High resolution imaging of lithospheric structure by full waveform inversion of short period teleseismic P waves
Imagerie haute résolution des structures lithosphériques par inversion de formes d'ondes P télésismiques courte période
Résumé
Seismic tomography allows us to image the Earth's interior based on surface observations of seismic waves. The full waveform inversion (FWI) method has the potential to improve tomographic images for the fine scale structures of the lithosphere. For this reason it receives a lot of attention of seismologists. FWI requires an efficient and precise numerical techniques to solve the elastic wave equation in 3D heterogeneous media. Its resolution potential is limited by the shortest wavelength in the seismic wavefield and the wavefield sampling density. Because of the high computational cost of modeling the propagation of seismic waves in heterogeneous media, FWI remains challenging. However, owing to the progress in high performance computational resources and numerical simulation techniques, as well as the deployment of permanent and temporary broadband arrays in the last two decades, this situation has changed dramatically. In this thesis, we focus on the high resolution imaging of lithospheric structure beneath the Pyrenean range by FWI, to quantify the highly controversial amount of convergence that occurred during the formation of this mountain range. In order to obtain finely resolved tomographic images, we exploit short period teleseismic P waves recorded by dense transects. We use a hybrid method that couples a global wave propagation method in a 1D Earth model to a 3D spectral-element method in a regional domain. A boundary coupling approach is used to match the global and regional wavefields on the boundaries of the regional domain. This hybrid method restricts the costly 3D computations inside the regional domain, which dramatically decreases the computational cost. The hybrid method can model teleseismic wavefields down to 1s period, accounting for all the complexities that may affect the propagation of seismic waves in the 3D regional domain. By using this hybrid method, the sensitivity kernels of the least square waveform misfit function with respect to elastic and density perturbations in the regional domain are computed with the adjoint state method. These waveform sensitivity kernels are used in an iterative L-BFGS algorithm to invert broad-band waveform data recorded by two dense transects deployed during the temporary PYROPE experiment across the Pyrenees mountains. We obtain the first high resolution lithospheric sections of compressional and shear velocities across the Pyrenean orogenic belt. The tomographic models provide clear evidence for the underthrust of the thinned Iberian crust beneath the European plate and for the important role of rift-inherited mantle structures during the formation of the Pyrenees.
La tomographie sismique permet d'imager l'intérieur de la Terre à partir de l'observation des ondes sismiques faite à la surface. L'inversion de forme d'ondes complètes est une méthode tomographique qui permet d'imager les structures lithosphériques de petite échelle. Cette approche demande des méthodes numériques efficaces et précises pour résoudre l'équation des ondes dans des milieux hétérogènes complexes. En théorie, la limite de résolution que l'on peut atteindre avec cette technique est de l'ordre de grandeur de la plus petite longueur d'onde présente dans le champ d'onde utilisé. Du fait de son coût élevé en temps de calcul, l'inversion de formes d'ondes complètes constituait encore récemment un formidable défi pour le sismologue. Cependant, cette situation est en train d'évoluer rapidement du fait des progrès récents à la fois des moyens de calcul haute performance ainsi que des méthodes numériques, mais aussi des déploiements de réseaux denses à l'échelle régionale. Dans cette thèse, nous nous sommes intéressés à l'imagerie haute résolution des structures lithosphériques sous la chaine des Pyrénées par inversion de formes d'ondes P télésismiques courte période. L'objectif principal est d'apporter des contraintes nouvelles sur le taux de raccourcissement subi par cette chaine de montagnes pendant la convergence alpine. Nous utilisons une méthode de modélisation hybride qui couple une méthode de propagation d'onde globale 1D à une méthode d'éléments spectraux 3D à l'échelle régionale. Cette méthode hybride permet de coupler les champs globaux et régionaux sur les bords du domaine régional 3D. Elle limite les calculs 3D qui sont extrêmement couteux à l'intérieur du domaine régional, ce qui permet de réduire considérablement le temps de calcul. La méthode hybride permet ainsi de modéliser des sismogrammes synthétiques jusqu'à des périodes de l'ordre de la seconde, en prenant en compte toutes les complexités qui peuvent affecter la propagation des ondes dans le domaine régional 3D. A l'aide de cette méthode, il est également possible de calculer par la méthode de l'adjoint les dérivées de Fréchet qui relient les perturbations des formes d'onde observées aux perturbations des paramètres élastiques et de la densité dans le milieu. Ces noyaux de sensibilité sont utilisés pour formuler un problème inverse résolu par un algorithme itératif de type L-BFGS. Nous inversons les données de 5 sources télésismiques enregistrées par deux transects denses déployés au niveau des Pyrénées occidentales et centrales pendant l'expérience PYROPE. Nous avons ainsi obtenu les premières sections haute résolution de vitesses des ondes P et S au travers d'une chaine de montagnes. Les modèles tomographiques apportent des évidences claires en faveur d'un sous charriage de la plaque ibérique sous la plaque européenne. Ils montrent également l'importance de l'héritage et en particulier des structures liées à l'épisode de rifting crétacé dans la structuration de la chaine.
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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