Imagerie sismique du manteau terrestre et de ses discontinuités par l'analyse des ondes de volume et de surface – TOMOGLOB

Le financement en 2004 d'un projet d'imagerie globale à haute résolution du manteau supérieur par le programme DyETI de l'INSU a permis de construire l'un des modèles de distribution 3D des vitesses sismiques les plus résolvant pour les 400 premiers kilomètres du manteau terrestre. Les résultats de ces travaux, récemment publiés dans la revue Nature (Debayle et al., 2005), ont mis en évidence la déformation particulière du manteau terrestre à la base du continent australien. Ils ont été récompensé par la médaille de bronze du CNRS en 2004. Le présent projet vise a tirer parti de ces résultats récents et du savoir-faire d'une jeune équipe motivée pour construire un modèle sismique de l'ensemble du manteau terrestre. Le manteau terrestre s'étend de la base de la croûte (couche superficielle qui n'excède pas 70 km d'épaisseur) au noyau (à 2890 km de profondeur) et est le siège de mouvements de convections. S'il est largement étudié par les sismologues, c'est en général par 'petit bouts' en fonction de l'outil sismologique utilisé. Jusqu'à présent, seules les équipes des grandes université américaines (Harvard, Caltech, Berkeley) ont construit des modèles 3D globaux de l'ensemble du manteau terrestre en inversant simultanément ondes de surface multi-modes et ondes de volume. La compréhension de la dynamique du manteau terrestre passe cependant par des images à haute résolution de l'ensemble du manteau, directement comparables aux résultats des géodynamiciens et des géochimistes. Si l'équipe de Strasbourg possède une expérience forte dans la construction de modèles tomographiques basés sur les ondes de surface multi-modes, la construction de modèles tomographiques globaux incluant l'ensemble du manteau inférieur n'a jamais été entreprise en France. Dans un premier temps, il s'agit de mieux modéliser les modes harmoniques des ondes de surface pour contraindre la structure en ondes S jusqu'à 1000 km de profondeur en utilisant la base de données de 228 000 sismogrammes rassemblée au cours des dernières années à Strasbourg. L'équipe propose également de cartographier les profondeurs des principales discontinuités mantelliques à l'aide d'ondes converties/réfléchies qui seront inversées simultanément avec les ondes de surface. Cette première partie du travail est déjà engagée et doit aboutir fin 2007. Le projet commencerait en janvier 2007, avec une thèse co-dirigée par Eric Debayle et Malcolm Sambridge ayant pour but le développement d'outils optimisés pour le traitement de très gros volumes de données longue périodes en utilisant une théorie à fréquence finie. Debayle et Sambridge ont déjà collaboré avec succès au développement d'algorithmes optimisés pour l'inversion des ondes de surface (Debayle et Sambridge, 2004). L'idée est de modéliser avec une théorie à fréquence finie toutes les phases S à longue périodes (>20s) qui peuvent aider à mieux échantillonner le manteau aux profondeurs supérieures à 1000 km. Dans le manteau inférieur, il a récemment été suggéré (Montelli et al., 2004) qu'une telle théorie peut permettre de détecter des objets de petites tailles horizontales, tels que les panaches mantelliques, mais ayant une importance capitale pour la dynamique du manteau. L'utilisation d'une théorie à fréquence finie sera limitée aux ondes de volume s'il est vérifié qu'elle n'améliore pas sensiblement la résolution des ondes de surface (e.g. Sieminski et al. 2004, Trampert and Spetzler 2006). La phase finale du projet consistera à inverser l'ensemble des données ondes de surface, ondes converties/réflechies et ondes de volume à longue période. Le modèle tomographique que l'équipe propose de construire sera le premier modèle 3D sismique réalisé dans un laboratoire français couvrant l'ensemble du manteau terrestre, de la croûte au noyau, et incluant la profondeur des discontinuités. Il s'agira d'un modèle en ondes de cisaillement comparable à celui publié par Ritsema et al., (2004), mais bénéficiant d'une meilleur résolution lat..