ANR JIGSAW

Résumé du projet

Les progrès récents de la sismologie ont permis une cartographie précise des hétérogénéités de vitesses sismiques du manteau terrestre. Cependant, un certain nombre de grandes questions scientifiques restent sans réponse. Quelle est l’origine des zones à faible vitesse observées à la base du manteau, près de la zone de transition ou dans l’asthénosphère? Quelles quantités de fusion partielle et d’eau sont présentes dans le manteau? Comment expliquer la stabilité des cratons qui forment le cœur des continents? Répondre à ces questions nécessite d’obtenir des contraintes robustes sur la température, la composition, la teneur en eau et la présence de fusion partielle. Cependant, les vitesses sismiques ne suffisent pas à contraindre ces propriétés physiques, et il devient crucial de les associer à d’autres observations. La cartographie de l’atténuation (perte d’énergie des ondes sismiques) en plus de celle des vitesses et de l’anisotropie (variation directionnelle des vitesses sismiques, bon indicateur des écoulements du manteau) est donc essentielle.

Le projet JIGSAW2 permettra de construire des modèles 3D globaux de vitesse et d’atténuation du manteau terrestre et de les interpréter simultanément. L’équipe proposante est composée de deux partenaires (Lyon et Canberra) avec des chercheurs de renommée internationale fortement motivés pour relever ce défi. Le développement de méthodes numériques capable de simuler le champ d’onde complet dans des milieux 3D offre la possibilité de mieux imager l’atténuation. Actuellement, deux groupes (Princeton et Berkeley) ont exploité ces approches numériques, pour cartographier l’atténuation à l’échelle continentale dans le premier cas, et à l’échelle globale dans le second. Quelques autres équipes publient des modèles 3D globaux d’atténuation en utilisant des approches plus classiques. Tous ces modèles sont obtenus à l’aide de méthodes d’inversion linéarisées qui lissent et minimisent les perturbations par rapport à un modèle de référence 1D dépendant de la profondeur.

Le premier objectif de JIGSAW2 est de mesurer l’atténuation et les vitesses sismiques à l’aide de ces nouvelles méthodes. Nous avons développé une approche pour obtenir des mesures précises d’ondes S et de Rayleigh en comparant les ondes observées à des sismogrammes synthétiques 3D. Nous l’étendrons aux ondes de Love pour extraire l’anisotropie radiale et aux ondes P à longue période pour imager la zone de transition et le manteau inférieur. L’objectif est d’obtenir une base de données globale de mesures de la vitesse des ondes P, et de l’atténuation et de la vitesse des ondes S dans le manteau terrestre.

Ces bases de données seront ensuite inversées simultanément pour obtenir un modèle 3D de vitesse des ondes P, et de vitesse et d’atténuation des ondes S, en tenant compte de l’anisotropie radiale. Nous utiliserons une méthode d’inversion d’arbres trans-dimensionnels récemment développée à Canberra. Cette approche est moins couteuse en temps calcul que les algorithmes précédents et nous l’avons déjà appliquée à une tomographie globale avec un sous-ensemble de nos données actuelles. Elle ne nécessite pas de lissage du modèle, permet de mieux contraindre l’amplitude des hétérogénéités et les gradients de vitesse, et elle fournit une estimation probabiliste des incertitudes. Ces avantages sont essentiels pour interpréter les modèles sismiques en termes de paramètres physiques.

Nous inverserons ensuite simultanément l’atténuation et les vitesses sismiques pour contraindre la température, le contenu en fusion et la composition du manteau. Nous utiliserons des approches bayésiennes afin de quantifier les couplages et les incertitudes.

JIGSAW2 contribuera à mieux comprendre l’origine des hétérogénéités sismiques et la structure interne de la Terre. Les percées scientifiques proviendront de l’ajout des contraintes liées à l’atténuation, de l’utilisation de sismogrammes 3D et de l’utilisation d’approches probabilistes avancées.

Liste des membres du LGL-TPE impliqués :

• Stéphanie Durand,
• Alistair Boyce,
• Shuyang Sun,
• Yanick Ricard,
• Thomas Bodin,
• Fabien Dubuffet,
• Eric Debayle