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Emploi et Formation

Explorer les hétérogénéités de petite échelle de la Lune et de la Terre

Doctorant : GILLET Kevin

Directeur : MARGERIN Ludovic, CALVET Marie

Début de thèse : Octobre 2014

Groupe thématique :  DIP

Au cours de leur propagation, les ondes sismiques sont atténuées par deux phénomènes : l’absorption causée par les propriétés anélastiques des matériaux, d’une part, et la diffusion ou ”scattering” causée par la présence d’hétérogénéités de petite échelle dans le milieu d’autre part. L’objectif de cette thèse est de cartographier les propriétés de diffusion et d’absorption des ondes sismiques dans deux contextes géophysiques extrêmes présentant des échelles spatiales très différentes. La première partie du manuscrit est consacrée à la stratification d’hétérogénéité dans la Lune. À l’aide d’un modèle original de diffusion en géométrie sphérique, nous avons inversé les mesures de temps d’arrivée du maximum d’énergie et de décroissance de la coda sismique réalisées sur les données des missions Apollo. Nos inversions mettent en évidence un très fort contraste des propriétés de scattering entre le mégarégolithe très atténuant et le manteau lunaire profond transparent. L’atténuation est très largement dominée par le scattering et suggère la présence de fracturation jusqu’à environ 100 km de profondeur, affectant ainsi le manteau. Une nouvelle méthode d’estimation de la profondeur des séismes superficiels fondée sur les signaux diffus a été développée et permet de confirmer l’existence de failles actives autour de 50 km de profondeur. La deuxième partie de la thèse est consacrée à la structure d’atténuation de Taïwan, une région qui présente des structures géologiques très variées dans un contexte tectonique de double subduction. On utilise la MLTWA (Multiple Lapse Time Window Analysis) -une méthode fondée sur le rapport entre énergie cohérente et incohérente du signal sismique- pour imager les variations latérales d’atténuation. Dans un premier temps nous avons travaillé dans l’hypothèse classique de diffusion isotrope dans un demi-espace. Nos résultats mettent en évidence un niveau d’atténuation global très élevé ainsi que de forts contrastes des propriétés de scattering sur des échelles spatiales fines, de l’ordre de 10-20 km. La diffusion est particulièrement marquée dans les bassins de la côte ouest, le sud et la chaîne côtière associée à la collision avec l’arc volcanique de Luçon à l’est. L’absorption augmente graduellement vers l’est et atteint son maximum sous l’arc volcanique. L’examen de l’accord entre données et modèles a posteriori montre sans ambigüité les limites de l’hypothèse de diffusion isotrope dans un demi-espace sur un ensemble de stations situées le long des côtes. Ceci nous conduit à explorer les effets de la diffusion anisotrope dans un guide d’onde modélisant la croûte. La prise en compte de l’anisotropie améliore significativement l’accord du modèle aux données. En particulier, à basse fréquence (1-2 Hz), notre étude démontre la prédominance de rétro-diffusion. Ce résultat est compatible avec la présence de forts contrastes d’impédance dans la croûte et suggère la présence massive de fluides dans les zones de faille et de volcans à Taïwan. La mesure de l’anisotropie de la diffusion ouvre des perspectives nouvelles de caractérisation des hétérogénéités géophysiques de petite échelle.

Les hétérogénéités de petite échelle se manifestent sur les enregistrements sismologiques par la présence de ce qu'on appelle la coda sismique, qui est le signal dominant sur les enregistrements courte-période (T<1s). L'origine, la nature, les tailles caractéristiques, et l'extension spatiale de ces hétérogénéités restent très largement débattus. Mieux les caractériser doit nous permettre de répondre à de grandes questions géodynamiques.

Dans le cas de la Terre par exemple, les modèles de convection récents prédisent que des morceaux de croûte devraient être dispersés dans tout le manteau. Comme la croûte recyclée présente de forts contrastes de vitesse avec le manteau, on s’attendrait à ce que la Terre devienne opaque pour les ondes sismiques haute-fréquence. Or il n’en est rien. Une piste à explorer est que les hétérogénéités sont extrêmement étirées et laminées par la convection et qu’elles affectent par conséquent faiblement les ondes sismiques. Seules la modélisation et l'analyse des signaux diffusés dans la Terre, comme les précurseurs de la phase PKP, pourront nous permettre de contraindre la texturation des hétérogénéités. Ces modèles sismiques d'hétérogénéité de petite échelle doivent nous permettre en retour de contraindre la dynamique convective du manteau.

La question de la dynamique de la graine a été également fortement chamboulée grâce à de nouveaux modèles d'hétérogénéité que nous avons développés à Toulouse et qui nous ont amenés à proposer un modèle dynamique de translation convective orientée de l’ouest vers l’est. Les implications de ce modèle sont très larges, et fournissent en particulier de fortes contraintes sur le fonctionnement de la géodynamo. Les dernières études s’appuyant sur les données magnétiques semblent en faveur d’un mouvement de translation, mais qui serait plutôt orienté de l’est vers l’ouest. L’orientation du mouvement de la graine est donc un problème clef à résoudre, et qui sera manifestement l’objet de débats dans les mois qui viennent. Il apparaît qu’une observation très intéressante que nous n’avons pour l’instant pas modélisée est la distribution hémisphérique de l’amplitude de la coda de la phase PKiKP, réfléchie à la surface de la graine. La modélisation de la coda des PKiKP et de ses variations hémisphériques devrait nous permettre de mieux cerner la nature des hétérogénéités de la graine et constitue un test pour le modèle de translation, à travers la modélisation de la distribution de taille des objets diffusants.

Dans le cas de la Lune, il est bien connu que la propagation sismique est très largement dominée par les effets de diffusion multiple. La durée de la coda sismique des signaux lunaires, de plusieurs dizaines de minutes, traduit le haut degré d’hétérogénéités de la croûte et suggère également que l’absorption anélastique est beaucoup plus faible que sur Terre. La couche diffusante à l’origine des signaux lunaires est associée à un milieu fortement fracturé que l’on appelle le méga-régolite. Malgré son caractère spectaculaire, il existe finalement assez peu d’études approfondies sur la coda lunaire. En conséquence, les propriétés sismologiques du méga-régolite lunaire sont encore très mal contraintes, en particulier son extension en profondeur, sa nature et sa texturation. Les développements théoriques récents sur les ondes diffuses devraient nous permettre de mieux modéliser les données uniques acquises lors de la mission Apollo.Au delà d’une meilleure compréhension de la structure interne de la Lune et de l'évolution de sa surface, il est important de mieux contraindre les propriétés d’atténuation pour: (1) mieux évaluer la sismicité lunaire, en particulier la magnitude des séismes, (2) mieux prédire l’amplitude des signaux sismologiques pour pouvoir définir les performances instrumentales optimales des futurs capteurs sismologiques lunaires.

Pour mener à bien ces études, nous proposons une approche fondée sur l'équation de transfert radiatif pour les ondes sismiques S et P couplées. Cette approche permet de modéliser simultanément la courbure des rayons sismiques liée aux gradients de vitesse dans la Terre (ou la Lune), ainsi que l'effet de diffusion des ondes sur les hétérogénéités de petite échelle. Il s'agit d'un champ de recherches largement nouveau et un gros effort de modélisation est à faire. L'approche numérique que nous proposons est fondée sur les Méthodes de Monte Carlo, qui permettent d'incorporer aisément les effets de réflexion/réfraction aux interfaces ainsi que les gradients de vitesse. La prise en compte de la géométrie sphérique, qui est cruciale pour interpréter les données lunaires, constituera une des principales avancées techniques de notre travail. Nous souhaitons également inclure des modèles d'hétérogénéités de petite échelle les plus réalistes possibles, incluant des anisotropies intrinsèques ou de forme.

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