L'atténuation sismique dans le manteau terrestre

par Stéphanie Durand

Thèse de doctorat en Sciences de la Terre

Sous la direction de Jean-Paul Montagner et de Yanick Ricard.

Soutenue le 26-10-2012

à Lyon, École normale supérieure , dans le cadre de École Doctorale des Matériaux (Lyon) .

Le président du jury était Barbara A. Romanowicz.

Le jury était composé de Jean-Paul Montagner, Yanick Ricard, Barbara A. Romanowicz, Yann Capdeville, Christine Thomas.

Les rapporteurs étaient Yann Capdeville, Christine Thomas.


  • Résumé

    Cette thèse s’intéresse à divers aspects de l’atténuation sismique dans le manteau terrestre et aux implications de celle-ci quant à la structure de ce dernier. L’enjeu est de mieux comprendre les mécanismes d’atténuation ainsi que les mesures que l’on peut effectuer afin d’améliorer les modèles radiaux d’atténuation dont on dispose et in fine l’interprétation des modèles de tomographie. Je me suis concentrée sur deux exemples de mécanismes d’atténuation, appartenant à deux grands types d’atténuation : l’atténuation intrinsèque, liée à l’absorption par le milieu d’une partie de l’énergie sismique dissipée irréversiblement sous forme de chaleur, et l’atténuation extrinsèque, liée à la dispersion de cette énergie par le milieu. Dans le premier cas, j'ai regardé l’effet des transitions de phase sur l’atténuation des ondes sismiques. En appliquant un modèle thermomécanique développé par Ricard et al., 2009, pour prédire l’atténuation des ondes sismiques liée à la transition de phase uniquement et en comparant les valeurs obtenues aux mesures dont on dispose, j'ai pu contraindre la cinétique d’une transition de phase mantellique. Dans le second cas, j'ai testé l’effet de l’anisotropie comme mécanisme d'atténuation apparente, le but étant de trouver une distribution statistique d’orientation d’anisotropie pouvant reproduire la quasi-constance du facteur de qualité Q avec la fréquence, observée en sismologie et lors d’expériences de laboratoire (Knopoff, 1964), et aujourd’hui expliquée par un modèle ad-hoc seulement (Liu, 1976).Enfin, je me intéressée à mesurer cette atténuation sismique sur des enregistrements réels. Après avoir testé la méthode dite de la fréquence instantanée (Ford et al., 2012), je me suis concentrée sur deux régions, l’Amérique centrale et l’Alaska pour l'appliquer. Ces mesures sont ensuite interprétées en termes de modèle radial d’atténuation révélant un manteau inférieur hétérogène atténuant. Je montre aussi qu’une origine compositionnelle est la plus probable pour expliquer ces anomalies d’atténuation.

  • Titre traduit

    Seismis attenuation in the Earth's mantle


  • Résumé

    This thesis is devoted to various aspects of seismic attenuation in the Earth's mantle and the consequences on the mantle structure. The challenge is to better understand the attenuation mechanisms, as well as the measurements that can be done, in order to improve the published radial profiles of attenuation and in fine the interpretation of tomographic models.I focus on two examples of attenuation mechanisms, belonging to two kinds of attenuation: the intrinsic attenuation related to the absorption by the medium of a part of the seismic energy then irreversibly dissipated as heat, and the extrinsic attenuation related to the dispersion of the seismic energy by the medium. In the first case, I investigate the effect of phase transitions upon seismic attenuation. Applying the thermo-mechanical model developped by Ricard et al., 2012, to calculate the attenuation of seismic waves due to the phase transition only and comparing the obtained values to published measurements, I succeed in constraining the kinetics of a mantle phase transition. In the second case, I test the seismic anisotropy as a mechanism of extrinsic attenuation, the aim being to find a statistical distribution of anisotropy orientation and layer thicknesses that can reproduce the observed quasi-frequency independence of Q in seismology and laboratory experiments (Knopoff, 1964), and which is, today, only explained by an ad-hoc model (Liu, 1976).Finally, I was interested in measuring the seismic attenuation on real seismograms. After having tested the method of the instantaneous frequency (Ford et al., 2012), I applied it to seismic records sampling the mantle below Central America and Alaska. These measurements are then inverted for a radial profile of shear attenuation which reveals the existence of an attenuating zone in the lower mantle. I also show that these attenuation anomalies are likely to be of chemical origin.

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