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La Polarisation des ondes P - Application à Tahiti

Anisotropie et ondes P

Exemple de polarisation d'une onde P montrant une claire obliquité avec la direction radiale. Station TAM, Tamanrasset, Algérie. Les temps de propagation des ondes P peuvent permettre de caractériser l’anisotropie dans une structure donnée, depuis l’échelle décimétrique lors de mesures directes sur échantillon en laboratoire (Kern, 1990) jusqu’à l’échelle de la centaine de km, en utilisant les temps de propagation des ondes Pn par exemple, et ce aussi bien en domaine océanique (Hess, 1964), que continental (Judenherc et al., 1999). Cette méthode nécessite d’effectuer des observations selon de nombreux azimuts. Elle se retrouve confrontée au niveau des observations aux limitations de couverture azimutales liées aux localisations respectives des sources sismiques et des stations d’enregistrement et au niveau des interprétations aux effets respectifs des hétérogénéités et de l’anisotropie.

L’observation de la déviation de la polarisation des ondes P par rapport à leur direction de propagation est une façon d’effectuer une mesure de l’anisotropie à l’aide d’une seule station. Dans un milieu isotrope, l’onde P est en effet polarisée parallèlement à sa direction de propagation. En milieu anisotrope, ce n’est pas le cas. L’onde P, appelée alors quasi-P n’est plus polarisée parallèlement à la direction de propagation (Crampin et al., 1982). Il existe dans ce cas un angle (faible) entre la direction de propagation (direction radiale) et la direction de polarisation (figure 24). La simple présence de cet angle n’est pas la preuve d’anisotropie puisqu’une telle déviation peut être engendrée par des hétérogénéités sous la station mais l’analyse statistique de cette déviation pour des séismes provenant d’azimuts variables peut ensuite être confrontée à des modèles d’anisotropie.

Ppol events at station PPTL, Tahiti P deviations observed at station PPTL

Polarisation des ondes P à Tahiti

Dans l’exemple ci-contre (Fontaine et al., 2009), sont représentés les 130 événements qui ont été utilisés pour effectuer les mesures de polarisation des ondes P à la station PPTL à Tahiti. On peut noter que la couverture azimuthale est de bonne qualité. Le diagramme déviation=f(backazimuth) représente les mesures réelles de la déviation des ondes P en fonction de la direction d’arrivée du séisme. Les 130 mesures individuelles ont été moyennées par fenetres de 20° (en vert). En noir sont représentées les variations théoriques du meilleur modèle à 2 couches anisotropes (ici une couche lithosphérique avec un axe rapide orienté EW et une couche asthénospherique avec un axe rapide orienté NW-SE). Les points rouges indiquent les déviations observées pour des séismes tsunamigéniques. La déviation mesurée qui est utilisée pour localiser les événements dans les systèmes mono-station (type TREMORS) indiquent des différences allant jusqu’à 10°, ce qui peut générer des erreur de localisation importantes à des distances régionales ou télésismiques. Ce travail indique donc qu’il est donc important de prendre en compte l’anisotropie dans la localisation en temps réel des séismes dans la surveillance des tsunamis.

Résolution verticale des ondes P

Cette méthode a l’intérêt d’avoir une certaine résolution verticale. La polarisation des ondes P n’est pas intégrée le long du rai sismique mais est une propriété "instantanée". La déviation observée à une station sismologique représente donc la déviation acquise lors de la dernière période de l’onde P. Par des filtrages adéquats, il peut donc être possible de mesurer cette déviation pour différentes périodes dominantes du signal, et donc pour des profondeurs d’échantillonnages variables (allant de la croûte supérieure à haute fréquence jusqu’à l’asthénosphère pour un signal longue période). Ceci permet d’obtenir des informations sur la distribution verticale de l’anisotropie sous la station, et donc combler parfaitement la limitation existant dans l’utilisation des ondes SKS qui n’ont pas de résolution verticale.

Incidences des ondes P et complémentarité avec les SKS

Coupe interprétative de l'anisotropie sous l'île de TahitiLe deuxième intérêt de cette méthode est qu’elle échantillonne le manteau sous la station avec une incidence plus forte que celle des SKS. En effet, les ondes SKS arrivent à la station avec une incidence inférieure à 15° alors que les ondes P, pour les distances comprises entre 20 et 100° arrivent à des incidences comprises respectivement entre 40 et 20° (figure 25). Cette propriété implique que ces ondes P vont échantillonner le manteau supérieur non pas à l’aplomb de la station comme les SKS, mais avec un certain offset latéral. Cette propriété est particulièrement intéressante à exploiter aux stations installées dans les îles océaniques, comme le montre l’exeple ci-dessus de l’ïle de Tahiti. En effet, ces stations sont parfois caractérisées par une apparente isotropie des ondes SKS, comme à Tahiti (Fontaine et al. 2007) ou bien dans l’océan indien (Barruol et Hoffmann, 1999). Cette apparente isotropie pourrait être dûe à l’effet perturbateur du point chaud sur le manteau à la verticale de la station. Cette technique permet d’échantillonner le manteau à des distances latérales de l’ordre de 50 à 100 km suivant les périodes choisies, ce qui pourrait permettre d’observer le manteau non affecté par les points chauds et donc de distinguer la structure originelle de ce manteau de celle affectée par le point chaud. Dans le cas de Tahiti, les ondes SKS indiquent donc une apparente isotropie du manteau (le long de la direction verticale) mais les ondes P mettent clairement en évidence une anisotropie à 2 couches, tout à fait compatibles avec les autres mesures d’anisotropie (ondes de surface en particulier, voir Maggi et al., 2006), indiquant donc que

References et liens :

Fontaine, F R, Barruol, G , Kennett, B L, Bokelmann, G., Reymond, D. Earthquake location and Upper mantle deformation in Australia and Tahiti from P-wave polarization, 2009, J. Geophys. res., 114, B03306, doi:10.1029/2008JB005709. -

Barruol, G., and R. Hoffmann (1999), Seismic anisotropy beneath the Geoscope stations from SKS splitting, J. Geophys. Res., 104, 10757-10774 -.

Fontaine, F. R. (2005), Anisotropie et atténuation sismique en domaine océanique : application aux panaches mantelliques de la Polynésie française et des Galapagos, Thèse de Doctorat, 243 pp, Université Montpellier II, Montpellier.

Fontaine, F., G. Barruol, A. Tommasi, and G. H. R. Bokelmann (2007)-. Upper mantle flow beneath French Polynesia from shear-wave-splitting, Geophys. J. Int., 170, 1262-1288, doi:1210.1111/j.1365-1246X.2007.03475.x. -

Maggi, A., Debayle, E., Priestley, K. & Barruol, G., 2006. Azimuthal anisotropy of the Pacific region, Earth Planet. Sci. Lett., 250, 53-71, doi:10.1016/j.epsl.2006.07.010. -

Maggi, A., Debayle, E., Priestley, K. & Barruol, G., 2006. Multi-mode surface waveform tomography of the Pacific ocean : a closer look at the lithopsheric cooling signature, Geophys. J. Int., 166, 1384-1397, doi:10.1111/j.1365-246X.2006.03037.x. -

http://www.rses.anu.edu.au/research/annrep/ar2006/ep/seismology/index.php?p=fontaine