Vers des modèles anisotropes et anélastiques de la Terre globale : Observables et la paramétrisation de l'inversion des formes d'ondes complètes

Towards anisotropic and anelastic global adjoint models : Improving measurements and parametrization for global full-waveform inversion

• Auteur / Autrice : Rıdvan Örsvuran
• Direction : Hatice Ebru Bozdag, Stéphane Operto
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la Planète et de l'Univers
• Date : Soutenance le 31/03/2021
• Etablissement(s) : Université Côte d'Azur
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences fondamentales et appliquées (Nice ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Géoazur (Sophia Antipolis, Alpes-Maritimes)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Paul Ampuero
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Hatice Ebru Bozdag, Stéphane Operto, Jean-Paul Ampuero, Frederik J. Simons, Andreas Fichtner, Jeroen Ritsema, Alessia Maggi
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Frederik J. Simons, Andreas Fichtner
• DOI : 10.70675/e44afc86z6ef8z46bezb87az0ce2b696b9cd

Mots clés

Mots clés contrôlés

Tomographie sismique

Ondes sismiques

Imagerie sismique

Mots clés libres

Théorie inverse

Sismologie Computationnelle

Sismique Tomographie

Propagation des Ondes

Inverse theory

Computational seismology

Seismic tomography

Wave propagation

Résumé

Les ondes sismiques constituent le principal outil pour scanner l’intérieur de la Terre et en déduire des informations sur sa structure, son état thermique et ses propriétés chimiques. La tomographie sismique, de manière analogue à la tomographie médicale, construit des images en trois dimensions de l’intérieur de la Terre à partir des ondes sismiques déclenchées par des sources naturelles (tremblements de terre, bruit ambiant) ou contrôlées (explosions, ...).La méthode de l’état adjoint permet une implémentation efficace de l’inversion des formes d’ondes complètes (FWI : Full Waveform Inversion), une méthode d’imagerie qui exploite potentiellement toute la complexité du champ d’onde en trois dimensions pour construire des images haute résolution de l’intérieur de la Terre.Dans cette thèse, je propose de nouveaux observables fondés sur des doubles différences des temps de trajet et des formes d’ondes pour appliquer la FWI à l’échelle globale. Par ailleurs, je teste différentes paramétrisations du problème inverse pour extraire les propriétés physiques de la Terre comme l’anisotropie azimuthale et l’atténuation dans le manteau.Mes résultats suggèrent que les doubles différences utilisés avec des dispositifs denses de stations accélèrent la convergence de la FWI, améliore la résolution de l’imagerie sous le dispositif et réduisent les artefacts générés par la couverture hétérogène de la Terre par les données sismologiques.Il est connu que la composition et la déformation de la lithosphère et du manteau supérieur génèrent de l’anisotropie lors de la propagation des ondes. En partant du modèle de Terre globale GLAD-M25 développé par tomographie adjointe, le successeur du modèle GLAD-M15 et en) et en paramétrant l’inversion avec une anisotropie transverse, j’ai construit un premier modèle global du manteau supérieur anisotrope. J’ai effectué 10 itérations de la FWI adjointe en sélectionnant par fenêtrage les temps de trajet des ondes de surface combinés avec des doubles différences formés par des paires de stations. Les résultats révèlent l’empreinte au premier ordre de l’anisotropie et une résolution accrue dans les régions bénéficiant d’une forte couverture comme en Amérique du Nord et en Europe.L’atténuation est un autre paramètre physique clef pour identifier de la fusion partielle, la présence d’eau et cartographier des variations thermiques dans le manteau. Dans le dernier chapitre, j’effectue une première évaluation de la tomographie adjointe anélastique dans la perspective de construire un modèle d’atténuation du manteau par inversion conjointe des paramètres élastiques et anélastiques à partir de la phase et de l’amplitude des signaux. J’étudie les couplages entre les différentes classes de paramètres avec des tests synthétiques 2D afin de définir la meilleure stratégie pour la FWI anélastique à l’échelle globale. J’évalue également différents observables pour la reconstruction simultanée ou alternée des paramètres élastiques/anélastiques. Les tests 2D suggèrent qu’une fonction coût fondée sur l’enveloppe des signaux fournit les meilleurs résultats lors des premières itérations en réduisant la non linéarité de la FWI. Après avoir évalué l’empreinte de différents modèles d’atténuation sur les formes d’onde avec des simulations numériques dans différents modèles élastiques/anélastiques 1D/3D, j’ai conclu que la reconstruction conjointe des paramètres élastiques et anélastiques était nécessaire car l’atténuation affecte non seulement l’amplitude mais génère aussi une dispersion significative, notamment des ondes de surface. J’ai effectué une itération de la tomographie adjointe élastique/anélastique à l’échelle globale en partant du modèle élastique GLAD-M25 et du modèle anélastique 1D QRF12 et en utilisant 253 tremblements de terre. Les résultats préliminaires sont prometteurs et révèlent par exemple des zones de forte et faible atténuation sur les côtes ouest et est de l’Amérique du Nord.

Seismic waves are our primary tools to see the Earth’s interior and draw inferences on its structural, thermal and chemical properties. Seismic tomography, similar to medical tomography, is a powerful technique to obtain 3D computed tomography scan (CT scan) images of the Earth’s interior using seismic waves generated by seismic sources such as earthquakes, ambient noise or controlled explosions. It is crucial to improve the resolution of tomographic images to better understand the internal dynamics of our planet driven by the mantle convection, that directly control surface processes, such as plate tectonics. To this end, at the current resolution of seismic tomography, full physics of (an)elastic wave propagation must be taken into account.The adjoint method is an efficient full-waveform inversion (FWI) technique to take 3D seismic wave propagation into account in tomography to construct high-resolution seismic images. In this thesis, I develop and demonstrate new measurements for global-scale adjoint inversions such as the implementation of double-difference traveltime and waveform misfits. Furthermore, I investigate different parameterizations to better capture Earth’s physics in the inverse problem, such as addressing the azimuthal anisotropy and anelasticity in the Earth’s mantle.My results suggest that double-difference misfits applied to dense seismic networks speed up the convergence of FWI and help increase the resolution underneath station clusters. I further observe that double-difference measurements can also help reduce the bias in data coverage towards the cluster of stations.Earth’s lithosphere and upper mantle show significant evidence of anisotropy as a result of its composition and deformation. Starting from the recent global adjoint tomography model GLAD-M25, which is the successor of GLAD-M15 and transversely isotropic in the upper mantle, my goal is to construct an azimuthally anisotropic global model of the upper mantle. I performed 10 iterations using the multitaper traveltimes combined with double difference measurements made on paired stations of minor- and major-arc surface waves. The results after 10 iterations, in general, show the global anisotropic pattern consistent with plate motions and achieve higher resolution in areas with dense seismic coverage such as in North America and Europe.Attenuation is also another key parameter for determining the partial melt, water content and thermal variations in the mantle. In the last chapter, I investigate anelastic adjoint inversions to ultimately construct a global attenuation mantle model by the simultaneous inversion of elastic and anelastic parameters assimilating both the phase and amplitude information, which will lead to exact FWI at the global scale. I investigate the trade-off between elastic and anelastic parameters based on 2D synthetic tests to define a strategy for 3D global FWIs. I also explore the effect of different measurements for simultaneously and sequentially inverted elastic and anelastic parameters. The 2D test results suggest that the envelope misfit performs best at earlier iterations by reducing the nonlinearity of the FWI. After analyzing the effect of different radially-symmetric attenuation models on seismic waveforms by performing forward simulations in various 1D and 3D elastic/anelastic models, the results suggest the necessity of simultaneous elastic/anelastic inversions to also improve the elastic structure as attenuation cause not only amplitude anomalies but also significant physical dispersion, particularly on surface waves. I performed one global simultaneous iteration of elastic and anelastic parameters using GLAD-M25 and its 1D anelastic model QRF12 as the starting models with a dataset of 253 earthquakes. The preliminary results are promising depicting, for instance, the high and low attenuation in the West and East coasts of North America.