THESE DE DOCTORAT mention sciences

Louis Pasteur - Strasbourg

Description

Niveau: Supérieur, Doctorat, Bac+8
THESE DE DOCTORAT (mention sciences) presentee a l'Universite Louis Pasteur - Strasbourg I par Anne Sieminski Ecole et Observatoire des Sciences de la Terre Institut de Physique du Globe de Strasbourg Laboratoire de Sismologie en vue de l'obtention du titre de Docteur de l'Universite Louis Pasteur Specialite : Geophysique Interne Tomographie du manteau superieur antarctique par les ondes de surface multimodes - Etude en theorie des rais et apport d'une theorie de propagation a frequence finie Soutenue le 30 mars 2005, devant la Commission d'Examen composee de : Michel Campillo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Rapporteur externe Michel Cara . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Rapporteur interne Anne Davaille . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Examinatrice Eric Debayle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

• modele global du manteau superieur


• methode de tomographie integrant


• cadre du musee de sismologie et pour les discussions tres instructives


• imagerie du manteau par les ondes de surface


• analyse d'ondes de surface multimodes


• theorie de propagation


• tomographie


• resolution laterale

Sujets

• École et observatoire des sciences de la Terre
• Willer
• Rivera
• Pasteur
• Legros
• Campillo
• Debayle

Informations

• Publié par: profil-feym-2012
• Publié le: 01 mars 2005
• Nombre de lectures: 23
• Langue: Français
• Poids de l'ouvrage: 20 Mo

Extrait

?THESE DE DOCTORAT
(mention sciences)
pr¶esent¶ee a? l’Universit¶e Louis Pasteur - Strasbourg I
par Anne Sieminski
¶Ecole et Observatoire des Sciences de la Terre
Institut de Physique du Globe de Strasbourg
Laboratoire de Sismologie
en vue de l’obtention du titre de
Docteur de l’Universit¶e Louis Pasteur
Sp¶ecialit¶e : G¶eophysique Interne
Tomographie du manteau sup¶erieur antarctique par les ondes de
surface multimodes - Etude en th¶eorie des rais et apport d’une
th¶eorie de propagation ?a fr¶equence flnie
Soutenue le 30 mars 2005,
devant la Commission d’Examen compos¶ee de :
Michel Campillo....................................Rapporteur externe
Michel Cara.........................................Rapp interne
Anne Davaille ............................................ Examinatrice
Eric Debayle ..................................................... Invit¶e
¶ ^Jean-Jacques Leveque................................Directeur de th?ese
Jeannot Trampert..................................Rapporteur externeRemerciements
Il est di–cile de remercier en quelques mots a? juste mesure tous ceux et toutes celles
qui m’auront aid¶ee a? mener a? bien cette th?ese.
J’ai tout d’abord eu la grande chance d’avoir pour directeur de th?ese Jean-Jacques
L¶ev^eque. Tout en m’ayant laiss¶e une grande libert¶e, il a toujours ¶et¶e disponible pour
r¶epondre a? mes nombreux doutes et questions. J’ai pu proflter au cours de ces quatre
ann¶ees de sa comp¶etence et de sa rigueur. J’esp?ere retenir la le»con.
Ce travail ne serait ¶egalement pas ce qu’il est sans Eric Debayle. D’abord parce que la
premi?ere partie de cette th?ese consiste en une application de la \tomographie classique de
l’IPGS" dont Eric a ¶et¶e l’un des principaux d¶eveloppeurs. Ce travail s’inscrit de plus dans
la constructuion du mod?ele global dont Eric est aussi le \ma^‡tre d’ uvre". Il a ¶et¶e non
seulement un guide enthousiaste dans la compr¶ehension et l’application de cette m¶ethode
mais ses conseils avis¶es, ses remarques ont aussi eu un poids consid¶erable dans la seconde
partie de mon travail. Je le remercie donc sinc?erement.
Je voudrais aussi remercier les membres de mon jury qui ont bien voulu consacrer une
partie de leur temps pr¶ecieux a? ma th?ese : Michel Campillo, Michel Cara, Anne Davaille
et Jeannot Trampert. Je tiens aussi a? remercier ce dernier de me donner la chance de
commencer une nouvelle aventure a? Utrecht.
Je souhaite ensuite exprimer toute ma gratitude a? l’ensemble des personnels de l’EOST
pour ces six ann¶ees pass¶ees a? leurs c^ot¶es. J’ai une pens¶ee particuli?ere pour Hilaire Legros,
mon tuteur p¶edagogique pendant ma carri?ere de monitrice qui m’a fait partager son int¶er^et
pour l’enseignement, Luis Rivera dont j’aurai probablement encore besoin entre autre des
comp¶etences en analyse num¶erique et Val¶erie Ansel pour la conflance qu’elle m’a accord¶ee
dans le cadre du Mus¶ee de Sismologie et pour les discussions tr?es instructives autour d’un
bol de soupe aux l¶egumes. Je tiens aussi a? remercier Janine Fischbach et Monique Willer
pour leur d¶evouement et leur extraordinaires sympathie et gentillesse.
Maisceuxquej’auraileplusemb^et¶esa?l’EOSTsontbien-sur^ mescamaradesdoctorants,
ATERetpost-doctorants:mes\grandess urs" AgatheetAlessia,Audrey,Val¶erie,Olivier,
Juan, Pierre-Jean, Alexis, Nicolas, J¶er^ome, Jefi, Jean, Gwenn, Beno^‡t, Sophie, Sophie,
iMicka˜el, Sana, Rosaria, S¶everine, Erwan, Guillaume et une mention sp¶eciale a? celui qui
m’a support¶ee le plus longtemps, Gid¶eon. Merci a? vous tous.
Enfln,lesucc?esdecetravailn’aurait¶egalementpas¶et¶epossiblesansleconstantsoutien
moral et psychologique de ma famille : mes parents, mon petit fr?ere et mes grands-m?eres.
Je les remercie donc de l’attention et de la patience qu’ils ont montr¶ees alors que l’int¶er^et
de l’exploration du manteau sup¶erieur antarctique par les ondes de surface leur a sans
doute paru un peu lointain.
iiR¶esum¶e
La tomographie sismique est un outil essentiel a? la compr¶ehension de la dynamique du
manteau, notamment parce qu’elle pourrait imager les mouvements de convection. Dans
la premi?ere partie de cette th?ese, nous r¶ealisons une tomographie en vitesse d’onde S
du manteau sup¶erieur antarctique par l’analyse d’ondes de surface multimodes, ce qui
assure une bonne r¶esolution verticale jusqu’ a au moins la zone de transition. La r¶esolution
lat¶erale est aussi meilleure que celle des ¶etudes pr¶ec¶edentes. Ont ainsi ¶et¶e imag¶ees des
anomalies lentes profond¶ement enracin¶ees sous l’Antarctique de l’Ouest. Ces anomalies
sont des ¶el¶ements nouveaux importants pour discuter l’origine du volcanisme de cette
r¶egion. Cette ¶etude s’ins?ere de plus dans la construction d’un mod?ele global du manteau
sup¶erieur.
La pr¶ecision de ces images reste toutefois insu–sante pour d¶etecter des objets ¶etroits
tels que les panaches mantelliques. Avec les donn¶ees habituelles, la taille de ces structures
approche en fait la limite th¶eorique de la r¶esolution lat¶erale en th¶eorie des rais, utilis¶ee
classiquemententomographie.Aflnd’am¶eliorerlapr¶ecisiondesimages,lasecondepartiede
cetteth?eseproposedoncunem¶ethodedetomographieint¶egrantuneth¶eoriedepropagation
a? fr¶equence flnie d¶eriv¶ee du scattering lin¶earis¶e, plus pr¶ecise.
Appliqu¶ee a? des donn¶ees synth¶etiques, cette tomographie a? fr¶equence flnie remplit bien
son objectif en donnant efiectivement des images plus pr¶ecises. Appliqu¶ee aux donn¶ees
r¶eelles de l’Antarctique, les r¶esultats ne sont pas aussi convaincants et on a m^eme du mal
a? voir une am¶elioration des images. D’apr?es ces premiers r¶esultats, ra–ner la th¶eorie de
propagation tel que nous l’avons fait ici ne semble donc pas ^etre la solution d¶ecisive pour
faire progresser d’un grand pas l’imagerie du manteau par les ondes de surface, du moins
avec la qualit¶e des donn¶ees actuelles. D’autres aspects de la propagation restent a? explorer.
iiiivAbstract
Seismic tomography is a crucial tool to understand mantle dynamics particularly be-
cause it is a good way to image the convection motions. The flrst part of this work is
a S-wave velocity tomography of Antarctica upper mantle by the analysis of multimode
surface waves. Using these data insures a high vertical resolution down to at least the
transition zone. The lateral resolution is also better than in previous studies. We have
imaged deeply-rooted low-velocity anomalies beneath West Antarctica that are new and
important elements to discuss the origin of the regional volcanism. This study is also part
of the building of a global upper mantle model.
However, these images are not accurate enough to detect narrow objects like mantle
plumes.Withtheusualdataset,thesizeofsuchstructuresisactuallyclosetothetheoreti-
cal limit of the lateral resolution in ray theory, commonly used in tomography. To improve
the accuracy of the images, in the second part of this work, we therefore propose a to-
mography method including a flnite frequency wave propagation deduced from flrst-order
scattering theory, more precise than ray theory.
Applied to synthetic data, this flnite frequency tomography indeed succeeds in produ-
cing more precise images. When applied to the real antarctic data set, the results are not
however convincing. An improvement of the imaging is even hardly observed. From these
flrst results, improving the propagation theory as we have done here thus does not appear
to be theconclusive solution to make tremendousprogress in seismic imaging of themantle
from surface waves, at least with the quality of the present data sets. Other aspects of wave
propagation should now be explored.
vviTable des mati?eres
Introduction 1
1 G¶en¶eralit¶es sur les tomographies r¶egionales classiques en ondes de sur-
face 5
1.1 Rappels sur les ondes de surface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.2 Propagation des ondes selon la th¶eorie des rais . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.3 Rappels sur les m¶ethodes classiques de tomographie r¶egionale . . . . . . . 12
1.3.1 M¶ethodes par cartes de dispersion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.3.2 M¶ethodes par mod¶elisation de forme d’ondes . . . . . . . . . . . . . 13
2 Tomographie classique : application ?a l’Antarctique 17
2.1 Article : Seismic evidence for deep low-velocity anomalies in the transition
zone beneath West Antarctica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
Abstract . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.1.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.1.2 Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.1.3 Tomographic procedure. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.1.4 T maps . . . . . . . . .