Implication of the lopsided growth for the viscosity of Earth's inner core

Two main seismic features characterize the Earth's inner core: a North-South polar anisotropy and an East-West asymmetry of P-wave velocity and attenuation. Anisotropy is expected if shear deformation is induced by convective motions. Translation has recently been put forward as an important mode of convection of the inner core. Combined with a simple diffusive grain growth model, this mechanism is able to explain the observed seismic asymmetry, but not the bulk anisotropy. The source of anisotropy has therefore to be sought in the shear motions caused by higher modes of convection. Using a hybrid finite-difference spherical harmonics Navier-Stokes solver, we investigate the interplay between translation and convection in a 3D spherical model with permeable boundary conditions at the inner core boundary. Three parameters act independently: viscosity, internal heating and convection velocity in the outer core. Our numerical simulations show the dominance of pure translation for viscosities of the inner core higher than $10^{20}$ Pas. Translation is almost completely hampered by convective motions for viscosities lower than $10^{18}$ Pas. Between these values, translation and convection develop, but convective downwellings are restricted to the coldest hemisphere where crystallization occurs. On the opposite side, shear is almost absent, thereby allowing grain growth. We propose that the coexistence of translation and convection observed in our numerical models leads to a seismic asymmetry but localizes deformation only in one hemisphere.Comment: Submitted to PNAS on Februray 10th 2012, rejected on March 19th 2012. Submitted to Earth Planet. Sci. Lett. on March 20th, 2012. (10 pages, 8 figures

Physical Properties of Iron in the Inner Core

The Earth's inner core plays a vital role in the dynamics of our planet and is itself strongly exposed to dynamic processes as evidenced by a complex pattern of elastic structure. To gain deeper insight into the nature of these processes we rely on a characterization of the physical properties of the inner core which are governed by the material physics of its main constituent, iron. Here we review recent research on structure and dynamics of the inner core, focusing on advances in mineral physics. We will discuss results on core composition, crystalline structure, temperature,and various aspects of elasticity. Based on recent computational results, we will show that aggregate seismic properties of the inner core can be explained by temperature and compression effects on the elasticity of pure iron, and use single crystal anisotropy to develop a speculative textural model of the inner core that can explain major aspects of inner core anisotropy.Comment: 23 pages, 16 figures. To appear in AGU Geodynamics Series book on "Core structure, dynamics, and rotation", V. Dehant et al. (eds.

Toward Forecasting Volcanic Eruptions using Seismic Noise

During inter-eruption periods, magma pressurization yields subtle changes of the elastic properties of volcanic edifices. We use the reproducibility properties of the ambient seismic noise recorded on the Piton de la Fournaise volcano to measure relative seismic velocity variations of less than 0.1 % with a temporal resolution of one day. Our results show that five studied volcanic eruptions were preceded by clearly detectable seismic velocity decreases within the zone of magma injection. These precursors reflect the edifice dilatation induced by magma pressurization and can be useful indicators to improve the forecasting of volcanic eruptions.Comment: Supplementary information: http://www-lgit.obs.ujf-grenoble.fr/~fbrengui/brenguier_SI.pdf Supplementary video: http://www-lgit.obs.ujf-grenoble.fr/~fbrengui/brenguierMovieVolcano.av

Anatomy of the high-frequency ambient seismic wave field at the TCDP borehole.

International audienceThe Taiwan Chelungpu-fault Drilling Project (TCDP) installed a vertical seismic array between 950 and 1270 m depth in an active thrust fault environment. In this paper we analyze continuous noise records of the TCDP array between 1 and 16 Hz. We apply multiple array processing and noise correlation techniques to study the noise source process, properties of the propagation medium, and the ambient seismic wave field. Diurnal amplitude and slowness patterns suggest that noise is generated by cultural activity. The vicinity of the recording site to the excitation region, indicated by a narrow azimuthal distribution of propagation directions, leads to a predominant ballistic propagation regime. This is evident from the compatibility of the data with an incident plane wave model, polarized direct arrivals of noise correlation functions, and the asymmetric arrival shape. Evidence for contributions from scattering comes from equilibrated earthquake coda energy ratios, the frequency dependent randomization of propagation directions, and the existence of correlation coda waves. We conclude that the ballistic and scattered propagation regime coexist, where the first regime dominates the records, but the second is weaker yet not negligible. Consequently, the wave field is not equipartitioned. Correlation signal-to-noise ratios indicate a frequency dependent noise intensity. Iterations of the correlation procedure enhance the signature of the scattered regime. Discrepancies between phase velocities estimated from correlation functions and in-situ measurements are associated with the array geometry and its relative orientation to the predominant energy flux. The stability of correlation functions suggests their applicability in future monitoring efforts

Shear velocity model for the Kyrgyz Tien Shan from joint inversion of receiver function and surface wave data

The Tien Shan is the largest active intracontinental orogenic belt on Earth. To better understand the processes causing mountains to form at great distances from a plate boundary, we analyse passive source seismic data collected on 40 broad band stations of the MANAS project (2005-2007) and 12 stations of the permanent KRNET seismic network to determine variations in crustal thickness and shear wavespeed across the range. We jointly invert P- and S-wave receiver functions with surface wave observations from both earthquakes and ambient noise to reduce the ambiguity inherent in the images obtained from the techniques applied individually. Inclusion of ambient noise data improves constraints on the upper crust by allowing dispersion measurements to be made at shorter periods. Joint inversion can also reduce the ambiguity in interpretation by revealing the extent to which various features in the receiver functions are amplified or eliminated by interference from multiples. The resulting wavespeed model shows a variation in crustal thickness across the range. We find that crustal velocities extend to ∼ 75 km beneath the Kokshaal Range, which we attribute to underthrusting of the Tarim Basin beneath the southern Tien Shan. This result supports the plate model of intracontinental convergence. Crustal thickness elsewhere beneath the range is about 50 km, including beneath the Naryn Valley in the central Tien Shan where previous studies reported a shallow Moho. This difference apparently is the result of wavespeed variations in the upper crust that were not previously taken into account. Finally, a high velocity lid appears in the upper mantle of the Central and Northern part of the Tien Shan, which we interpret as a remnant of material that may have delaminated elsewhere under the range.km, including beneath the Naryn Valley in the central Tien Shan where previous studies reported a shallow Moho. This difference apparently is the result of wavespeed variations in the upper crust that were not previously taken into account. Finally, a high velocity lid appears in the upper mantle of the Central and Northern part of the Tien Shan, which we interpret as a remnant of material that may have delaminated elsewhere under the range.This is the final published version. It's also available from Oxford Journals at http://gji.oxfordjournals.org/content/199/1/480.full

La collision hercynienne dans le Massif armoricain: mise en évidence d’une différentiation lithosphériqueà partir de la tomographie et del’anisotropie sismiques

La chaîne hercynienne est un objet majeur en Europe. Elle résulte de la collision de deux blocs continentaux durant le Paléozoïque. Le Massif armoricain présente l’intérêt de n’avoir été affecté par aucun événement tectonique ou thermique majeur depuis la fin de la collision (≈ 260 Ma). Nous y avons donc l’opportunité d’étudier la structure profonde d’une ancienne chaîne de collision. Les principaux traits géologiques du Massif armoricain sont les zones de cisaillement nord- et sud-armoricaines, orientée respectivement E-W et NW-SE. Elles séparent le massif en trois domaines : les domaines nord-, centre- et sud-armoricain. Dans le but d’étudier la structure profonde de cette région, des réseaux sismologiques temporaires ont été installés en 1997 et 1999 dans le cadre du volet sismologique du projet ARMOR2-GéoFrance3D. Les stations temporaires, complétées par les sites permanents forment un réseau bidimensionnel dense de 80 stations couvrant une grande partie du Massif armoricain. Les données collectées durant ces expériences sont exploitées sous la forme d’un ensemble de temps d’arrivées d’ondes P et de formes d’ondes S télésismiques. Les méthodes utilisées pour l’imagerie du manteau supérieur sous le Massif armoricain consistent en la modélisation des variations de vitesse des ondes P et de l’anisotropie sismique. La tomographie de vitesse sismique est probablement l’outil le plus performant pour étudier l’intérieur de la Terre. Elle fournit des images structurales des régions étudiées sous la forme de perturbations de vitesse sismique qui représentent les effets de perturbations thermiques et/ou minéralogiques des milieux. Les études de laboratoire et les modélisations numériques montrent enfin que l’anisotropie sismique des roches du manteau supérieur reflètent l’orientation préférentielle des réseaux cristallins des grains d’olivine, représentant elle-même la fabrique tectonique de la roche, témoin des déformations passées, anciennes ou récentes. Un modèle de vitesse des ondes P a été calculé, il procure les images des perturbations de vitesse jusqu’à la profondeur de 200 km. Dans la partie supérieure, jusqu’à 130 km, les images sont dominées par des vitesses élevées dans les régions de l’ouest du massif et par des vitesses faibles dans les régions du sud et de l’est. Aucune structure superficielle n’est corrélée à la frontière N-S entre les anomalies dans la partie centrale du Massif armoricain. Dans la partie inférieure du modèle (130-200 km), on observe un brusque changement de l’organisation de l’image. Les perturbations de vitesse sont organisées selon trois zones allongées d’orientation NW-SE. Le domaine central, caractérisé par des vitesses élevées est séparé du domaine sud par une limite dont la localisation et l’orientation correspondent à celles de la Zone de cisaillement sud-armoricaine en surface. La limite nord du corps rapide central est localisée 50 à 70 km vers le nord et montre la même orientation. A toutes les profondeurs, on observe que le sud du Cisaillement sud-armoricain,c’est-à-dire le domaine sud-armoricain, est caractérisé par des anomalies négatives. Le Cisaillement nord-armoricain ne montre aucune corrélation avec le modèle de vitesse. Au contraire, l’anisotropie des ondes Pn est fortement corrélée à la direction du Cisaillement sud-armoricain dans le sud du massif et à la direction du Cisaillement nord-armoricain dans le nord du massif. Cette corrélation n’est pas observée pour les onde SKS qui montrent une direction rapide NW-SE à travers tout le massif. Cependant, on distingue 2 groupes de mesures : au sud, le délai moyen est de 1,25 s alors qu’au nord, il est de 0,8 s. En supposant un taux d’anisotropie de l’ordre de 3 %, ces valeurs correspondent à des épaisseurs de l’ordre de 120 et 80 km, respectivement. De plus, une modélisation tridimensionnelle de la biréfringence des ondes S permet d’expliquer les données du nord du massif par un milieu à symétrie hexagonale dont le plan de symétrie (la fabrique) est incliné vers le SW. Dans le sud du massif, un plan de symétrie vertical satisfait les observations. Ces résultats montrent que l’objet géologique majeur de cette région est le Cisaillement sud-armoricain dont on peut suivre la trace depuis la croûte jusqu’à la base du modèle à 200 km. Au contraire, le Cisaillement nord-armoricain semble affecter au plus le manteau sommital où se propagent les ondes Pn. Les contrastes de vitesse sont assez élevés : plus de 5 % sur des distances de l’ordre de 30 km. Ces perturbations de vitesse sont associées au dernier événement tectonique majeur, la collision hercynienne qui s’est terminée il y a plus de 250 Ma. Dans ce cas, ces variations de vitesse sismique ne peuvent être expliquées exclusivement par des anomalies thermiques. Il est nécessaire de considérer une contribution minéralogique forte. Les images tomographiques et les mesures d’anisotropie sont interprétées comme la conséquence d’un assemblage de deux lithosphères dont les origines sont différentes. Dans le nord de la Bretagne, les perturbations mineures de la vitesse des ondes P, les délais faibles et la structure inclinée de la fabrique lithosphérique caractérisent une lithosphère affectée par des événements pré-hercyniens, probablement liés à l’orogène Cadomien (650-540 Ma).Dans le centre et le sud de la Bretagne, l’image tomographique est interprétée comme la signature de la subduction à vergence nord qui a eu lieu avant la collision continentale. Les vitesses sismiques élevées représentent alors probablement un bloc de lithosphère subductée. Enfin, l’anisotropie mesurée dans le sud du Massif armoricain est attribuée au régime transpressif intense du Carbonifère au niveau de la zone du Cisaillement sud-armoricain

Fault healing inferred from time dependent variations in source properties of repeating earthquakes

We analyze two sets of repeating earthquakes on the Calaveras fault to estimate in-situ rates of fault strengthening (healing). Earthquake recurrence intervals t, range from 3 to 803 days. Variations in relative moment and duration are combined to study changes in stress drop, rupture dimension, rupture velocity, and particle velocity as a function of tr. Healing rates and source variations are compared with predictions of laboratory derived friction laws. Two interpretations of event duration τ are used: one in which τ: is given by the ratio of slip to particle velocity and one in which it scales as rupture dimension divided by rupture velocity. Our data indicate that faults strengthen during the interseismic period. We infer that source dimension decreases with tr due to aseismic creep within the region surrounding the repeatinge vents. Stress drop increases 1-3MPa per decade increase in tr, which represents an increase of a factor of 2-3 relative to events with tr between 10 and 100 days. This rate of fault healing is consistent with extrapolations of laboratory measurements of healing rates if fault strength is high, on order of 60MPa, ands tress drop is roughly 10% of this value