Corrélation du Bruit Microsismique et de la Coda des Grands Séismes pour l'Imagerie de la Terre Profonde – TerraCorr

Deux approches méthodologiques sont explorées : les corrélations d’évènements microsismiques liés à l’activité océanique, et celles basées sur la coda des séismes majeurs. Le traitement nécessaire des données pour calculer les corrélations du second pic microsismique s’appuie sur un modèle global d'excitation d’ondes sismiques par la houle océanique. Ces corrélations sont utilisées pour contraindre la structure en vitesse du manteau inférieur. La corrélation des coda réverbérées des grands séismes étaient initialement envisagée pour questionner l'existence d'une couche stratifiée au sommet du noyau externe, mais des travaux plus fondamentaux sur la méthode elle-même ont été nécessaires et cette partie reste encore un chantier assez ouvert. Qu'il s'agisse de la base du manteau, ou des différentes couches limites du noyau, la géodynamique de ces régions fait encore l'objet de débats, principalement en raison d'observables limitées.

Le projet se compose de 3 tâches principales («work-packages ») :

(1) corrélation d’évènements microsismiques pour l’imagerie du manteau inférieur ;

(2) corrélation de coda réverbérées pour l’imagerie des derniers kilomètres du noyau externe ; (3) développements méthodologiques.

Nous avons obtenu plusieurs résultats importants concernant la tache (1) :

- Construction d’un catalogue d’évènements cibles à partir d’un modèle océanique et de données sismologiques. Le catalogue obtenu rassemble des milliers de sources, classées par force effective, étendue spatiale, localisation, sur une période de 1994 à 2020.

- Une chaine de traitement a été construite et validée par des observations pour permettre de mesurer des interférences particulières ciblant le manteau inférieur et le noyau. Ainsi, pour une source unique dans l’Océan Atlantique Nord s’étalant sur seulement quelques heures, il est possible d’observer à grande distance des interférences de type PP-P, PKPPKP-PKP ou encore PKPPcP-PKP.

Pour la tache (2), les trois éléments nécessaires à l’analyse prévue sont opérationnels :

- Le code de rapatriement et de prétraitement des données sismologiques et les adaptations nécessaires au calcul des corrélations pour ce cas particulier d’interférométrie de la coda des séismes est validé et publiquement disponible.

- Un outil numérique de calcul de sismogramme synthétique à l’échelle globale a été sélectionné (Axisem) et adapter de manière à pouvoir être combiné à un calcul interférométrique. Des comparaisons avec d'autres approches de construction de sismogrammes synthétique, et notamment par sommation modale, sont en cours.

- Un outil de tracé de rais sismiques, adapté aux phases non causales issues d’interférences des réverbérations, et permettant l’interprétation des interférences observées, est en cours de validation.

Enfin, plusieurs avancées importantes ont été réalisées au sujet de la tâche (3), en lien avec (1) et (2).

- Un travail d’ouverture à petite échelle (crustale) a permis de mieux comprendre comment évaluer la sensibilité des mesures interférométriques dans le cadre d’une interférence directe entre deux ondes de volume (e.g. P et PP). Des outils numériques de calcul de ses noyaux de sensibilité sont envisagés pour une poursuite de ces travaux aux grandes échelles.

- Le code utilisé pour le pré-traitement des données, le calcul et la gestion des corrélations a largement évolué. Il contient notamment toute la sélection opportune des pairs de station en fonction des paramètres de la source et de la phase cible.

- Nous avons développé WMSAN (pour "Wave Model Sources of Ambient Noise") un package Python pour modéliser des sismogrammes et leurs corrélations à partir de des hindcasts WAVEWATCHIII, c'est-à-dire de modèles globaux d'état de la mer. C'est un outil important pour la poursuite de nos travaux sur le bruit sismique d'origine océanique et un pont entre océanographie physique et sismologie.

Le principal résultat marquant de ce projet correspond à la validation par des observations de la possibilité d’observer des interférences de phases sismiques à grande distance issue d’un évènement océanique unique. Par exemple, une tempête de quelques heures en Atlantique Nord permet d’observer des ondes PcP (réflexion sur le noyau externe) entre l’Australie et l’Antarctique par la corrélation d’enregistrements issus de pairs de stations rigoureusement sélectionnées ; ou encore des ondes P sensibles au manteau inférieur entre différente combinaison de stations sismologiques. Les derniers travaux en cours de finalisation ainsi que des perspectives à court et moyen termes généralisent ces observations à d'autres régions/sources et laissent entrevoir une utilisation possible et utile de ces nouvelles observables en complément des données classiques pour l'imagerie de la Terre profonde. Pour les perspectives sur l'utilisation des méthodes interférométriques appliquées à la coda des grands séismes, plusieurs pistes sont envisagées. Des résultats indépendants au projet laissent entrevoir que ce type de mesures n'est pas entièrement compatible avec des mesures traditionnelles de temps d'arrivées, en tout cas pour ce qui concerne le noyau externe. Ceci à contribuer à rediriger nos objectifs sur la compréhension plus fondamentale de la sensibilité de nos mesures interférométriques, par exemple en ce qui concerne des effets liés à la rotation de la Terre. Plus généralement, nous pensons que ce type de données est très largement et sous-exploités pour l'imagerie de notre planète ; ce qui nous pousse à court et moyen terme à mieux comprendre les mécanismes sous-jacents à la reconstruction des phases sismiques que nous observons dans ce type de corrélogrammes.

- Zhang, R., Boué, P., Campillo, M., Ma, J.. Quantifying P-wave secondary microseism events: a comparison of observed and modeled back projection. Geophysical Journal International, submitted

- Boué, P., Tomasetto, L.. Opportune Detections of Global P- Wave Propagation from Microseism Interferometry. Comptes Rendus Géosceinces, submitted

- P Boue, L Tomasetto, Detection of Teleseismic P-waves in the Correlation Wavefield from Significant Secondary Microseism
Events. AGU Fall Meeting Abstracts 2021, S35A-10

Le projet vise à explorer la possibilité d'utiliser des signaux sismiques reconstruits par corrélation d’enregistrements continus pour sonder la Terre profonde. Nous souhaitons construire et exploiter un nouvel ensemble de données, complémentaires aux données issues des séismes, pour améliorer l'imagerie du manteau et du noyau. Le projet aura pour cible principale la limite manteau-noyau. Deux méthodes sont explorées à l'échelle globale : la corrélation de signaux microsismiques d’origine océanique, et la corrélation des coda réverbérées après les grands séismes. Avec l’aide de modèles d'excitation océanique, la corrélation de signaux microsismiques sera utilisée pour l'imagerie du manteau inférieur. La corrélation de coda sera utilisée pour détecter la présence d'une couche stratifiée au sommet du noyau externe. TerraCorr ouvrira la voie à une utilisation plus large de ce type de signaux pour améliorer notre connaissance sur l'histoire et la dynamique de notre planète.