Les Alpes occidentales : tomographie, localisation de séismes et topographie du Moho

par Bertrand Potin

Thèse de doctorat en Terre solide

Sous la direction de François Thouvenot.

Soutenue le 01-07-2016

à Grenoble Alpes , dans le cadre de École doctorale terre, univers, environnement (Grenoble) , en partenariat avec Institut des Sciences de la Terre (Grenoble) (laboratoire) .

Le président du jury était Michel Campillo.

Le jury était composé de Bernard Valette, Vadim Monteiller, François Roure.

Les rapporteurs étaient Hélène Lyon-Caen, Sébastien Chevrot.


  • Résumé

    Les Alpes occidentales, résultat de la collision entre la plaque Eurasie et le promontoire apulien de la plaque Afrique, traversent l'Europe sur près de 1200 km. C'est l'une des chaînes de montagnes les mieux étudiées au monde, notamment par des méthodes d'imagerie géophysique. Celles-ci ont permis de réaliser plusieurs grands profils d'échelle crustale par sismique active. Parallèlement, la sismicité de magnitude relativement modérée a motivé le déploiement de réseaux sismologiques denses permettant de localiser plusieurs milliers d'évènements par an. Ces données apportent énormément d'information sur la géodynamique actuelle des Alpes et ont servi à réaliser plusieurs tomographies. L'ensemble de ces travaux permet une bonne compréhension de la chaîne, cependant des incertitudes persistent motivant la présente étude dont l'ambition est de réaliser une tomographie de la lithosphère des Alpes occidentales.Notre étude s'appuie sur plus de 791000 temps d'arrivée d'ondes P et S émises par plus de 36000 séismes locaux et enregistrées par 375 stations. Le domaine d'étude de 456x414 km2 couvre le sud-est de la France, le nord-ouest de l'Italie et la majeure partie de la Suisse. Dans ce domaine, la majorité des séismes a lieu dans les premiers 15 km de la croûte et grande partie des temps d'arrivée correspondent à des ondes réfractées au toit du manteau. Cela permet d'obtenir une résolution convenable à la fois dans la croûte et dans le toit du manteau. L'intérêt d'utiliser un grand nombre de données est double : cela assure une couverture relativement complète du domaine et améliore par la loi des grands nombres la précision du modèle déterminé. Toutefois, ce type de jeu de données nécessite un traitement adapté pour gérer les inévitables données aberrantes.La tomographie par temps d'arrivée de séismes locaux de la lithosphère a été réalisée à l'aide du code INSIGHT, développé au cours de cette étude à partir d'un code de V. Monteiller et B. Valette. Le modèle est constitué des valeurs de vP et vP/vS en chaque nœud d'une grille 3D à taille de maille constante, des localisations et des paramètres d'effets de site analogues aux « corrections statiques » de la prospection sismique. Le modèle vP a priori pour la croûte et le manteau supérieur est une fonction continue de la profondeur. Les localisations initiales des foyers ont été obtenues à l'aide du code LOCIN développé pour cette étude et permettant de déterminer une densité de probabilité par recherche sur grille. Les temps de propagation sont déterminés pour les premières arrivées en intégrant la lenteur le long des rais ; la géométrie de ceux-ci est déterminée par le maximum du gradient des temps de propagation, eux-mêmes calculés par la résolution de l'équation eikonale par différences finies. L'inversion est menée par une approche de moindres carrés non-linéaires, basée sur une description stochastique des données et des paramètres du modèle.La topographie du Moho est déduite de ce modèle de tomographie en prenant le maximum du gradient de vP obtenu entre les isovitesses 7,3 et 7,6 km/s. Cette information est complétée par des modèles issus de précédentes études. La large proportion d'ondes réfractées de notre lot de données permet un niveau de détails relativement fin. Ce modèle du Moho est ensuite introduit comme interface a priori dans un nouveau processus de tomographie dans lequel les paramètres vP et vP/vS de la croûte et du manteau sont décorrélés. La discontinuité du Moho est mieux modélisée et les ondes réfractées sont mieux déterminées. Cette approche permet par ailleurs de calculer les temps de propagation des ondes directes lorsque celles-ci arrivent après les ondes réfractées : plus de 100000 temps d'arrivées sont ainsi ajoutés aux données et la résolution dans la croûte est améliorée.Ces deux tomographies, la topographie du Moho et les localisations fines apportent de nouvelles informations sur les structures profondes des Alpes occidentales.

  • Titre traduit

    The western Alps : tomography, earthquake location and Moho topography


  • Résumé

    The Alpine chain, which stretches in the middle of Europe across six countries, is probably the most studied mountain range in the world. Geology and metamorphism studies contributed for a large part to the current understanding of the geodynamics and history of this region. Since the second half of the 20th century, geophysical methods were employed to study its lithosphere and several crustal cross-sections where performed, mainly using controlled-source seismology. In parallel, dense seismic networks were also deployed in France, Italy, and Switzerland in order to study the usually low-magnitude activity of the western Alps. Over the past 25 years, these networks have permitted to locate tens of thousands of local earthquakes. In the last two decades, local or regional tomographic studies have been conducted using subsets of this data, which substantially improved our understanding of the deep structure of the Alps.Here, and based on 36,000 seismic events, 375 stations and more than 791,000 P and S-waves arrival times, we performed a tomographic study on a 456x414 km2 area covering the western Alps. Even if most of these earthquakes occurred within the first 15 km beneath surface, a large part of the data is composed of refracted-waves, letting us insight the deep structure of the crust. The interest of such a large dataset relies on the accuracy ensured by the law of large numbers, but the unavoidable presence of outliers requires a specific approach in order to handle it. The a priori earthquake locations were computed using the LOCIN algorithm developed in this study, which is basically a grid-search algorithm combined with a probabilistic approach.Tomography of the crust and upper mantle based on travel-times analysis was conducted using the INSIGHT algorithm which was developed in this study (based on a V. Monteiller and B. Valette algorithm). Our model consists of a set of vP and vP/vS values given at each node of a three-dimensional, regularly-spaced grid, which constitutes the inversion grid. Transition between crust and mantle is modelled by a continuous change in velocity, as we do not introduce any a priori information on the Moho interface. Earthquake locations and site-effect residuals at each station (analogous to "static corrections" in seismic prospecting) are also determined in the process. The forward computation of travel times in the 3D model is performed by integrating slowness along the rays, which are determined by a finite-difference resolution of the eikonal equation. Inversion is carried out using a non-linear least-squares approach based on a stochastic description of data and model. The smoothing and damping parameters are adjusted by means of L-curves analysis.The Moho topography is determined by matching two informations: (i) the maximum of the vP gradient within this preliminary tomographic model, taken in a 7.3-7.6~km/s range and (ii) information provided by previous studies to fix Moho depth in the border area of our study zone, where our model is poorly resolved. As our tomographic model relies on a large set of refracted waves, the Moho topography we build is detailed and presents interesting new insights for the western Alps. This Moho interface is then used as an a priori discontinuity in a new tomography process. Parameters within the crust and the upper mantle are then decorrelated, letting refracted-waves to be more correctly modelled. By this approach, we are able to compute not only the first- but also the second-arrival travel-time which corresponds to the direct wave in the crust for focus-station distances greater than 100-125 km. This allows us to add more than 100,000 new data to our dataset, which of course improves the resolution in the crust.Both tomographic models, the Moho topography and the earthquake relocations provides new evidences and constraints on the deep structure of the western Alps.


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