Thèse soutenue

Atténuation des ondes sismiques dans la lithosphère martienne à partir des données InSight-SEIS : séparation et stratification des processus de diffusion et d'absorption

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Auteur / Autrice : Sabrina Menina
Direction : Taichi KawamuraLudovic Margerin
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Sciences de la terre et de l'environnement
Date : Soutenance le 03/04/2023
Etablissement(s) : Université Paris Cité
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la terre et de l'environnement et physique de l'univers (Paris ; 2014-....)
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : UMR-Institut de physique du globe de Paris (2005-....)
Jury : Président / Présidente : Eléonore Stutzmann
Examinateurs / Examinatrices : Eléonore Stutzmann, Takuto Maeda, Laurent Stehly, Chloé Michaut, Mélanie Drilleau
Rapporteurs / Rapporteuses : Takuto Maeda, Laurent Stehly

Mots clés

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Résumé

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Depuis son déploiement à la surface de Mars en 2019, le sismomètre SEIS de la mission InSight a détecté des centaines d'événements sismiques à très haute fréquence (VF; > 1 Hz). Ils sont caractérisés par des arrivées P et S émergentes, un maximum étendu et une très lente décroissance énergétique nommée « coda » qui peut durer 1 heure. L'objectif de cette thèse est d'utiliser ces données sismiques pour contraindre un modèle 1D des propriétés régionales de l'atténuation de la lithosphère martienne dans le but d'estimer les caractéristiques des hétérogénéités et la teneur en volatile en fonction de la profondeur. Pour atteindre cet objectif, nous avons d'abord examiné les caractéristiques statistiques et énergétiques des signaux VF. En plus de l'équipartition d'énergie observée via la stabilisation du rapport d'énergie cinétique verticale/horizontale dans la coda, notre analyse montre que ces signaux sont globalement dépolarisés et suivent une distribution de probabilité de type gaussienne. Nous interprétons ces observations comme des conséquences directes de la diffusion multiple. Afin de caractériser la forme des enveloppes des signaux VF, nous avons mesuré le temps de montée (td) entre l'arrivée de l'onde S directe et le maximum d'énergie et le facteur de qualité de la coda (Qc), caractérisant le taux de décroissance de l'énergie. Nous avons observé que les mesures de td sont quasi-indépendantes de la fréquence, une caractéristique propre à la planète Mars, et que Qc augmente linéairement avec la fréquence et montre des valeurs intermédiaires entre la Terre et la Lune. Nous avons ensuite estimé les propriétés de l'atténuation de la lithosphère martienne. Pour cela, nous avons quantifié le facteur de qualité de diffusion (Qsc), qui contient des informations sur l'étendue des hétérogénéités et des fractures en profondeur, ainsi que le facteur de qualité d'absorption (Qmu) qui est liée à la présence de volatiles dans le milieu. Pour séparer les deux processus, nous avons modélisé les enveloppes énergétiques des sismogrammes VF par une approche de multi-diffusion. Le problème direct repose sur la théorie du transfert radiatif élastique, alors que l'inversion des paramètres combine recherche de grille et optimisation par algorithme de Levenberg-Marquardt. Dans un premier temps, nous avons appliqué notre méthode à des VF distants en considérant un milieu statistiquement uniforme (demi-espace). Cette première étude a mis en évidence des valeurs très élevées de Qmu, caractéristiques d'un milieu sec. De plus, nous avons observé une diminution rapide de l'atténuation avec la distance épicentrale, suggérant une forte stratification des propriétés du milieu. Pour aller au bout de cette hypothèse, nous avons appliqué notre méthode non seulement aux VF distants mais aussi aux impacts proches en introduisant un milieu stratifié en vitesse et en atténuation. Dans ce modèle, nous supposons qu'une couche très hétérogène repose sur un milieu transparent. Nos inversions indiquent qu'une couche fortement diffusive et globalement sèche (Qsc et Qmu de l'ordre de 50 et 3500 à 7.5 Hz) d'une épaisseur minimale de 20 km sous le site d'atterrissage d'InSight (plaines du nord) et avec des vitesses d'ondes S élevées (3 km/s) permet d'expliquer la forme des enveloppes énergétiques des impacts proches. Cependant, l'épaisseur de cette couche doit être étendue au moins jusqu'à 60 km pour pouvoir retrouver la forme des enveloppes des VF distants. La corrélation entre l'épaisseur de la couche diffusive martienne et la profondeur du Moho suggère que la source principale d'hétérogénéité est la croûte elle-même et non un mégarégolithe très épais comme c'est le cas sur la Lune. Dans ce cadre, les simulations numériques indiquent que les sources des événements VF distants sont essentiellement superficielles et localisées sur les hauts plateaux de l'hémisphère sud martien.