Tomographie du manteau supérieur antarctique par les ondes de surface multimodes : Etude en théorie des rais et apport d'une théorie de propagation à fréquence finie

Tomography of the antarctic upper mantle with multimode surface waves : Analysis in ray theory and effects of using a finite frequency wave propagation theory

• Auteur / Autrice : Anne Sieminski
• Direction : Jean-Jacques Lévêque
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Géophysique
• Date : Soutenance en 2005
• Etablissement(s) : Université Louis Pasteur (Strasbourg) (1971-2008)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Terre -- Manteau supérieur

Antarctique

Tomographie sismique

Ondes de surface

Résumé

La tomographie sismique est un outil essentiel à la compréhension de la dynamique du manteau, notamment parce qu'elle pourrait imager les mouvements de convection. Dans la première partie de cette thèse, nous réalisons une tomographie en vitesse d'onde S du manteau supérieur antarctique par l'analyse d'ondes de surface multimodes, ce qui assure une bonne résolution verticale jusqu'à au moins la zone de transition. La résolution latérale est aussi meilleure que celle des études précédentes. Ont ainsi été imagées des anomalies lentes profondément enracinées sous l'Antarctique de l'Ouest. Ces anomalies sont des éléments nouveaux importants pour discuter l'origine du volcanisme de cette région. Cette étude s'insère de plus dans la construction d'un modèle global du manteau supérieur. La précision de ces images reste toutefois insuffisante pour détecter des objets étroits tels que les panaches mantelliques. Avec les données habituelles, la taille de ces structures approche en fait la limite théorique de la résolution latérale en théorie des rais, utilisée classiquement en tomographie. Afin d'améliorer la précision des images, la seconde partie de cette thèse propose donc une méthode de tomographie intégrant une théorie de propagation à fréquence finie dérivée du scattering linéarisé, plus précise. Appliquée à des données synthétiques, cette tomographie à fréquence finie remplit bien son objectif en donnant effectivement des images plus précises. Appliquée aux données réelles de l'Antarctique, les résultats ne sont pas aussi convaincants et on a même du mal à voir une amélioration des images. D'après ces premiers résultats, raffiner la théorie de propagation tel que nous l'avons fait ici ne semble donc pas être la solution décisive pour faire progresser d'un grand pas l'imagerie du manteau par les ondes de surface, du moins avec la qualité des données actuelles. D'autres aspects de la propagation restent à explorer.

Seismic tomography is a crucial tool to understand mantle dynamics particularly because it is a good way to image the convection motions. The first part of this work is a S-wave velocity tomography of Antarctica upper mantle by the analysis of multimode surface waves. Using these data insures a high vertical resolution down to at least the transition zone. The lateral resolution is also better than in previous studies. We have imaged deeply-rooted low-velocity anomalies beneath West Antarctica that are new and important elements to discuss the origin of the regional volcanism. This study is also part of the building of a global upper mantle model. However, these images are not accurate enough to detect narrow objects like mantle plumes. With the usual data set, the size of such structures is actually close to the theoretical limit of the lateral resolution in ray theory, commonly used in tomography. To improve the accuracy of the images, in the second part of this work, we therefore propose a tomography method including a finite frequency wave propagation deduced from first-order scattering theory, more precise than ray theory. Applied to synthetic data, this finite frequency tomography indeed succeeds in producing more precise images. When applied to the real antarctic data set, the results are not however convincing. An improvement of the imaging is even hardly observed. From these first results, improving the propagation theory as we have done here thus does not appear to be the conclusive solution to make tremendous progress in seismic imaging of the mantle from surface waves, at least with the quality of the present data sets. Other aspects of wave propagation should now be explored.