Detection, analysis, and removal of glitches from InSight's seismic data from Mars

The instrument package SEIS (Seismic Experiment for Internal Structure) with the three very broadband and three short‐period seismic sensors is installed on the surface on Mars as part of NASA's InSight Discovery mission. When compared to terrestrial installations, SEIS is deployed in a very harsh wind and temperature environment that leads to inevitable degradation of the quality of the recorded data. One ubiquitous artifact in the raw data is an abundance of transient one‐sided pulses often accompanied by high‐frequency spikes. These pulses, which we term “glitches”, can be modeled as the response of the instrument to a step in acceleration, while the spikes can be modeled as the response to a simultaneous step in displacement. We attribute the glitches primarily to SEIS‐internal stress relaxations caused by the large temperature variations to which the instrument is exposed during a Martian day. Only a small fraction of glitches correspond to a motion of the SEIS package as a whole caused by minuscule tilts of either the instrument or the ground. In this study, we focus on the analysis of the glitch+spike phenomenon and present how these signals can be automatically detected and removed from SEIS's raw data. As glitches affect many standard seismological analysis methods such as receiver functions, spectral decomposition and source inversions, we anticipate that studies of the Martian seismicity as well as studies of Mars' internal structure should benefit from deglitched seismic data.Centre National d'Etudes Spatiales (CNES)Swiss SpaceOffice (SSO)Agence Nationale de la RechercheDLR German Space AgencyInSight PSP progra

Deformation and seismic anisotropy beneath continental transform plate boundaries

Le travail réalisé pendant cette thèse a permis d'apporter de nouvelles contraintes sur le développement et la distribution de la déformation dans le manteau supérieur et plus particulièrement au niveau des grandes limites de plaques décrochantes. Grâce à l'apport de l'expérience USArray et d'une dizaine d'années d'enregistrements sismologiques supplémentaires, nous avons pu étudier, de manière précise, les variations d'anisotropie dans le voisinage de la Faille de San Andreas. Nous avons confirmé et étendu l'observation de deux couches anisotropes sous cette limite de plaque. On y observe une première couche localisée dans la lithosphère marquant la déformation induite à la limite de plaque, et une autre, asthénosphérique, cohérente avec l'anisotropie observée loin de la faille et d'origine plus discutée. Nous avons montré que la zone de déformation associée aux failles de San Andreas, Calaveras et d'Hayward a, vraisemblablement, une largeur d'au moins 40 kilomètres en base de lithosphère, sous chacune de ces failles. Nous avons ensuite procédé à la modélisation thermomécanique (ADELI) de la migration d'une limite de plaques décrochante couplée à une modélisation du développement de fabriques cristallographiques par une approche viscoplastique auto-cohérente (VPSC). Ceci nous a permis d'y observer le développement de la déformation et les conséquences des possibles interactions entre la déformation décrochante en surface et le cisaillement en base de lithosphère dû au déplacement horizontal des plaques. Les propriétés élastiques déduites des fabriques cristallographiques modélisées montrent que de telles interactions existent et provoquent, sous la limite de plaques, une rotation des orientations cristallographiques avec la profondeur. Le signal associé à ces rotations progressives n'est toutefois pas cohérent avec la présence de deux couches d'anisotropie comme proposée sous la faille de San Andreas. Nous pensons par conséquent qu'il existe, sous la Californie, une zone de découplage entre la lithosphère et l'asthénosphère, permettant d'individualiser une déformation lithosphérique d'une déformation asthénosphérique. Nous estimons, en outre, que l'anisotropie observée dans l'asthénosphère sous la Californie ne peut être expliquée seulement par le cisaillement induit par le déplacement de la lithosphère Nord Amérique. En effet, les propriétés anisotropes obtenues par modélisation à partir d'une plaque se déplaçant dans une direction et une vitesse proche de celle de la plaque Amérique du Nord montrent qu'on ne peut espérer guère plus que quelques dixièmes de seconde de délai au bout de 10 Ma de déplacement. Les déphasages mesurés en Californie étant de l'ordre de 1,5 s, il est donc nécessaire d'invoquer la présence d'écoulements mantelliques actifs sous cette régionThis work provides new constraints on the development and on the distribution of the deformation in the upper mantle and particularly beneath transform plate boundaries. USArray experiment and the remarkable increase of the dataset in California for the past ten years allowed us to scrutinize the lateral variations of the anisotropy in the vicinity of the San Andreas Fault zone. We have confirmed and increased the detection of two layers of anisotropy beneath this plate boundary. The first layer, located in the lithosphere, is related to the deformation induced at the fault, and the other one, located in the asthenosphere, is coherent with the anisotropy observed far from it, its origin is however less clear. We show that the deformation zone associated both to the San Andreas, Calaveras and Hayward Faults, is likely 40 km wide at 70 km depth. We then performed numerical thermomechanical modeling (ADELI) of the displacement of a transform plate boundary associated with the computation of the development of crystallographic fabrics using a viscoplastic self-consistent approach (VPSC). We analyzed the distribution of the deformation in the model ant looked after the possible interactions at depth between deformation caused at surface by the strike-slip dynamic of the fault and the shearing at the base of the lithosphere caused by the horizontal displacement of the plates. Elastic properties derived from the crystallographic fabrics modeled, show that such interactions exist and induce, beneath the fault zone, a progressive rotation of the crystallographic fabrics with depth. Seismological signature of these smooth rotations is however not relevant with the presence of two anisotropic layers as proposed beneath California. We thus consider that a decoupling zone exists between the lithosphere and the asthenosphere beneath the California to account for the sharp separation between a lithospheric and an asthenospheric deformation. We furthermore estimate that anisotropy observed far form the San Andreas Fault in California cannot be explained only by the drag of the asthenosphere by the North America lithosphere as proposed in our article. Indeed, we can only expect few tenths of second of splitting delay from the anisotropic properties derived from the numerical modeling of a plate moving in the same direction and in the same velocity than the North American lithosphere only for 10 Ma of displacement. As delays observed in California rather reach 1.5 s, anisotropy in this region thus requires the existence of an active asthenospheric flow to be explained

Déformation et anisotropie sismique sous les frontières de plaques décrochantes en domaine continental

Le travail réalisé pendant cette thèse a permis d'apporter de nouvelles contraintes sur le développement et la distribution de la déformation dans le manteau supérieur et plus particulièrement au niveau des grandes limites de plaques décrochantes. Grâce à l'apport de l'expérience USArray et d'une dizaine d'années d'enregistrements sismologiques supplémentaires, nous avons pu étudier, de manière précise, les variations d'anisotropie dans le voisinage de la Faille de San Andreas. Nous avons confirmé et étendu l'observation de deux couches anisotropes sous cette limite de plaque. On y observe une première couche localisée dans la lithosphère marquant la déformation induite à la limite de plaque, et une autre, asthénosphérique, cohérente avec l'anisotropie observée loin de la faille et d'origine plus discutée. Nous avons montré que la zone de déformation associée aux failles de San Andreas, Calaveras et d'Hayward a, vraisemblablement, une largeur d'au moins 40 kilomètres en base de lithosphère, sous chacune de ces failles. Nous avons ensuite procédé à la modélisation thermomécanique (ADELI) de la migration d'une limite de plaques décrochante couplée à une modélisation du développement de fabriques cristallographiques par une approche viscoplastique auto-cohérente (VPSC). Ceci nous a permis d'y observer le développement de la déformation et les conséquences des possibles interactions entre la déformation décrochante en surface et le cisaillement en base de lithosphère dû au déplacement horizontal des plaques. Les propriétés élastiques déduites des fabriques cristallographiques modélisées montrent que de telles interactions existent et provoquent, sous la limite de plaques, une rotation des orientations cristallographiques avec la profondeur. Le signal associé à ces rotations progressives n'est toutefois pas cohérent avec la présence de deux couches d'anisotropie comme proposée sous la faille de San Andreas. Nous pensons par conséquent qu'il existe, sous la Californie, une zone de découplage entre la lithosphère et l'asthénosphère, permettant d'individualiser une déformation lithosphérique d'une déformation asthénosphérique. Nous estimons, en outre, que l'anisotropie observée dans l'asthénosphère sous la Californie ne peut être expliquée seulement par le cisaillement induit par le déplacement de la lithosphère Nord Amérique. En effet, les propriétés anisotropes obtenues par modélisation à partir d'une plaque se déplaçant dans une direction et une vitesse proche de celle de la plaque Amérique du Nord montrent qu'on ne peut espérer guère plus que quelques dixièmes de seconde de délai au bout de 10 Ma de déplacement. Les déphasages mesurés en Californie étant de l'ordre de 1,5 s, il est donc nécessaire d'invoquer la présence d'écoulements mantelliques actifs sous cette régionThis work provides new constraints on the development and on the distribution of the deformation in the upper mantle and particularly beneath transform plate boundaries. USArray experiment and the remarkable increase of the dataset in California for the past ten years allowed us to scrutinize the lateral variations of the anisotropy in the vicinity of the San Andreas Fault zone. We have confirmed and increased the detection of two layers of anisotropy beneath this plate boundary. The first layer, located in the lithosphere, is related to the deformation induced at the fault, and the other one, located in the asthenosphere, is coherent with the anisotropy observed far from it, its origin is however less clear. We show that the deformation zone associated both to the San Andreas, Calaveras and Hayward Faults, is likely 40 km wide at 70 km depth. We then performed numerical thermomechanical modeling (ADELI) of the displacement of a transform plate boundary associated with the computation of the development of crystallographic fabrics using a viscoplastic self-consistent approach (VPSC). We analyzed the distribution of the deformation in the model ant looked after the possible interactions at depth between deformation caused at surface by the strike-slip dynamic of the fault and the shearing at the base of the lithosphere caused by the horizontal displacement of the plates. Elastic properties derived from the crystallographic fabrics modeled, show that such interactions exist and induce, beneath the fault zone, a progressive rotation of the crystallographic fabrics with depth. Seismological signature of these smooth rotations is however not relevant with the presence of two anisotropic layers as proposed beneath California. We thus consider that a decoupling zone exists between the lithosphere and the asthenosphere beneath the California to account for the sharp separation between a lithospheric and an asthenospheric deformation. We furthermore estimate that anisotropy observed far form the San Andreas Fault in California cannot be explained only by the drag of the asthenosphere by the North America lithosphere as proposed in our article. Indeed, we can only expect few tenths of second of splitting delay from the anisotropic properties derived from the numerical modeling of a plate moving in the same direction and in the same velocity than the North American lithosphere only for 10 Ma of displacement. As delays observed in California rather reach 1.5 s, anisotropy in this region thus requires the existence of an active asthenospheric flow to be explained.MONTPELLIER-BU Sciences (341722106) / SudocSudocFranceF

Multiple-frequency tomography of the upper mantle beneath the African/Iberian collision zone

During the Cenozoic, the geodynamics of the western Mediterranean domain has been characterized by a complex history of subduction of Mesozoic oceanic lithosphere. The final stage of these processes is proposed to have led to the development of the Calabria and Gibraltar arcs, whose formation is still under debate. In this study, we take advantage of the dense broad-band station networks now available in the Alborán Sea region, to develop a high-resolution 3-D tomographic P velocity model of the upper mantle beneath the African/Iberian collision zone that will better constraint the past dynamics of this zone. The model is based on 13200 teleseismic arrival times recorded between 2008 and 2012 at 279 stations for which cross-correlation delays are measured with a new technique in different frequency bands centred between 0.03 and 1.0 Hz, and for the first time interpreted using multiple frequency tomography. Our model shows, beneath the Alborán Sea, a strong (4 per cent) fast vertically dipping anomaly observed to at least 650 km depth. The arched shape of this anomaly, and its extent at depth, are coherent with a lithospheric slab, thus favouring the hypothesis of a westward consumption of the Ligurian ocean slab by roll-back during Cenozoic. In addition to this fast anomaly in the deep upper mantle, high intensity slow anomalies are widespread in the lithosphere and asthenosphere beneath Morocco and southern Spain. These anomalies are correlated at the surface with the position of the Rif and Atlas orogens and with Cenozoic volcanic fields. We thus confirm the presence, beneath Morocco, of an anomalous (hot?) upper mantle, but without clear indication for a lateral spreading of the Canary plume to the east.The Morocco M¨unster project was funded under grant DFG TH1530/5-1. The deployment and data processing for Spanish stations was funded by Consolider-Ingenio 2010 project TOPOIBERIA (CSD2006-00041) as well as ALERT-ES (CGL2010- 19803-C03-02). This research is supported by the European Research Council (Advanced grant 226837). The figures were produced using the Generic Mapping Tools (GMT) software (Wessel & Smith 1998; Wessel et al. 2013).Peer reviewe

New CNN based tool to discriminate anthropogenic from natural low magnitude seismic events

International audienceWith the deployment of high quality and dense permanent seismic networks over the last 15 years comes a dramatic increase of data to process. In order to lower the threshold value of magnitudes in a catalogue as much as possible, the issue of discrimination between natural and anthropogenic events is becoming increasingly important. To achieve this discrimination, we propose the use of a convolutional neural network (CNN) trained from spectrograms. We built a database of labeled events detected in metropolitan France between 2020 and 2021 and trained a CNN with three-component 60 s spectrograms ranging frequencies from 1 to 50 Hz. By applying our trained model on independent French data, we reach an accuracy of 98.2 per cent. In order to show the versatility of the approach, this trained model is also applied on different geographical areas, a post-seismic campaign from NW France and data from Utah, and reaches an accuracy of 100.0 per cent and 96.7 per cent respectively. These tests tend to hypothesise that some features due to explosions compared to earthquakes are widely shared in different geographical places. In a first approach, we propose that it can be due to a contrast in the energy balance between natural and anthopogenic events. Earthquake seismic energies seem to be more continuous as a function of frequency (vertical bands features in a spectrogram) and conversely for explosions (horizontal strips)

Discrimination entre événements naturels et anthropiques basée sur le Deep Learning

L'un des principaux défis dans l'élaboration d'un catalogue d'événements de faible amplitude est la discrimination entre les événements naturels (événements tectoniques) et les événements anthropiques (causés par les activités humaines). Pour parvenir à une discrimination automatique, une méthode basée sur du Deep Learning a été développée : grâce à une base de données suffisamment importante, des algorithmes d'intelligence artificielle peuvent s'entraîner à reconnaitre des objets naturels et prendre des décisions. Les spectrogrammes de formes d'ondes sismiques ont été choisis pour constituer cette base de données

Seismic Station Monitoring Using Deviation from the Gaussianity

International audienceAbstract Degradation of the seismic signal quality sometimes occurs at permanent and temporary stations. Although the most likely cause is a high level of humidity, leading to corrosion of the connectors, environmental changes can also alter recording conditions in different frequency ranges and not necessarily for all three components in the same way. Assuming that the continuous seismic signal can be described by a normal distribution, we present a new approach to quantify the seismogram quality and to point out any time sample that deviates from this Gaussian assumption. We introduce the notion of background Gaussian signal (BGS) to characterize a set of samples that follows a normal distribution. The discrete function obtained by sorting the samples in ascending order of amplitudes is compared with a modified Probit function to retrieve the elements composing the BGS, and its statistical properties (mostly its standard deviation σ$_G$). As soon as there is any amplitude perturbation, σ$_G$ deviates from the standard deviation of all samples composing the time window (σ). Hence, the parameter log(σ/σ$_G$) directly quantifies the alteration level. For a single day, a given frequency range and a given component, the median of all log(σ/σ$_G$) that can be computed using short-time windows, reflects the overall gaussianity of the continuous seismic signal. We demonstrate that it can be used to efficiently monitor the quality of seismic traces using this approach at four broadband permanent stations. We show that the daily log(σσG) is sensitive to both subtle changes on one or two components as well as the signal signature of a sensor’s degradation. Finally, we suggest that log(σσG) and other parameters that are computed from the BGS bring useful information for station monitoring in addition to existing methods

L'instrumentation sismologique large-bande dans l'ouest de la France métropolitaine

National audienceBien qu'en contexte géologique intracontinental et de marge passive, l'Ouest de la France métropolitaine (depuis la Charente jusqu'à la Bretagne et la Normandie) est actuellement caractérisé par une sismicité constante et modérée. Du point de vue historique, la base nationale de données macrosismiques SisFrance y recense 237 événements tectoniques, correspondant à près d'un quart de la sismicité historique métropolitaine, dont une dizaine d'intensité maximale supérieure ou égale à 7 (MSK)