Imagerie Transdimensionelle de la Lithosphère cratonique – TransCraton

Ce projet se concentre sur l'étude de la structure sismique des cratons, les continents les plus anciens sur Terre, et dont la compréhension est essentielle pour déchiffrer les processus primitifs dans l'histoire de la Terre, tels que la formation et l'évolution des premiers continents. Plusieurs hypothèses concurrentes, basées sur des contraintes géochimiques et pétrologiques, proposent différents modèles possibles pour la formation des cratons, comme par exemple le sous-placage par panaches mantelliques chauds, ou bien l’accrétion par des zones de subduction peu profondes dans les milieux continentaux ou arrière arc.

En sismologie, de récentes observations de discontinuités sismiques et d’anisotropie ont contribuées au débat. Malheureusement, différents types de données échantillonnant la terre à différentes échelles (ondes de surface, mesures de phases SKS, et ondes de volumes converties) ont été inversées et interprétées séparément. Cela a donné lieu à différents modèles, souvent incompatibles, et il n'y a toujours pas de consensus sur la nature des couches dans les cratons. En bref, les images obtenues à partir d’ondes converties et réfléchies voient de fortes discontinuités, et sont interprétées en termes de stratification thermo-chimique, alors que les modèles sismiques construits à partir de sismogrammes longue période voient le manteau supérieur comme anisotrope, et sont interprétés en termes de flux de manteau, et de processus de déformation passés ou présents. Un problème est que les hétérogénéités à petites échelles qui ne peuvent être résolues par les ondes à longue période peuvent également contribuer à l'anisotropie observée. En effet, un empilement de couches horizontales isotrope est équivalent, à grande échelle, à un milieu anisotrope homogène. La connaissance de l'emplacement et de l'amplitude des discontinuités dans le manteau supérieur est donc nécessaire pour l'interprétation des modèles d’anisotropie en terme de flux, et donc pour mieux localiser la déformation dans le manteau.

Le travail proposé consiste à développer et appliquer une approche Bayésienne entièrement nouvelle pour l'interprétation conjointe de données géophysiques. Nos récents travaux ont montrés que les méthodes d'échantillonnage trans-dimensionnel (où le nombre de paramètres inversés est une inconnue) ont des avantages considérables pour des problèmes sismologiques multi-échelles, impliquant plusieurs types de données, des incertitudes sur les erreurs sur les données, ainsi que des incertitudes sur la paramétrisation du modèle. Plutôt que d'être forcé à faire des choix à l'avance sur la paramétrisation, le niveau de l'ajustement des données, et sur le poids entre les différents types de données, ces choix peuvent être contraints directement par les observations elles-mêmes.

Cette nouvelle approche sera appliquée à une grande quantité de données sismiques mesurées sous plusieurs cratons. Nous proposons de produire un certain nombre de profils probabilistes de vitesse sismique en 1D et 2D, en combinant un ensemble d'observables ayant des sensibilités différentes à l’anisotropie sismique, et qui sont habituellement interprétées séparément: (1) les fonctions du récepteur Ps et Sp; (2) les mesures de dispersion des ondes de surface et leurs variations azimutales; (3) les formes d’ondes de phases SKS. A chaque station (cas 1D), ou au-dessous de chaque ligne de stations (cas 2D), nous procéderons à une inversion Monte-Carlo transdimensionnelle dans laquelle le nombre de couches et le nombre de paramètres dans chaque couche (1 pour les couches isotropes et 3 pour les couches anisotropes) sont inconnues. Les modèles produits fourniront de nouvelles contraintes à la fois sur les discontinuités du manteau supérieur et sur l’anisotropie dans ces régions, ce qui permettra d’imager la structure des cratons, et donc de mieux comprendre les processus impliqués dans la création de la lithosphère continentale.