Passive seismological investigations typically image the Earth’s crust with direct P-waves or ambient noise correlation yielding S-wave information. While the first method requires local earthquakes to achieve high resolution, in the second method the depth penetration strongly depends on the recording network’s aperture.
In this thesis I develop a new inversion method and implement the related software in which teleseismic P-to-S converted waves (receiver functions) are exploited to construct a fully 3-D structural and shear-wave velocity model of the crust. This method does not require local earthquakes, nor a large aperture seismic network, but a dense array of 3-component sensors with a station spacing similar to the expected crustal thickness. This new technique is first applied to the Central Alps, a tectonically complex area where imaging in 3-D is of pivotal interest.
The new method is composed of the following main elements. (1) An accurate ray prop- agator, which respects Snell’s law in 3-D at any interface geometry, and allows P-to-S con- verted ray-paths to reach the recording station at <0.1 km accuracy. (2) A new model parameterization, with horizontally fixed but vertically flexible-position nodes, and layer- wise two velocity points defined to accommodate mapping both sharp discontinuities and gradients across layers. (3) A stochastic inversion procedure, combining simulated annealing and a pattern search algorithm, to find discontinuity depths and velocities across the crust by fitting grouped converted waves with synthetics. This inversion is performed locally for each point and its neighbours; it covers the entire study area step-wise with an overlap and at least two iterations.
The application to the Central Alps uses 20 years of high-quality data from permanent broad-band stations and from the temporary AlpArray Seismic Network. The initial model includes a Moho depth map and a 3-D P wave velocity model derived from past investigations. The 3-D inversion results at 25 km horizontal resolution provide a series of maps and cross- sections. The crustal thickness generally reflects well the roots of the Alpine orogen, and its jump between the European and Adriatic plates, including the Ivrea Geophysical Body. The lower crustal thickness is less well resolved, yet appears fairly constant. Average crustal Vp/Vs
ratios are relatively higher beneath the orogen. A low-Vp/Vs area in the European foreland correlates with lower crustal earthquakes, which we interpret as mechanical differences in rock properties, most likely inherited.
Our results are generally similar to those found by 3-D ambient noise tomography in the area. The new method inherently performs better at localizing discontinuities, and less well at imaging bulk anomalies. Thanks to sub-vertically propagating rays, our method maps the full crustal structure across the entire area of a seismic network. Future developments can incorporate joint inversions with gravity or other seismological tomography methods.
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La sismologie passive image la croûte terrestre typiquement par des ondes P directes ou des ondes S basées sur la corrélation du bruit ambiant. Si la première méthode requiert des séismes locaux pour une imagerie haute résolution, la deuxième méthode est limitée dans sa pénétration en profondeur par l’ouverture du réseau enregistrant des signaux.
Dans cette thèse je développe une nouvelle méthode d’inversion et j’implémente le logiciel correspondant pour exploiter des ondes converties P-en-S (fonctions récepteurs) pour con- struire un modèle 3-D structural et de vitesse d’onde S de la croûte. Cette méthode requiert ni séisme local, ni une grande ouverture du réseau, mais un déploiement dense de capteurs 3-composantes à un espacement comparable à l’épaisseur attendue de la croûte. La pre- mière application de cette nouvelle technique se focalise sur les Alpes Centrales, une région tectonique complexe où l’imagerie 3-D est un but important.
La nouvelle méthode se compose des éléments principaux suivants. (1) Un propagateur de rai exact, qui respecte la loi de Snell en 3-D à une géométrie d’interface quelconque, et permet aux rais convertis P-en-S d’arriver à <0.1 km de la station. (2) Un nouveau paramétrage de modèle, avec des nœuds horizontalement fixes mais verticalement flexibles, et deux points de définition des vitesses par couche pour permettre à la fois l’imagerie des discontinuités et celle des gradients dans les couches. (3) Une procédure d’inversion stochastique, combinant recuit simulé et un recherche de motifs, pour trouver la profondeur des discontinuités et des vitesses à travers la croûte en ajustant des synthétiques à des groupes d’ondes converties. Cette inversion est appliquée localement à chaque point et ses voisins, la procédure couvre toute la zone d’étude pas-à-pas avec un recouvrement et au moins deux itérations.
L’application aux Alpes Centrales utilise des données de haute qualité enregistrées sur plus de 20 ans par des stations large-bandes permanentes et par le du réseau temporaire du projet AlpArray. Le modèle initial inclut une carte de profondeur du Moho et un modèle 3-D en vitesse d’onde P d’études précédentes. Le résultat de l’inversion 3-D, à une résolution horizontale de 25 km, inclut une série de cartes et de profils. L’épaisseur de la croûte reflète bien la racine de l’orogène alpin, et le saut entre les plaques européenne et adriatique, y compris le corps d’Ivrée. L’épaisseur de la croûte inférieure est moins bien résolue mais paraît relativement constante. Le rapport Vp/Vs moyenne de la croûte est relativement plus élevé sous la chaîne. Une zone de Vp/Vs faible dans l’avant-pays européen coïncide avec des séismes dans la croûte inférieure, ce que nous interprétons comme une différence dans les propriétés mécaniques des roches, probablement héritée.
Nos résultats sont généralement similaires à ceux trouvés par tomographie 3-D du bruit ambiant dans la région. La nouvelle méthode est plus performante à localiser des discontinu- ités, et moins bien pour l’imagerie des anomalies volumétriques. Grâce aux rais sub-verticaux, notre méthode image la structure de toute la croûte sous l’ensemble du réseau sismologique. Des développements futurs peuvent inclure des inversions conjointes avec la gravimétrie ou d’autres types de tomographies sismologiques.