Migration et inversion sismique de l’expérience MASE

Application à la subduction de la plaque COCOS au Mexique central

Titre : Vers une formulation de l’inversion des formes d’onde comme une approche de fonctions récepteurs : application à la subduction de la plaque COCOS au Mexique central

Laboratoire : ISTerre

Encadrants : Jean Virieux
Romain Brossier

Collaborators : Victor Cruz-Atienza
Stéphane Operto

Phone : 04.76.63.52.54

Key words : Imagerie sismique, Zone de subduction, Mexique central, Expérience MASE, Migration.

Objectif : Une campagne a eu lieu de février 2005 à juillet 2007 dans la région du Mexique central pour mieux cerner les grandes structures tectoniques. Le déploiement de 100 stations de large bande le long d’un trajet perpendiculaire à la cote du Pacifique d’environ 550 km (Figure 1) a permis de réaliser l’imageries par fonctions récepteur en utilisant des téléséismes enregistrés (Pérez-Campos et al., 2008 ; Kim et al., 2010, Kim et al., 2012). Le réseau de stations commence sur la cote à la ville d’Acapulco, localisée dans la partie est du gap sismique de Guerrero, où des séismes silencieux ont lieu tous les quatre ans. Les enjeux sismologiques dans cette région sont très important car il s’agit du segment de la zone de subduction mesoaméricaine le plus proche à la ville de Mexico (environ 300 km), où des dégâts dévastateurs comparables à ceux provoqués par le séisme M8.1 de 1985, bien plus loin de la mégalopole, pourraient se reproduire.

Cette campagne a permis de mieux identifier les structures de la zone de subduction grâce à l’analyse des fonctions récepteur le long du reseau. Le rapport entre la composante horizontale et la composante verticale d’enregistrements télésismiques permet de d’affranchir à la fois l’effet de la source (i.e. histoire temporelle) et du trajet profond à travers le manteau, pour isoler la réponse du milieu sous le réseau d’observation lui-même (Langston, 1979 ; ).

Figure 1 Contexte téctonique dans le Mexique centrale et configuration du réseau large bande de 100 stations déployé durant l’expérience MASE (triangles violets) pour une période d’environ deux ans (Pérez-Campos et al., 2008) et par le Service Sismologique Nacional (SSN) permanentes (triangles rouges). Les séismes indiqués (beach balls) correspondent aux événement utilisés par Rocher (2012) à fin de valider des modèles de vitesse proposés dans la littérature.

Cette base de données, constituée par 155 téléseismes enregistrés et décomposés dans les directions radiales et verticales, a permis d’identifier la géométrie du Moho continental et de la plaque océanique de Cocos qui subducte l’état de Guerrero sub-horizontalement (Figure 2). Il a été aussi possible d’identifier la présence d’une couche d’ultra-faible vitesse d’environ 5 km d’épaisseur dans la croute océanique en contacte avec l’interface des plaques (Pérez-Campos et al., 2008 ; Kim et al., 2010) le long du segment où les séismes lents se produisissent (Song et al., 2009), ainsi qu’un épaississement de la croute continental sous l’arc volcanique, où la ville de Mexico est localisée.

Étant donné que la forme d’onde des fonctions récepteur (i.e. leurs amplitudes et polarités) répondent aux propriétés élastiques du milieux au-dessous des stations (e.g. contraste de vitesses sismiques à l’intérieur de la lithosphère), il est donc possible de considérer les fonction récepteur, qui correspondent aux rapports spectraux (i.e. déconvolusion) entre la composante radial (horizontale) et la composante verticale du mouvement du sol, non seulement pour identifier les interfaces en migrant les séries temporelles (e.g. Pérez-Campos et al., 2008 ; Kim et al., 2010, Kim et al., 2012) mais aussi pour reconstruire les variations des propriétés dans le milieu sous le réseau à travers des méthodes d’inversion (e.g. Cruz-Atienza et al., 2010 ; Pageot et al., 2012).

Figure 2 Fonctions récepteur migrées le long du réseau de stations MASE et identification de la zone de ultra-faible vitesse à l’intérieur de la plaque océanique grâce au changement de polarité des phases converties dans son interface supérieure dans l’avant-arc (Pérez-Campos et al., 2008).

On se propose d’analyser les données de ces 155 séismes en faisant le rapport des deux composantes dans le domaine des fréquences pour ensuite utiliser cette nouvelle donnée comme la donnée à ajuster en fonction des variations des paramètres du milieu. La perturbation du milieu doit être élaborée à partir du gradient de la fonction coût représentant l’écart entre la donnée et le synthétique. On devra le faire pour chaque couple de source/récepteur. Pour cela, il faudra estimer le gradient pour cette nouvelle donnée sachant que nous avons déjà procédé à une estimation de ces gradients pour chaque composante.

Des exemples synthétiques 2D permettront de valider cette estimation du nouveau gradient pour perturber le modèle initial, qui sera tiré d’une étude récente de validation de la structure continentale pour la simulation déterministe des séismes (Rocher, 2012 ; Figure 3), étude qui considère plusieurs modèles corticaux proposés dans le littérature dont le plus récent est issu de la tomographie sismique des ondes de surface le long du réseau MASE (Iglesias et al., 2009). On analysera avec attention la capacité à isoler la contribution de la source et du manteau terrestre de la contribution venant de la structure locale sous le réseau de stations.

Figure 3 Modèle de vitesses sismiques pour la croute terrestre le long du réseau MASE proposé par Rocher (2012) à partir d’une étude tomographique des ondes superficielles (Iglesias et al., 2009).

Ensuite, des images locales 2D seront réalisées par couple (séisme/station) pour la structure sous le réseau de stations grâce à cette élimination des effets de la source et de la propagation profonde, pour isoler celui venant de la structure locale (lithosphérique) sous le récepteur. Ces images 2D seront analysées pour construire un milieu 2D de subduction en faisant l’hypothèse d’une structure latéralement homogène dans la direction parallèle à la fosse mesoaméricaine qui est approximativement perpendiculaire à l’axe du réseau MASE (Figure 1). On conclura sur les possibilités de faire une réalisation en 3D.

Références

– Cruz-Atienza, V. M., A. Iglesias, J. F. Pacheco, N. M. Shapiro, and S. K. Singh (2010), Crustal structure below the valley of Mexico estimated from receiver functions, Bull. Seismol. Soc. Am., 100(6), 3304–3311, doi:10.1785/0120100051.
– Iglesias, A., R. W. Clayton, X. Pérez-Campos, S. K. Singh, J. F. Pacheco, D. García, and C. Valdés-González (2010), S wave velocity structure below central Mexico using highresolution surface wave tomography, J. Geophys. Res., 115, B06307, doi:10.1029/2009JB006332.
– Kim, Y., M. S. Miller, F. Pearce, and R. W. Clayton (2012), Seismic imaging of the Cocos plate subduction zone system in central Mexico, Geochem. Geophys. Geosyst., 13, Q07001, doi:10.1029/2012GC004033.
– Kim, Y., R.W. Clayton, and J. M. Jackson (2010), The geometry and seismic properties of the subducting Cocos plate in central Mexico, J. Geophys. Res., 115, B06310, doi:10.1029/2009JB006942.
– Langston, C. A. (1979). Structure under Mount Rainier, Washington, inferred from teleseismic body waves. J. Geophys. Res. 84, 4749–4762.
– Owens, T. J., G. Zandt, and S. R. Taylor (1984). Seismic evidence for an ancient rift beneath the Cumberland Plateau, Tennessee : A detailed analysis of broadband teleseismic P waveforms, J. Geophys. Res. 89, 7783–7795.
– Pageot, D., Imagerie de la lithosphère par inversion de formes d’onde de données télésismiques, Thèse Université de Nice-Sophia Antipolis (2012),
– Pérez-Campos, X., Y. Kim, A. Husker, P. M. Davis, R. W. Clayton, A. Iglesias, J. F. Pacheco, S. K. Singh, V. C. Manea, and M. Gurnis (2008), Horizontal subduction and truncation of the Cocos Plate beneath central Mexico, Geophys. Res. Lett., 35, L18303, doi:10.1029/2008GL035127.
Rocher, Ana (2012) Integración y evaluación de un modelo cortical de velocidades para el modelado de movimientos fuertes en la parte central de México. Thèse d’ingénieur, p.p. 181, Universidad Nacional Autónoma de México, Mexique.
– Song, T.-R. A., D. V. Helmberger, M. R. Brudzinski, R. W. Clayton, P. Davis, X. Pérez‐Campos, and S. K. Singh (2009), Subducting slab ultra‐slow velocity layer conincident with silent earthquake in southern Mexico, Science, 324, 502–506, doi:10.1126/science.1167595.