Apport des techniques de fonctions récepteur Ps et de phases précurseurs de SS à l'imagerie du manteau supérieur

par Benoît Tauzin

Thèse de doctorat en Sismologie

Sous la direction de Eric Debayle et de Gérard Wittlinger.

Soutenue en 2009

à Strasbourg .

mots clés

• Imagerie sismique
• Ondes sismiques

Résumé

Cette thèse a pour objectif l'étude des discontinuités sismiques de la zone de transition à l'échelle de la Terre. Les profondeurs absolues des discontinuités et l'épaisseur de la zone de transition sont obtenues en analysant les temps d'arrivées d'ondes de volume converties et réfléchies aux discontinuités. Les conversions d'ondes P en ondes S (Pds) sont extraites de la coda de l'onde P en appliquant la technique des fonctions récepteurs. La base de données constituée pour ce type de phases sismiques est à ce jour la plus complète au monde avec des mesures de l'épaisseur de la zone de transition sous 167 stations sismologiques du réseau mondial. Les phases précurseurs de SS (SdS) sont des réflexions d'ondes S sous les discontinuités. Elles échantillonnent la zone de transition sous l'ensemble de la surface du globe terrestre, y compris dans les régions océaniques dépourvues de stations sismologiques. Les cartes de l'épaisseur de la zone de transition obtenues à partir des deux types de phases sismiques sont en meilleur accord mutuel que dans les études antérieures. Nous observons des variations significatives de l'épaisseur de la zone de transition dans des régions a priori éloignées des panaches mantelliques et des subductions actives. Les subductions fossiles (e. G. La plaque Farallon sous le continent nord-américain) pourraient contribuer de manière significative à l'apport d'hétérogénéités d'origines thermiques ou chimiques dans la zone de transition. La zone de transition apparaît généralement épaissie sous les zones de subductions actives. Cet épaississement est compatible avec des anomalies de température comprises entre -100 et -300°K. Sous certains points chauds, nous observons un amincissement de la zone de transition compatible avec des anomalies de température modérées (+100°K). Sous les autres points chauds, nous n'observons pas d'amincissement significatif de la zone de transition. En utilisant un modèle tomographique récent construit à l'EOST et comptant parmi les mieux résolus à l'heure actuelle, nous avons corrigé des variations latérales des vitesses sismiques au-dessus de la zone de transition afin d'accéder aux profondeurs absolues des discontinuités. La comparaison des topographies obtenues à partir des phases Pds et SdS suggère que la topographie de la "660" est dominée par des effets de température aux grandes longueurs d'ondes. La topographie de la "410" pourrait être perturbée par des hétérogénéités à plus courte longueur d'onde, probablement d'origine chimique. L'absence d'amincissement de la zone de transition observée sous certains points chauds est associée en apparence à un approfondissement simultané de la "410" et de la "660". L'approfondissement de la "410" est compatible avec des anomalies de température comprises entre +100 et +300°K. La topographie de la "660" pourrait être moins sensible à la température dans les régions chaudes du manteau, ce qui serait compatible avec l'effet de la transition de phase du grenat majorite à la profondeur de 660~km. En plus des signaux majeurs associés à la "410" et à la "660", nos données révèlent la présence d'autres discontinuités. La "220" et la "520" observées dans un grand nombre d'études précédentes apparaissent comme de faibles réflecteurs dans les données de SdS. Nous confirmons l'existence d'une couche à faible vitesse au dessus de la "410" sous un grand nombre de stations sismologiques. Cette couche pourrait être associée à la présence de fusion partielle initiée par des phénomènes de déshydratation des roches du manteau au-dessus de la "410".

Titre traduit

Imaging the earth upper mantel with P to S receiver functions and SS-precursors

Résumé

In this Ph. D. , we perform a global study of the mantle transition zone seismic discontinuities. Converted and reflected body-waves travel-times are used to constrain both the absolute depth of the 410 and 660-km discontinuities and the mantle transition zone thickness. We apply a receiver function technique to extract the waveform of P-to-S converted waves (Pds) from the P-wave coda on seismograms. Our measurements at 167 seismological stations achieve a better global coverage of the mantle transition zone structure than previously done. SS-precursors (SdS) are underside S-wave reflections half-way between sources and receivers. The use of these seismic phases enables a better global mapping of the mantle transition structure, particularly in oceanic regions. Global mapping of the mantle transition zone thickness from these two data types gives results in better mutual agreement than in previous studies. Significant lateral variations of the transition zone thickness are observed in regions a priori distant from mantle plumes and present subduction zones. Fossil subductions (e. G. The Farallon plate under North America) could contribute to the provision of heterogeneities with thermal or chemical origins in the transition zone. The transition zone is generally thickened under active subduction zones. Observed thickening is consistent with temperature anomalies ranging between -100 and -300°K. Some hotspots are associated with a thinned transition zone, consistent with small temperature variations of +100°K. There is no clear evidence supporting a thinning of the transition zone under other hotspots. We use a recent tomographic model developped at the EOST to correct the depths of seismic discontinuities for shallow heterogeneities. This model is currently giving one of the best achieved resolution of lateral velocity variations in the upper mantle. A comparison of topographic variations obtained from Pds and SdS observations suggests that at long wavelengths, the "660" topography could be dominated by temperature effects. The "410" topography seems dominated by shorter wavelength heterogeneities with a likely chemical origin. The absence of a clear thinning of the transition zone beneath some hotspots is correlated with an apparent deepening of the "410" and the "660". Under these hotspots, topographic variations of the "410" can be explained by thermal anomalies ranging between +100°K and +300°K. The depth of the 660-km discontinuity may be less temperature sensitive in hot regions of the mantle, which is consistent with the effect of a phase transition from majorite garnet to perovskite at a depth of 660 km. We also observe signals in our datasets which are related to other discontinuities in the Earth upper mantle. The "220" and the "520" have been previously observed in a number of studies and appear as weak reflectors in our SS-precursors dataset. We confirm the existence of a low-velocity layer around 350 km depth under a large number of seismological stations. This layer could be related to incipient melting atop the "410" due to mantle rock dehydration.