sources secondaires autour de notre région à imager. Alors que le modèle n’est pas perturbé, le nouveau jeu de sources secondaires régénère le champ d’onde originel. À l’intérieur de notre région, le champs d’onde obtenu par ces sources secondaires est le même que celui obtenu par la source d’origine mais via un coût de calcul bien moins important. Cette méthode est illustrée dans la figure 1 et détaillée dans l’article Masson et al., 2013, “On the numerical implementation of time-reversal mirrors for tomographic imaging”. En utilisant cette approche, nous sommes capables de calculer des sismogrammes synthétiques globaux en 3D en utilisant des méthodes de modélisations régionales. Comme montre la figure 2, ces sismogrammes contiennent plus d’informations que ceux habituellement calculés lors d’inversions de formes d’ondes régionales. Ces sismogrammes peuvent être utilisés avec n’importe quelle méthode tomographique utilisant les formes d’ondes.

Hétérogénéités à petite échelle et diffusion des ondes du Manteau.

Les modèles tomographiques ont une résolution limitée, ce qui amène les représentations de la Terre à être lissées. Les structures à petite échelle non-résolues peuvent néanmoins influencer sur la propagation des ondes sismiques et notamment amener au développement d’une coda faites d’ondes diffusées de manière incohérente. Dans ce projet, nous nous penchons sur :

  • comment modéliser numériquement ces ondes diffusées. En combinant des modèles tomographiques récents avec des structures faites de diffuseurs à petite échelle distribuées aléatoirement.
  • Quelles informations nous pouvons extraire de la distribution des ces diffuseurs.

Avec cette procédure, nous cherchons à en savoir plus sur ces petites structures du Manteau terrestre et l’influence qu’elles peuvent avoir sur la propagation d’ondes.
 

L'anisotropie dans la graine et les structures dans le noyau externe

Des anomalies dans le temps de trajet de la phase PKP en fonction de l'angle Xi (correspondant a l'angle entre l'axe de rotation de la Terre et le trajet suivi par la phase PKPdf dans la graine) ont été observées depuis des decennies et attribuées à l'anisotropie dans la graine. Cependant, les structures du noyau externe, telle que les extrémités des cylindres de convection pourraientt être en partie responsables de ces observations, notamment pour la forme en L que l'on retrouve sur les courbes dessinant les temps de trajet en fonction de Xi. Nous avons collecté un set de données global regroupant des milliers de résidus de temps diffèrentiels de PKPbc-PKPdf, PKPab-PKPdf et PkiKP-PKPdf , puis nous les avons comparés avec les temps de trajet prédits pour des modèles avec des structures dans le noyau externe ou une anisotropie de la graine.