Inversion Bayésienne et tomographie par équation d'onde utilisant des enregistrements de bruit ambiant provenant de réseaux sismologiques denses : Modèles lithosphériques 3-D des Alpes et de la mer Ligure

Bayesian inversion and wave-equation tomography using ambient noise records from dense seismological networks : 3-D lithospheric models of the Alps and the Ligurian sea

• Auteur / Autrice : Ahmed Lamine Nouibat
• Direction : Romain Brossier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la Terre et de l'Univers et de l'Environnement
• Date : Soutenance le 15/12/2022
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la terre, de l’environnement et des planètes (Grenoble, Isère, France ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des sciences de la Terre (Grenoble, Isère, France ; 2011-....)
• Jury : Président / Présidente : Helle Anette Pedersen
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Stéphanie Durand, Laurent Stehly
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Yann Capdeville, Jérôme Vergne

Mots clés

Mots clés contrôlés

Alpes (France)

Tomographie sismique

Mots clés libres

Corrélations de bruit sismique

Tomographie

Inversion de formes d'onde complète

Alpes

Mer Ligure

Tomography

Alps

Ambient noise tomography

Full-Waveform inversion

Ligurian sea

Résumé

Dans le contexte tectonique complexe de la région ouest méditerranéenne, les processusdynamiques profonds impliqués dans l’orogenèse des Alpes occidentales et l’ouverture du bassind’arrière-arc liguro-provençal ne sont pas encore entièrement compris. Bien que ces régions aientété sondées par un large éventail d’études géologiques et géophysiques, il existe toujours unfossé en termes de précision entre la connaissance de la géologie de surface et la connaissancede la structure lithosphérique tridimensionnelle – cruciale pour décrire la dynamique profonde.La disponibilité des réseaux permanents européens, du réseau temporaire dense AlpArray,et d’autres réseaux temporaires, donne une opportunité unique pour réaliser des imageriessismiques 3-D haute-résolution à grande échelle afin de mieux contraindre les structures de lacroûte et du manteau supérieur sous les Alpes occidentales et sous le bassin Liguro-Provençal.En tirant profit de cette couverture sismologique exceptionnelle, nous construisons desmodèles 3-D haute-résolution de vitesse d’ondes de cisaillement à partir du bruit ambiant enutilisant des approches d’imagerie innovantes. Tout d’abord, nous réalisons une inversion probabiliste complète dans le cadre de la tomographie bruit ambiant ’classique’ à deux étapes (ANT): (i) nous calculons des cartes 2-D de vitesse de groupe d’onde de Rayleigh et leurs incertitudesdans la bande de période 4-150 s en utilisant une inversion bayésienne transdimensionnelle;(ii) en utilisant une inversion probabiliste 1-D qui tient compte des incertitudes dans la courbede dispersion locale, nous estimons à chaque localisation, à chaque profondeur, la densité deprobabilité sur les vitesses d’ondes de cisaillement et sur la présence d’interfaces. Le modèleprobabiliste Vs est ensuite affiné par une inversion linéaire. Le modèle obtenu fournit une imageà haute résolution de la subduction de la lithosphère européenne et présente un remarquableaccord avec les coupes transversales de fonction récepteur dans les Alpes occidentales.La partie marine du modèle ANT Vs , à savoir la mer Ligure, est construite après un traitement spécifique des données de stations OBS : (i) nous améliorons le contenu longue période desenregistrements bruts des OBS en éliminant les bruits électroniques et les bruits du fond marin;(ii) nous optimisons la couverture des trajets dans la mer Ligure en calculant des corrélationsitératives OBS-OBS, impliquant des stations terrestres des réseaux AlpArray et permanents.Le modèle 3-D Vs obtenu présente un remarquable accord avec les données de la sismique activele long de l’axe du bassin et apporte de nouvelles informations sur la lithologie et la naturepétrologique de la croûte océanique sous le bassin Liguro-Provençal.La deuxième étape consiste à affiner la croûte et le manteau supérieur du modèle ANT sousles Alpes et la mer Ligure. Pour ce faire, nous réalisons une tomographie par équation d’onde(WET) basée sur la modélisation numérique de la propagation élastiques et élasto-acoustiques3-D d’ondes de surface. Le modèle Vs est mis à jour itérativement en minimisant les différencesde temps de phase entre les formes d’onde observées et synthétiques dans la bande de période5-85 s. Nous appliquons un couplage fluide-solide dans la bande de période 5-20 s afin de tenircompte de l’effet de la couche d’eau sur la propagation 3-D des ondes de Rayleigh-Scholte dansle bassin Liguro-Provençal et à travers ses marges conjuguées. Le modèle 3-D Vs obtenu est demeilleure résolution, présentant de plus forts contrastes de vitesse et de nouvelles structures.Nous extrayons du modèle obtenu une carte de Moho terre-mer 3-D, dont la résolution estsupérieure à celle des cartes de Moho précédentes dans les Alpes et la mer Ligure.

In the complex tectonic setting of the western Mediterranean region, the deep dynamic processes involved in the orogenesis of the western Alps and the opening of the Ligurian-Provenceback-arc basin remain not fully understood. Although these regions have been probed by abroad spectrum of geological and geophysical studies, there is still a gap in precision betweenthe knowledge of the surface geology and the knowledge of the three-dimensional lithosphericstructure – crucial for describing the deep dynamics. The availability of the European permanent networks, the dense AlpArray temporary network, and other temporary experiments, givesa unique opportunity for large-scale, high-resolution 3-D seismic imaging to further constrainthe crust and upper mantle structures beneath the western Alps and the Ligurian-Provencebasin.Taking advantage of this exceptional seismic coverage, we construct high-resolutionambient-noise 3-D shear-wave velocity models using innovative imaging approaches. First, weperform a full data-driven probabilistic inversion in the framework of the two-step ’classical’ambient-noise tomography (ANT): (i) we compute 2-D Rayleigh-wave group-velocity maps andtheir uncertainties in the period band 4-150 s using a transdimensional Bayesian inversion; (ii)using a 1-D probabilistic inversion that accounts for uncertainties in the local dispersion curve,we estimate at each location, at each depth, the probability density on shear-wave velocitiesand on the presence of interfaces. The probabilistic Vs model is further refined using a linearinversion. The resulting model provides a high-resolution image of the European lithospheresubduction and presents a striking fit with receiver-function cross-sections in the western Alps.The offshore part of the ANT Vs model, the Ligurian sea, is constructed after a specificprocessing of the OBS data: (i) we enhance the long-period content of the OBS noise recordsby correcting for transients and seabed-induced noises; (ii) we optimize the path coverage inthe Ligurian sea by computing OBS-OBS iterative correlations, involving onshore stations ofAlpArray and permanent networks. The obtained 3-D Vs model presents a striking fit withcontrolled-source seismic data along the basin axis and provides new insights on the lithologyand petrological nature of the Ligurian oceanic crust.The second step consists in refining the crust and uppermost mantle parts of the ANTmodel in the Alps and the Ligurian sea. To achieve this, we perform a wave-equation tomography (WET) based on numerical modelling of 3-D elastic and acoustic-elastic surface-wavepropagation. The velocity model is iteratively updated by minimizing the phase traveltimedifferences between the observed and synthetic waveforms in the period band 5-85 s. We applya fluid-solid coupling for waveform simulations in the 5-20 s period band to fully account forthe water-layer effect on 3-D propagation of Rayleigh-Scholte waves in the Ligurian-Provencebasin and its conjugate margins. The resulted 3-D V s model is of higher resolution, exhibitingnew features and stronger velocity contrasts. We extract an onshore-offshore 3-D Moho map,higher-resolution than the previous Moho maps in the Alps and Ligurian sea.