Modélisation bidimensionnelle de la croûte terrestre en vitesse et atténuation des ondes sismiques : implications géodynamiques pour les Alpes occidentales
Résumé
Les structures profondes et les minéralisations qui y sont éventuellement associées ne peuvent prendre toute leur signification sans une étude détaillée de la croûte terrestre. On est maintenant en possession, depuis le dernier quart de siècle, d'une bonne image de celle-ci ainsi que du manteau supérieur, image à laquelle la sismologie expérimentale, avec les sondages sismiques profonds, a apporté une contribution décisive. Il est désormais possible de mettre en évidence non seulement des discontinuités intracrustales, mais aussi des hétérogénéités de la croûte inférieure et des failles profondes qui sont des sources potentielles de courants ascendants entraînant des minéralisations diverses.L'étude de la croûte terrestre a donc une importance économique considérable. Bien que les méthodes d'interprétation de sondages sismiques profonds soient désormais bien développées, on pouvait s'interroger sur les limites de celles-ci. Tire-t-on vraiment tout le profit possible des données de sismologie expérimentale, acquises sur le terrain au prix d'une logistique souvent importante? Ce travail est en fait une réflexion sur deux problèmes liés à une meilleure rentabilisation de ces données. Dans une première partie, consacrée à la modélisation bidimensionnelle de la croûte, on passe d'abord en revue les différentes possibilités de faire varier les paramètres sismiques de la croûte, non seulement verticalement, mais encore horizontalement. La formulation mathématique du tracé des rais sismiques dans un tel milieu inhomogène est également abordée: on aboutit à une relation entre la courbure du rai et sa position par rapport au gradient local de la vitesse sismique. On examine plus en détail une modélisation de la croûte par des interfaces polygonales qui délimitent des couches à gradient de vitesse constant. Cette modélisation est utilisée au second chapitre dans une application aux Alpes Occidentales. On met d'abord en évidence un enfoncement rapide du socle antétriasique et plus ancien qui forme une fosse péri-alpine longeant les Massifs Cristallins Externes. Sous Grenoble et le Sud du Lac d'Annecy, on trouve une épaisseur de sédiments post-paléozoïques de dix kilomètres environ. On montre de plus que la croûte a une structure totalement différente sous les chaînes subalpines septentrionales et sous la partie interne de l'arc alpin .. Dans le premier cas, elle présente des réflecteurs intermédiaires bien marqués qui plongent vers l'intérieur de l'arc à 30° environ alors que dans le second cas, aucune stratification n'apparaît clairement. On met en évidence, sous les Massifs Cristallins Externes, une zone à moindre vitesse centrée sur quinze kilomètres de profondeur et l'on interprète ce schéma structural comme l'expression d'un chevauchement crustal, la croûte supérieure intra-alpine pouvant se décoller de la croûte inférieure au niveau de cette zone à moindre vitesse. La signification physique de telles inversions de vitesse intracrustales est aussi abordée: elles n'apparaissent peut - étre que dans les régions tectoniques actives, là où les densités de dislocations intracristallines sont élevées. Enfin, après avoir examiné le mécanisme au foyer du séisme de Faverges (02.12.80), nous présentons en guise de conclusion un schéma d'évolution tectonique du Sud-Est de la France. Il fait ressortir l'importance d'une ligne SW-NE, mise en évidence par la sismologie expérimentale et la sismicité régionale mais confirmant les déductions géologiques, qui aurait joué un rôle essentiel dans la surrection des Massifs Cristallins Externes. La seconde partie de ce travail porte sur l'atténuation des ondes sismiques dans la croûte supérieure, également sur des bases de sondages sismiques profonds. Après avoir émis un certain nombre d'hypothèses pour pouvoir modéliser la croute aussi bien en vitesse qu'en anélasticité, nous présentons les inconvénients liés à certains modèles, notamment lorsque le gradient de vitesse est discontinu. Au chapitre suivant, le "facteur de qualité", qui caractérise l'atténuation est introduit dans un modèle stratifié avec une variation linéaire de l'atténuation en profondeur. On montre que l'amplitude des ondes émergentes peut encore étre calculée analytiquement. On présente ensuite les difficultés auxquelles on se heurte quand on veut lisser la loi de vitesse pour éliminer les discontinuités de gradient. En sus des lissages classiques par splines cubiques, nous proposons un lissage par splines exponentielles qui présente l'avantage d'élimfner définitivement tout point d'inflexion indésirable. Le troisième chapitre est consacré à l'évaluation des intégrales du rai dans le cas d'une variation continue au second ordre de la vitesse dans le milieu et d'une variation continue à l'ordre zéro du facteur de qualité. Deux procédés -numérique et analytique- sont successivement présentés. On expose enfin au dernier chapitre une méthode itérative d'inversion qui à partir des amplitudes de l'onde Pg (propagée dans la croute supérieure) observées à différentes distances le long d'un profil, donne une image détaillée de l'atténuation en fonction de la profondeur jusqu'à sept kilomètres environ. Cette méthode, plus exacte que celles utilisées précédemment, fournit des valeurs relativement élevées du facteur de qualité qui pourraient avoir des répercussions au niveau du calcul du risque sismique.
pas de résumé