Imagerie globale du manteau terrestre en ondes S – SEISGLOB

Nous construisons des bases de données qui incluent des millions de mesures du temps d'arrivée et de l'amplitude des ondes sismiques de cisaillement entre l'épicentres des séismes et les stations sismiques réparties à la surface du globe. Nous souhaitons également ajouter des observations de modes propres incluant les données existantes ainsi que de nouvelles observations que nous réaliserons à partir des données fournies par les très gros séismes enregistrés ces dernières années. Ces nouvelles données fourniront des contraintes supplémentaires sur les hétérogénéités à grandes longueurs d'ondes en ondes SH et SV, ainsi que sur les profils d'atténuation et de densité. L’ensemble des données sera ensuite combiné dans une inversion tomographique qui permet d'accéder à la structure en trois dimensions du manteau terrestre.

Notre nouveau modèle du manteau supérieur, DR2012, suggère que l’épaisseur de la lithosphère continentale est d’environs 200 km, un peu plus fine que ce qui a été suggéré dans les études précédentes. Nous montrons que dans la zone de transition du manteau les meilleurs modèles tomographiques actuels ne s’accordent que pour les très grandes longueurs d’ondes (environs 4000 km).
Nous montrons, dans un article publié dans EPSL sur la partie anisotrope de notre nouveau modèle tomographique du manteau supérieur (Debayle et Ricard, 2013), que seule les plaques «rapides«, dont le mouvement horizontal est supérieur à 4 cm/an, alignent les cristaux asthénosphériques à grande échelle. L’organisation de l’anisotropie sous les plaques plus lentes est complexe, et ne s’accorde souvent pas avec le mouvement actuel des plaques. Ceci peut indiquer un flux de retour de l’ordre de 4 cm/an dans le manteau. Les plaques plus rapides organiseraient l’anisotropie à grande échelle. Cette organisation serait beaucoup plus facilement modifiée par de la convection secondaire (points chauds, variations d’épaisseurs de lithosphère) sous les plaques plus lentes. Nature Geoscience a publié un ''highlight« sur nos résultats en août 2013.
Nous montrons également qu’il est possible d’extraire une information supplémentaire des ondes de volume en les inversant dans plusieurs bandes de fréquences avec une théorie à fréquence finie.

Améliorer les modèles 3D élastiques et anélastiques du manteau :
• En améliorant la qualité des mesures faites via des codes automatisés.
• En exploitant plus d'information des ondes de volume via des inversions multi-bandes et une théorie fréquence finie.
• En incluant de nouvelles mesures de modes propres

L'article ci dessous présente DR2012, notre nouveau modèle tomographique du manteau supérieur :
• E. Debayle and Y. Ricard, A global shear velocity model of the upper mantle from fundamental and higher Rayleigh mode measurements, J. Geophys. Res., 117, B10308, doi:10.1029/2012JB009288, 2012.

L'article ci-dessous présente nos résultats sur l'anisotropie (voir aussi le highlight dans Nature Geoscience : www.nature.com/ngeo/journal/v6/n8/full/ngeo1914.html):
• E. Debayle and Y. Ricard, Seismic observations of large-scale deformation at the bottom of fast-moving plates, Earth. Planet. Sci. Letters, dx.doi.org/10.1016/j.epsl.2013.06.025, 2013.

L'article ci dessous (en révision) présente un modèle tomographique préliminaire du manteau inférieur (uniquement ondes de volume):
• C. Zaroli, Sambridge M., Lévêque J.J., E. Debayle and G. Nolet, An objective rationale for the choice of regularisation parameter with application to global multiple-frequency S-wave tomography, Solid Earth, Solid Earth Discuss., 5, 841-881, doi:10.5194/sed-5-841-2013, 2013

Le financement en 2006 du projet TOMOGLOB par le programme ANR ''jeunes chercheurs et jeunes chercheuses" a permis de construire le premier modèle tomographique global du manteau contraint par une théorie fréquence finie appliquée à une base de données de temps de trajets d'ondes SH mesurées dans plusieurs bandes de fréquences (Zaroli, 2010). Il a également permis de construire l'un des modèles sismiques d'ondes SV les plus résolvant pour l'ensemble du manteau supérieur (Debayle et Ricard, 2010). Il a finalement permis de montrer que la zone à faible vitesse située au dessus de la discontinuité à 410 kilomètre est très largement répandue à l'échelle du globe, un résultat qui vient d'être publié dans la revue Nature Géoscience (Tauzin et al., 2010). Ces résultats on été rendu possibles grâce à la construction de trois bases de données : la première pour la dispersion du mode fondamental et des harmoniques des ondes de Rayleigh (sensibles aux ondes SV) , la seconde pour les temps d'arrivées des ondes de volume (S, ScS et SS) de type SH mesurés dans différentes gammes de périodes, et la troisième pour les ondes converties et réfléchies aux discontinuités à 410 et 660 km.

L'objet de ce projet est de tirer parti de ces résultats et du savoir-faire d'une jeune équipe motivée pour construire de nouveaux modèles sismiques en ondes S, qui contribueront à améliorer notre connaissance du manteau. Pour cela, il faut compléter les bases de données d'ondes S que nous avons construites dans le cadre de l'ANR TOMOGLOB. Nous souhaitons ajouter des observations de modes propres incluant les données existantes ainsi que de nouvelles observations que nous réaliserons à partir des données fournies par les très gros séismes enregistrés ces dernières années. Ces nouvelles données fournirons des contraintes supplémentaires sur les hétérogénéités à grandes longueurs d'ondes en ondes SH et SV, ainsi que sur les profils d'atténuation et de densité. Nous souhaitons également construire une base de donnée globale pour les ondes de Love afin de contraindre la distribution des ondes SH dans le manteau supérieur. Finalement, nous souhaitons construire une base de données de temps d'arrivées des ondes de volume de type SV mesurés dans différentes gammes de périodes.

L'ensemble de ces bases de données nous permettra de construire un modèle tomographique d'ondes S incluant ondes de surface, modes propres et ondes de volume à longues périodes. Il s'agira du premier modèle tomographique de ce type construit en France, l'inversion simultanée des ces trois types de données ayant jusqu'à ce jour surtout été réalisée dans les grandes universités américaines (Harvard, Caltech, Berkeley).

Nous construirons ensuite d'autres modèles en inversant avec des techniques plus poussées différents sous ensembles de nos données. Nous utiliserons une théorie à fréquence finie pour améliorer la résolution dans le manteau supérieur et la zone de transition (application aux ondes de surface) ainsi que dans le manteau inférieur (application aux ondes de volume). En appliquant ces techniques à nos jeux de données d'ondes SV et SH, nous accèderons à une information sur l'anisotropie radiale du manteau. Nous développerons des techniques pour l'inversion de l'atténuation des ondes de surface et des modes propres. La tomographie d’atténuation obtenue sera confrontée à des mesures expérimentales innovantes de l’atténuation des ondes S, permettant d’identifier les mécanismes de dissipation et la présence éventuelle de fluide (eau, fusion partielle).

Ces modèles auront un impact important sur la communauté. Ils permettront d'apporter des éléments de réponses à plusieurs questions géodynamiques de premier ordre : taille des cellules de convections, circulation verticale et échanges de matières entre manteau inférieur et supérieur, présence d'éventuels réservoirs cachés dans le manteau.