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Mesure de déphasage des ondes SKS télésismiques

Trajets des ondes SKS à travers le manteau

Pour appréhender la déformation du manteau à l’aplomb d’une station sismologique, la mesure du déphasage des ondes SKS s’est extraordinairement développée cette dernière décennie. Cette méthode fut initialement développée par L. Vinnik (Vinnik et al., 1984 ; Vinnik et al., 1989) et par P. Silver (Silver et Chan, 1988 ; Silver et Chan, 1991). Les ondes SKS (mais également les autres ondes de cisaillement générées à la sortie du noyau liquide comme les ondes SKKS, PKS) ont la propriété d’être polarisées dans le plan radial à l’interface noyau-manteau inférieur. Cette onde a l’avantage d’avoir une polarisation initiale connue mais également de se propager selon une direction proche de la verticale jusqu’à la station, en particulier aux distances épicentrales comprises entre 90 et 120°, où les phases SKS sont bien individualisées par rapports aux S directes ou diffractées. Elles y arrivent avec une incidence proche ou inférieure à 15°.

Déphasage des ondes SKS lors de la traversée d'un milieu anisotrope

Lors de la traversée d’une zone anisotrope, cette onde est polarisée selon les deux plans perpendiculaires en deux ondes se propageant à des vitesses différentes. Le déphasage entre les deux ondes augmentera au fur et à mesure de leur propagation dans le milieu anisotrope. A la station, l’enregistrement du mouvement du sol selon trois composantes permet de retrouver l’orientation φ du plan de polarisation de l’onde rapide par rapport au repère géographique ainsi que le déphasage temporel δt entre les deux ondes polarisées. Bien que les techniques développées par L. Vinnik et P. Silver diffèrent dans les détails de leurs approches respectives, le principe utilisé est de tester les différents couples de paramètres (φ, δt) et de quantifier pour chacun la corrélation de la forme d’onde entre les deux ondes polarisées (Silver et Chan, 1991). En effet, les deux ondes polarisées étant issues d’une unique phase sismique avant sa pénétration dans la couche anisotrope, il est théoriquement attendu que leurs formes respectives soient similaires.
Cette technique a certains avantages indéniables mais également quelques limitations notables. Le premier avantage est que l’onde SKS a une polarisation initiale parfaitement connue, selon le plan radial (ce qui n’est pas le cas des ondes S). Le deuxième avantage est que par leur propagation sous forme d’onde de compression dans le noyau liquide, ces ondes ont "oublié" toute information sur l’anisotropie qu’elle auraient pu rencontrer lors de leur chemin descendant entre la source et le noyau externe. Enfin, grâce à leur période typiquement entre 5 et 40 secondes et à leur trajet sub-vertical, ces ondes ont une bonne résolution latérale, de l’ordre de quelques dizaines de kilomètres, révélée par des variations notables d’anisotropie observées à des stations voisines de 30 à 50 km.
L’inconvénient majeur de cette technique est son manque de résolution verticale. En effet, un déphasage observé en surface peut être acquis à n’importe quelle profondeur entre la CMB et la station. Ce n’est qu’avec des arguments indirects que l’on peut contraindre cette incertitude, en associant en particulier des arguments pétrophysiques, issus de l’étude des roches du mnanteau rfemontées à la surface par la tectonique ou le volcanisme. Dernier inconvénient, le déphasage δt mesuré en une station est dépendant de la magnitude A de l’anisotropie mais également de la longueur L du trajet anisotrope (L=(δt*Vs)/A%). Cela signifie qu’un déphasage donné peut être acquis sur une faible distance et une forte anisotropie ou inversement par une faible anisotropie sur une longue distance.