Atténuation des ondes sismiques dans la lithosphère martienne à partir des données InSight-SEIS : séparation et stratification des processus de diffusion et d'absorption

Seismic attenuation in the Martian lithosphere from InSight-SEIS data : separation and stratification of scattering and absorption processes

• Auteur / Autrice : Sabrina Menina
• Direction : Taichi Kawamura, Ludovic Margerin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la terre et de l'environnement
• Date : Soutenance le 03/04/2023
• Etablissement(s) : Université Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la terre et de l'environnement et physique de l'univers (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : UMR-Institut de physique du globe de Paris (2005-....)
• Jury : Président / Présidente : Eléonore Stutzmann
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Eléonore Stutzmann, Takuto Maeda, Laurent Stehly, Chloé Michaut, Mélanie Drilleau
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Takuto Maeda, Laurent Stehly

Mots clés

Mots clés contrôlés

Diffusion multiple (physique)

Lithosphère

Mars (planète)

Sismologie

Mots clés libres

Diffusion

Absorption

Mars

Mégarégolithe

Croûte

Scattering

Absorption

Mars

Megaregolith

Crust

Résumé

Depuis son déploiement à la surface de Mars en 2019, le sismomètre SEIS de la mission InSight a détecté des centaines d'événements sismiques à très haute fréquence (VF; > 1 Hz). Ils sont caractérisés par des arrivées P et S émergentes, un maximum étendu et une très lente décroissance énergétique nommée « coda » qui peut durer 1 heure. L'objectif de cette thèse est d'utiliser ces données sismiques pour contraindre un modèle 1D des propriétés régionales de l'atténuation de la lithosphère martienne dans le but d'estimer les caractéristiques des hétérogénéités et la teneur en volatile en fonction de la profondeur. Pour atteindre cet objectif, nous avons d'abord examiné les caractéristiques statistiques et énergétiques des signaux VF. En plus de l'équipartition d'énergie observée via la stabilisation du rapport d'énergie cinétique verticale/horizontale dans la coda, notre analyse montre que ces signaux sont globalement dépolarisés et suivent une distribution de probabilité de type gaussienne. Nous interprétons ces observations comme des conséquences directes de la diffusion multiple. Afin de caractériser la forme des enveloppes des signaux VF, nous avons mesuré le temps de montée (td) entre l'arrivée de l'onde S directe et le maximum d'énergie et le facteur de qualité de la coda (Qc), caractérisant le taux de décroissance de l'énergie. Nous avons observé que les mesures de td sont quasi-indépendantes de la fréquence, une caractéristique propre à la planète Mars, et que Qc augmente linéairement avec la fréquence et montre des valeurs intermédiaires entre la Terre et la Lune. Nous avons ensuite estimé les propriétés de l'atténuation de la lithosphère martienne. Pour cela, nous avons quantifié le facteur de qualité de diffusion (Qsc), qui contient des informations sur l'étendue des hétérogénéités et des fractures en profondeur, ainsi que le facteur de qualité d'absorption (Qmu) qui est liée à la présence de volatiles dans le milieu. Pour séparer les deux processus, nous avons modélisé les enveloppes énergétiques des sismogrammes VF par une approche de multi-diffusion. Le problème direct repose sur la théorie du transfert radiatif élastique, alors que l'inversion des paramètres combine recherche de grille et optimisation par algorithme de Levenberg-Marquardt. Dans un premier temps, nous avons appliqué notre méthode à des VF distants en considérant un milieu statistiquement uniforme (demi-espace). Cette première étude a mis en évidence des valeurs très élevées de Qmu, caractéristiques d'un milieu sec. De plus, nous avons observé une diminution rapide de l'atténuation avec la distance épicentrale, suggérant une forte stratification des propriétés du milieu. Pour aller au bout de cette hypothèse, nous avons appliqué notre méthode non seulement aux VF distants mais aussi aux impacts proches en introduisant un milieu stratifié en vitesse et en atténuation. Dans ce modèle, nous supposons qu'une couche très hétérogène repose sur un milieu transparent. Nos inversions indiquent qu'une couche fortement diffusive et globalement sèche (Qsc et Qmu de l'ordre de 50 et 3500 à 7.5 Hz) d'une épaisseur minimale de 20 km sous le site d'atterrissage d'InSight (plaines du nord) et avec des vitesses d'ondes S élevées (3 km/s) permet d'expliquer la forme des enveloppes énergétiques des impacts proches. Cependant, l'épaisseur de cette couche doit être étendue au moins jusqu'à 60 km pour pouvoir retrouver la forme des enveloppes des VF distants. La corrélation entre l'épaisseur de la couche diffusive martienne et la profondeur du Moho suggère que la source principale d'hétérogénéité est la croûte elle-même et non un mégarégolithe très épais comme c'est le cas sur la Lune. Dans ce cadre, les simulations numériques indiquent que les sources des événements VF distants sont essentiellement superficielles et localisées sur les hauts plateaux de l'hémisphère sud martien.

Since its deployment at the surface of Mars in 2019, the SEIS seismometer of the InSight mission has detected hundreds of Very high Frequency (VF; > 1 Hz) seismic events. They are characterized by emergent P and S arrivals, a broad maximum and a very slow energy decay known as "coda" that can last up to 1 hour. The objective of this thesis is to use these seismic data to constrain a 1-D model of the regional attenuation properties of the Martian lithosphere in order to estimate the characteristics of the heterogeneities and the volatile content as a function of depth. To achieve this goal, we first examined the statistical and energetic characteristics of the VF signals. In addition to the energy equipartition observed through the stabilization of the vertical/horizontal kinetic energy ratio in the coda, our analysis shows that these signals are in general depolarized and follow a Gaussian probability distribution. We interpret these observations as direct consequences of multiple scattering. In order to characterize the shape of the envelopes of the VF signals, we measured the delay time (td) between the arrival of the direct S-wave and the maximum of the energy and the quality factor of the coda (Qc), which characterizes the rate of energy decay. We observed that the td measurements are almost frequency-independent, a characteristic which distinguishes Mars from other planets. We found that Qc increases linearly with frequency and shows intermediate values between the Earth and the Moon. We subsequently estimated the attenuation properties of the Martian lithosphere. For this, we quantified the scattering quality factor (Qsc), which contains information about the heterogeneities of the medium and the extent of fractures at depth, as well as the absorption quality factor (Qmu) which is related to the presence of volatiles in the medium. To separate the two processes, we modeled the energy envelopes of the VF seismograms using a multiple-scattering approach. The direct problem is based on elastic radiative transfer theory, while the inversion combines a grid search approach with an optimization by the Levenberg-Marquardt algorithm. We first applied our method to the distant VF events by considering a statistically uniform medium (half-space). This first study revealed very high values for Qmu, which are characteristic of a dry environment. Moreover, we observed a rapid decrease of the attenuation with the epicentral distance, which we interpreted as an indication of the stratification of the medium properties. To further investigate this hypothesis, we applied our method not only to distant VFs but also to nearby impacts, in the case of a medium stratified in both velocity and attenuation. In this model, we assume that a strongly heterogeneous layer lies on top of a transparent medium. Our inversions indicate that a strongly diffusive and globally dry layer (Qsc and Qmu of the order of 50 and 3500 at 7.5 Hz) with a minimum thickness of 20 km under the InSight landing site (northern plains) and with high S-wave velocities (3 km/s) can explain the shape of the energetic envelopes of the near impacts. However, the thickness of this layer has to be extended to at least 60 km to recover the shape of the envelopes of the distant VF. The correlation between the thickness of the diffusive layer at the surface of Mars and the depth of the Moho suggests that the main source of heterogeneity is the crust itself and not a very thick megaregolith as is the case on the Moon. In this framework, the numerical simulations suggest that the sources of distant VF events are essentially superficial and localized on the southern highlands of Mars.