Bayesian inversion and wave-equation tomography using ambient noise records from dense seismological networks : 3-D lithospheric models of the Alps and the Ligurian sea

Dans le contexte tectonique complexe de la région ouest méditerranéenne, les processusdynamiques profonds impliqués dans l’orogenèse des Alpes occidentales et l’ouverture du bassind’arrière-arc liguro-provençal ne sont pas encore entièrement compris. Bien que ces régions aientété sondées par un large éventail d’études géologiques et géophysiques, il existe toujours unfossé en termes de précision entre la connaissance de la géologie de surface et la connaissancede la structure lithosphérique tridimensionnelle – cruciale pour décrire la dynamique profonde.La disponibilité des réseaux permanents européens, du réseau temporaire dense AlpArray,et d’autres réseaux temporaires, donne une opportunité unique pour réaliser des imageriessismiques 3-D haute-résolution à grande échelle afin de mieux contraindre les structures de lacroûte et du manteau supérieur sous les Alpes occidentales et sous le bassin Liguro-Provençal.En tirant profit de cette couverture sismologique exceptionnelle, nous construisons desmodèles 3-D haute-résolution de vitesse d’ondes de cisaillement à partir du bruit ambiant enutilisant des approches d’imagerie innovantes. Tout d’abord, nous réalisons une inversion probabiliste complète dans le cadre de la tomographie bruit ambiant ’classique’ à deux étapes (ANT): (i) nous calculons des cartes 2-D de vitesse de groupe d’onde de Rayleigh et leurs incertitudesdans la bande de période 4-150 s en utilisant une inversion bayésienne transdimensionnelle;(ii) en utilisant une inversion probabiliste 1-D qui tient compte des incertitudes dans la courbede dispersion locale, nous estimons à chaque localisation, à chaque profondeur, la densité deprobabilité sur les vitesses d’ondes de cisaillement et sur la présence d’interfaces. Le modèleprobabiliste Vs est ensuite affiné par une inversion linéaire. Le modèle obtenu fournit une imageà haute résolution de la subduction de la lithosphère européenne et présente un remarquableaccord avec les coupes transversales de fonction récepteur dans les Alpes occidentales.La partie marine du modèle ANT Vs , à savoir la mer Ligure, est construite après un traitement spécifique des données de stations OBS : (i) nous améliorons le contenu longue période desenregistrements bruts des OBS en éliminant les bruits électroniques et les bruits du fond marin;(ii) nous optimisons la couverture des trajets dans la mer Ligure en calculant des corrélationsitératives OBS-OBS, impliquant des stations terrestres des réseaux AlpArray et permanents.Le modèle 3-D Vs obtenu présente un remarquable accord avec les données de la sismique activele long de l’axe du bassin et apporte de nouvelles informations sur la lithologie et la naturepétrologique de la croûte océanique sous le bassin Liguro-Provençal.La deuxième étape consiste à affiner la croûte et le manteau supérieur du modèle ANT sousles Alpes et la mer Ligure. Pour ce faire, nous réalisons une tomographie par équation d’onde(WET) basée sur la modélisation numérique de la propagation élastiques et élasto-acoustiques3-D d’ondes de surface. Le modèle Vs est mis à jour itérativement en minimisant les différencesde temps de phase entre les formes d’onde observées et synthétiques dans la bande de période5-85 s. Nous appliquons un couplage fluide-solide dans la bande de période 5-20 s afin de tenircompte de l’effet de la couche d’eau sur la propagation 3-D des ondes de Rayleigh-Scholte dansle bassin Liguro-Provençal et à travers ses marges conjuguées. Le modèle 3-D Vs obtenu est demeilleure résolution, présentant de plus forts contrastes de vitesse et de nouvelles structures.Nous extrayons du modèle obtenu une carte de Moho terre-mer 3-D, dont la résolution estsupérieure à celle des cartes de Moho précédentes dans les Alpes et la mer Ligure.In the complex tectonic setting of the western Mediterranean region, the deep dynamic processes involved in the orogenesis of the western Alps and the opening of the Ligurian-Provenceback-arc basin remain not fully understood. Although these regions have been probed by abroad spectrum of geological and geophysical studies, there is still a gap in precision betweenthe knowledge of the surface geology and the knowledge of the three-dimensional lithosphericstructure – crucial for describing the deep dynamics. The availability of the European permanent networks, the dense AlpArray temporary network, and other temporary experiments, givesa unique opportunity for large-scale, high-resolution 3-D seismic imaging to further constrainthe crust and upper mantle structures beneath the western Alps and the Ligurian-Provencebasin.Taking advantage of this exceptional seismic coverage, we construct high-resolutionambient-noise 3-D shear-wave velocity models using innovative imaging approaches. First, weperform a full data-driven probabilistic inversion in the framework of the two-step ’classical’ambient-noise tomography (ANT): (i) we compute 2-D Rayleigh-wave group-velocity maps andtheir uncertainties in the period band 4-150 s using a transdimensional Bayesian inversion; (ii)using a 1-D probabilistic inversion that accounts for uncertainties in the local dispersion curve,we estimate at each location, at each depth, the probability density on shear-wave velocitiesand on the presence of interfaces. The probabilistic Vs model is further refined using a linearinversion. The resulting model provides a high-resolution image of the European lithospheresubduction and presents a striking fit with receiver-function cross-sections in the western Alps.The offshore part of the ANT Vs model, the Ligurian sea, is constructed after a specificprocessing of the OBS data: (i) we enhance the long-period content of the OBS noise recordsby correcting for transients and seabed-induced noises; (ii) we optimize the path coverage inthe Ligurian sea by computing OBS-OBS iterative correlations, involving onshore stations ofAlpArray and permanent networks. The obtained 3-D Vs model presents a striking fit withcontrolled-source seismic data along the basin axis and provides new insights on the lithologyand petrological nature of the Ligurian oceanic crust.The second step consists in refining the crust and uppermost mantle parts of the ANTmodel in the Alps and the Ligurian sea. To achieve this, we perform a wave-equation tomography (WET) based on numerical modelling of 3-D elastic and acoustic-elastic surface-wavepropagation. The velocity model is iteratively updated by minimizing the phase traveltimedifferences between the observed and synthetic waveforms in the period band 5-85 s. We applya fluid-solid coupling for waveform simulations in the 5-20 s period band to fully account forthe water-layer effect on 3-D propagation of Rayleigh-Scholte waves in the Ligurian-Provencebasin and its conjugate margins. The resulted 3-D V s model is of higher resolution, exhibitingnew features and stronger velocity contrasts. We extract an onshore-offshore 3-D Moho map,higher-resolution than the previous Moho maps in the Alps and Ligurian sea

Vers un modèle intégré des données géophysiques et géologiques des Alpes occidentales : tomographie sismique de la lithosphère alpine par corrélation de bruit ambiant

International audienceNotre objectif de long terme est de contribuer à la construction d'un géomodèle des Alpes. Ici nous présentons un modèle 3-D de la vitesse des ondes S de la lithosphère alpine obtenu par tomographie de bruit sismique ambiant. Pour ce faire, nous utilisons l'un des meilleurs jeux de données sismologiques disponibles aujourd'hui constitué de 4 ans d'enregistrements de plus de 900 stations permanentes européennes, des ~350 stations temporaires terrestres et fond de mer du projet européen AlpArray ainsi des ~110 stations des projets CIFALPS et CIFALPS2 (profils denses aux travers des Alpes occidentales). Nous tirons profit de la qualité de ce jeu de données pour mettre en place une méthode innovante permettant de construire des cartes de vitesse de groupe probabiliste en 4s et 150s de période à partir d'une inversion 2-D Transdimensionelle hiérarchique (Bodin et Sambridge, 2009). Pour tenir compte de la non-linéarité du problème inverse, nous avons combiné cette méthode avec la Fast Marching Methode (Rawnilson et Sambridge, 2005). Nous construisons le modèle Vs 3D probabiliste à partir des cartes de vitesse de groupe en inversant à chaque pixel la courbe de dispersion locale par une inversion Bayésienne. Un traitement spécifique a été appliqué sur les données brutes de fond de mer afin de supprimer les bruits océaniques et instrumentaux (Crawford et Webb, 2000). Ce modèle sera utilisé pour modéliser la propagation des ondes de surface issues de corrélations de bruit et des ondes de volumes issues de séismes régionaux à partir des outils développés dans le cadre du consortium SEISCOPE. Ces modèles sismologiques serviront d’appuis pour produire un géomodèle 3D de référence à l’échelle des Alpes occidentales dans le cadre du chantier RGF, Alpes et bassins périphériques

Vers un modèle intégré des données géophysiques et géologiques des Alpes occidentales : tomographie sismique de la lithosphère alpine par corrélation de bruit ambiant

International audienceNotre objectif de long terme est de contribuer à la construction d'un géomodèle des Alpes. Ici nous présentons un modèle 3-D de la vitesse des ondes S de la lithosphère alpine obtenu par tomographie de bruit sismique ambiant. Pour ce faire, nous utilisons l'un des meilleurs jeux de données sismologiques disponibles aujourd'hui constitué de 4 ans d'enregistrements de plus de 900 stations permanentes européennes, des ~350 stations temporaires terrestres et fond de mer du projet européen AlpArray ainsi des ~110 stations des projets CIFALPS et CIFALPS2 (profils denses aux travers des Alpes occidentales). Nous tirons profit de la qualité de ce jeu de données pour mettre en place une méthode innovante permettant de construire des cartes de vitesse de groupe probabiliste en 4s et 150s de période à partir d'une inversion 2-D Transdimensionelle hiérarchique (Bodin et Sambridge, 2009). Pour tenir compte de la non-linéarité du problème inverse, nous avons combiné cette méthode avec la Fast Marching Methode (Rawnilson et Sambridge, 2005). Nous construisons le modèle Vs 3D probabiliste à partir des cartes de vitesse de groupe en inversant à chaque pixel la courbe de dispersion locale par une inversion Bayésienne. Un traitement spécifique a été appliqué sur les données brutes de fond de mer afin de supprimer les bruits océaniques et instrumentaux (Crawford et Webb, 2000). Ce modèle sera utilisé pour modéliser la propagation des ondes de surface issues de corrélations de bruit et des ondes de volumes issues de séismes régionaux à partir des outils développés dans le cadre du consortium SEISCOPE. Ces modèles sismologiques serviront d’appuis pour produire un géomodèle 3D de référence à l’échelle des Alpes occidentales dans le cadre du chantier RGF, Alpes et bassins périphériques

Vers un modèle intégré des données géophysiques et géologiques des Alpes occidentales : tomographie sismique de la lithosphère alpine par corrélation de bruit ambiant

International audienceNotre objectif de long terme est de contribuer à la construction d'un géomodèle des Alpes. Ici nous présentons un modèle 3-D de la vitesse des ondes S de la lithosphère alpine obtenu par tomographie de bruit sismique ambiant. Pour ce faire, nous utilisons l'un des meilleurs jeux de données sismologiques disponibles aujourd'hui constitué de 4 ans d'enregistrements de plus de 900 stations permanentes européennes, des ~350 stations temporaires terrestres et fond de mer du projet européen AlpArray ainsi des ~110 stations des projets CIFALPS et CIFALPS2 (profils denses aux travers des Alpes occidentales). Nous tirons profit de la qualité de ce jeu de données pour mettre en place une méthode innovante permettant de construire des cartes de vitesse de groupe probabiliste en 4s et 150s de période à partir d'une inversion 2-D Transdimensionelle hiérarchique (Bodin et Sambridge, 2009). Pour tenir compte de la non-linéarité du problème inverse, nous avons combiné cette méthode avec la Fast Marching Methode (Rawnilson et Sambridge, 2005). Nous construisons le modèle Vs 3D probabiliste à partir des cartes de vitesse de groupe en inversant à chaque pixel la courbe de dispersion locale par une inversion Bayésienne. Un traitement spécifique a été appliqué sur les données brutes de fond de mer afin de supprimer les bruits océaniques et instrumentaux (Crawford et Webb, 2000). Ce modèle sera utilisé pour modéliser la propagation des ondes de surface issues de corrélations de bruit et des ondes de volumes issues de séismes régionaux à partir des outils développés dans le cadre du consortium SEISCOPE. Ces modèles sismologiques serviront d’appuis pour produire un géomodèle 3D de référence à l’échelle des Alpes occidentales dans le cadre du chantier RGF, Alpes et bassins périphériques

Assessing Chemical and Mineralogical Properties of the Alpine Slab Based on Field Analogs and Ambient Noise Tomography

International audienceRecent geophysical campaigns in the Alps produce images with seismic property variations along the slab of sufficiently fine resolution to be interpreted as rock transformations. Since the reacting European lower crust is presumed responsible for the variations of velocities at the top of the Alpine slab, we sampled local analogs of the lower crustal lithologies in the field and modeled the evolution of equilibrium seismic properties during burial, along possible pressure‐temperature paths for the crustal portion of the slab. The results are then compared to the range of the S ‐wave velocities obtained from the S ‐wave velocity tomography model along the CIFALPS transect. The velocity increase from 25 to 45 km within the slab, in the tomographic model is best reproduced by the transformation of specific lithologies in the high‐pressure granulite facies along a collisional gradient (30°C/km). Although the crust is certainly not completely homogeneous, the best candidates for the rocks that make up the top of the Alpine dip crustal panel are a kinzigite from Monte San Petrone, a gneiss from the Insubric line, and blueschist mylonite from Canavese. While they may not represent the entirety of the crust, they are sufficient to explain the tomographic velocity of the Alpine slab. A lateral lithological contrast inherited from the Variscan orogeny is not required. Eclogitization, suggested as the first‐order transformation in convergence zones, could be a second‐order transformation in collisional wedges. These results also imply a partially re‐equilibrated thermal gradient, consistent with the Alpine thermal state data at depth

Bulk chemical composition of rock samples used to calculate their seismic velocity at lower crustal conditions

These data are linked to a published study, whose aim is to compare the seismic velocity variations, derived from tomographic models (here the CIFALPS profile in the Alps, derived from Nouibat et al., 2022) and interpreted as rock transformations, with the seismic velocities of field samples. One way to predict seismic velocity at lower crustal conditions is to consider natural rocks as isotropic and to calculate their seismic properties from the relative abundance of mineral phases using their acknowledged properties (Abers and Hacker, 2016). In this process, the bulk chemical composition of the samples constitutes the starting data for this study. The subsequent work is based solely on thermodynamic models (here mainly using Holland and Powel, 1998 database) and the physical properties of the mineral phases (database from Abers and Hacker, 2016)

Role of mantle indentation in collisional deformation evidenced by deep geophysical imaging of Western Alps

International audienceIn collision belts, the first-order role of the mantle in localizing deformation has remainedelusive, as the resolution of geophysical imaging remains too low to constrain crustal geometry.To address this issue, we geologically interpret a recent high-resolution shear-wavevelocity model from ambient-noise tomography of Western Alps. We show that the lowercrustal Alpine geometry is highly variable at depth, evolving from a preserved Europeancrustal slab in the South to a smooth crustal root in the North. Moho morphology is controlledby numerous pre-existing major faults reactivated during the Alpine orogeny. Twomantle indenters located above the subducted European plate at different depths appear tocontrol the locus of active deformation. The rigid nature of Adria mantle explains the localizationof brittle deformation that is transferred towards the upper crust. The strain-fieldpartitioning results in a combination of strike-slip with either shortening or extension controlledby the anticlockwise rotation of Adria

New Developments in Passive Seismic Imaging and Monitoring Methodological advances on seismic noise imaging in the Alpine area

International audienceMethodological advances in seismic tomography are often driven by the quality of data sets. The dense and homogeneous spatial coverage of the AlpArray seismic network, including hundreds of permanent and temporary broadband stations, has motivated a series of methodological develop- ments of ambient-noise-based tomography of the lithosphere across the entire Alps-Apennines re- gions, which have been published and are reviewed here. To take full advantage of the ocean-bottom seismometers (OBS) in the Ligurian-Provence basin, reconstructed Rayleigh wave signals between OBS have been improved by second-order correlations with onland stations. A Bayesian or fully trans- dimensional formalism has been introduced in both steps of isotropic ambient noise tomography. The three-dimensional S-wave velocity models have been further improved by wave-equation based inversions accounting for the physics of seismic wave propagation, including elastic–acoustic cou- pling at the sea bottom. A beamforming approach has been developed to avoid systematic errors in the measurement of azimuthal anisotropy from seismic noise. Probabilistic inversions for depth vari- ations of azimuthal and radial anisotropy have provided robust estimates of anisotropic parameters in the crust and upper mantle that differ significantly from earlier surface-wave tomography studies. These methodological improvements have taken the full benefit of the quality of available seismic data to significantly improve knowledge of the seismic structure of the crust and shallow mantle beneath the Alps-Apennines system. Our findings include detailed mapping of strong and abrupt Moho depth changes under the Western Alps, contrasting orientations of fast velocity directions between the upper and lower Alpine crust, and the absence of significant radial anisotropy everywhere in the European crust and shallow upper mantle, except in the Apenninic lower crust. These methods can be applied to similar dense arrays with equivalent potential benefits

Shaping the crustal structure of the SW-Alpine Foreland: Insights from 3D Geological modeling

International audienceReactivation processes play a significative role in the localization of deformation but still remain hard to establish at the lithospheric scale. In this work, we built a 3D structural model, which enables to bridge the gap between the main tectonic structures observed at the surface and the geometry of the major interfaces (the Mohorovičić-discontinuity (hereafter Moho) and top of the basement) inferred from geophysical data acquired in the external Western Alps and their foreland. The geometry of these tectonic structures is interpreted in relation to their geodynamic evolution. The main results of this study highlight: (1) a strong contribution of thick-skinned Pyrenean-Provence and Alpine tectonics, (2) a lithospheric rooting of Variscan shear zones and related faults, and (3) the regional-scale influence of these inherited structures on the post-Paleozoic strain localization in the study area. Our 3D model shows that the pattern of Variscan shear zones that were developed at the end of the Paleozoic involved the whole crust, as emphasized by the Moho offsets. These shear zones were reactivated and localized Meso-Cenozoic deformation. The Variscan deformation pattern controlled the geometry of extensional basins, the propagation of Pyrenean-Provence deformation, and finally the Alpine deformation at crustal scale. Our 3D model shows minor crustal thickening (ca. 40 km) located below the Pelvoux External Crystalline Massif, which probably resulted from both Pyrenean and Alpine tectonic phases. In contrast, the southern part of the Alpine front shows a thinned crust (ca. 18 km) resulting from extensional Meso-Cenozoic phases between the Cévennes margin and the Durance basin