Développements méthodologiques pour l'inversion des formes d'ondes télésismiques complètes et applications à l'imagerie des zones de subduction des cascades et du sud Pérou

Methodological developments for full teleseismic waveform inversion and applications to imaging the Cascadia and southern Peru subduction zones

• Auteur / Autrice : Li-Yu Kan
• Direction : Sébastien Chevrot, Vadim Monteiller
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la Terre et des Planètes Solides
• Date : Soutenance le 09/02/2023
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de l’univers, de l’environnement et de l’espace (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Géosciences Environnement Toulouse (2011-....)
• Jury : Président / Présidente : Stéphanie Duchêne
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Joseph Martinod, Shu-Hei Hung
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Nobuaki Fuji, Stéphane Rondenay

Mots clés

Mots clés contrôlés

Pérou (sud)

Cascades, Chaîne des

Subduction

Tomographie sismique

Ondes sismiques

Mots clés libres

Inversion de forme d'onde télésismiques complète

Tomographie sismique

Subduction

Andes

Cascades

Teleseismic full waveform inversion

Seismic tomography

Subduction

Andes

Cascadia

Résumé

La tomographie sismique nous permet d'imager des propriétés physiques telles que vitesses sismiques ou densité, fournissant ainsi des contraintes directes sur la composition et l'état thermique de l'intérieur de la Terre. La densification des réseaux sismologiques temporaires comme permanents, ainsi que les récentes avancées dans le domaine du calcul haute performance ont ouvert de nouvelles opportunités pour l'application des approches d'inversion de forme d'onde complète (FWI) aux données sismologiques. En effet, celles-ci permettent d'obtenir des modèles tomographiques multiparamétriques quantitatifs de la subsurface avec une limite de résolution allant jusqu'à la demie longueur d'onde. Les inversions de formes d'onde télésismiques à l'échelle régionale sont ainsi devenues réalisables sur des clusters CPU ou GPU de taille modérée et cette méthode a déjà été appliquée avec succès pour imager la structure lithosphérique des Pyrénées et des Alpes. Dans cette thèse, nous apportons des améliorations à la méthode d'inversion de formes d'ondes qui permettent de prendre en compte les corrélations existant entre les paramètres du modèle. Pour cela, nous introduisons une matrice de covariance du modèle dont les termes non-diagonaux décrivent la corrélation entre chaque paire de paramètres du modèle. Des expériences d'inversion synthétique sont réalisées sur un modèle de subduction simple en prenant en compte les corrélations entre la densité, Vp et Vs. Nous démontrons qu'une telle matrice de covariance du modèle non diagonale complète nous permet d'obtenir des résultats d'inversion cohérents, c'est-à-dire indépendants de la paramétrisation du modèle choisie. Avec cette nouvelle approche, nous obtenons de meilleurs modèles reconstruits avec moins d'artefacts numériques. En outre, les inversions plus rapidement que les inversions qui supposent que les paramètres du modèle sont indépendants. Nous appliquons ensuite la nouvelle méthode aux formes d'onde télésismiques P et SH enregistrées par l'expérience temporaire CASC93, un profil sismique déployé dans le centre de l'Oregon, aux États-Unis. Les modèles finaux de densité, Vp, Vs, et Vp/Vs révèlent la structure lithosphérique de la zone de subduction des Cascades avec une résolution sans précédent. En particulier, nous imageons la couche de faible vitesse associée à la croûte océanique de la plaque Juan de Fuca, le coin mantellique serpentinisé sous l'avant-arc, et la fusion partielle sous l'arc volcanique à environ 80~km de profondeur. Enfin, la nouvelle méthode FWI est appliquée aux formes d'ondes télésismiques enregistrées par plusieurs expériences temporaires déployées dans le sud du Pérou (PeruSE, CAUGHT, PULSE). Notre région d'étude couvre à la fois les segments de subduction normale et plate dans le nord des Andes centrales. Les modèles finaux de densité, Vp et Vs fournissent des informations nouvelles sur la structure de l'Altiplano et la géométrie de la plaque Nazca en subduction. Les faibles vitesses observées sous l'Altiplano dans la partie sud du modèle suggèrent que la lithosphère a disparu, ce qui pourrait expliquer le récent soulèvement de cette partie des Andes. Nous observons également une faible anomalie de vitesse sous le segment plat, qui pourrait expliquer le maintien d'un pendage faible pour la plaque subductée.

Seismic tomography allows us to image physical properties such as seismic velocities or density, providing direct constraints on the composition and thermal state of the Earth's interior. The densification of seismic deployments, as well as the recent advances in high-performance computing, have opened new opportunities for applying full-waveform inversion (FWI) approaches to seismic data. Indeed, FWI can produce quantitative multi-parameter tomographic models of the subsurface with a resolution limit down to half a wavelength. Today, full waveform inversion of teleseismic waves at the regional scale has become feasible on moderate-size CPU or GPU clusters. This method has already been successfully applied to image the lithospheric structure of the Pyrenees and the Alps. In this thesis, we make improvements to the FWI method that allow taking into account the correlation between the model parameters. For this purpose, we introduce a model covariance matrix whose non-diagonal terms describe the correlation between each pair of model parameters. Synthetic inversion experiments are performed on a simple subduction model taking into account the correlations between the density, Vp, and Vs. We show that such a complete model covariance matrix leads to consistent inversion results, i.e., independent of the chosen model parameterization. With this new approach, we obtain better-reconstructed models with fewer numerical artifacts. In addition, the inversions have a faster convergence rate compared to inversions that assume that the model parameters are independent. We then apply the new method to the teleseismic P and SH waveforms recorded by the CASC93 temporary experiment, a seismic profile deployed in central Oregon, USA. The final density, Vp, Vs, and Vp/Vs models reveal the lithospheric structure of the Cascadia subduction zone with unprecedented resolution. In particular, we image the low-velocity layer associated with the oceanic crust of the Juan de Fuca plate, the serpentinized mantle wedge beneath the forearc, and the partial melting beneath the volcanic arc at around 80~km depth. Finally, the new FWI method is applied to teleseismic waveforms recorded by several temporary experiments deployed in southern Peru (PeruSE, CAUGHT, PULSE). Our study region covers both the normal and flat subduction segments in the northern Central Andes. The final density, Vp, and Vs models provide new insights into the structure of the Altiplano and the geometry of the subducting Nazca plate. The low velocities observed beneath the Altiplano in the southern part of the model suggest that the lithosphere has been removed, which could be the recent uplift in this part of the Andes. We also observe a low-velocity anomaly under the flat segment, which could be the maintenance of a shallow dip for the subducted plate.