Seismic tomography of plume-like upwellings in the French Polynesia region using Backus-Gilbert inversion
Tomographie sismique de panaches mantelliques dans la région de la Polynésie française par inversion Backus-Gilbert
Résumé
Seismic tomography models play a key role in visualizing the internal structure of the Earth. However, interpreting these models is complicated by model uncertainties and uneven resolution which, despite always existing as a concept, are rarely made available by common methods of solving large-scale tomographic problems. The recently introduced SOLA Backus-Gilbert tomographic inversion offers several advantages over standard methods: SOLA models are accompanied by resolution and uncertainty information, over whose relative weight we have direct control, and are free of averaging bias effects. These advantages make SOLA models particularly useful for tomographic-geodynamic comparisons.One motivation of this PhD thesis was to apply the SOLA tomographic scheme to surface wave data to improve the interpretation of small-scale 3D velocity anomalies imaged in the Pacific upper mantle. First I applied the SOLA inversion within the framework of ray theory and this led me to propose an interpretation workflow that accounts for model uncertainties and resolution. This first approach suffered from several limitations, including that it could only produce two-dimensional models at discrete depths, so then I applied the SOLA inversion within the framework of finite frequency theory, which enabled the resulting tomographic model to be fully three-dimensional. Since this second approach had never been tried before for surface-wave data, I applied it to a fully synthetic case, while constructing a real data-set on which I will apply the same technique in the near future.Overall, I have demonstrated that the SOLA inversion can be beneficial to surface wave tomographic experiments: once the tomographic model is obtained, model uncertainties help to highlight statistically significant features and model resolution allows to spot spatial artifacts.
Notre compréhension de la dynamique de la Terre repose sur l'imagerie de sa structure interne par la tomographie sismique. Cependant, le manque de contrôle et d'information sur la résolution et les incertitudes des modèles compliquent leur interprétation. Dans ce contexte, l'inversion SOLA-Backus-Gilbert récemment introduite en tomographique sismique offre certains avantages sur les inversions classiques : meilleur contrôle et production systématique de la résolution et des incertitudes. Ces avantages s'avèrent particulièrement utiles pour comparer les modèles tomographiques aux prédictions géodynamiques.Une des motivations de cette thèse est d'appliquer l'inversion SOLA à la tomographie en ondes de surface pour améliorer l'interprétation d'hétérogénéités tri-dimensionelles imagées dans le manteau supérieur du Pacifique. J'applique d'abord l'inversion SOLA dans le cadre simple de la théorie des rais. Je propose alors une démarche qui intègre l'information sur la résolution et les incertitudes pour interpréter le modèle. Cependant, cette première approche souffre de certaines limitations. En particulier l'inversion ne produit que des modèles 2D à profondeurs discrètes. J'applique donc l'inversion SOLA dans le cadre d'une théorie plus élaborée, dite fréquence-finie, pour produire un modèle 3D. Je commence par un cas synthétique pour évaluer la robustesse et le potentiel de cette approche. L'application à des données réelles sera l'étape suivante.En conclusion, j'ai appliqué l'inversion SOLA à la tomographie en ondes de surface pour mieux contrôler la résolution et les incertitudes des modèles du manteau supérieur ; puis j'ai montré comment les incertitudes et la résolution des modèles obtenus aident à identifier les hétérogénéités statistiquement significatives et les potentiels artéfacts.
Origine : Version validée par le jury (STAR)