Lithospheric structure of Eastern Canada and the NE USA from earthquake and ambient noise seismology

L’Est du Canada et le nord-est des États-Unis comprennent des terranes et des domaines tectoniques dont les âges varient de l’Archéen au Phanérozoïque, faisant de cette région une excellente zone d’étude pour étudier l’évolution de la lithosphère continentale. La région étudiée dans cette thèse comprend la partie sud-est du craton Supérieur archéen, l’Est de la Province de Grenville du Protérozoïque et les Appalaches du Nord du Phanérozoïque. L’amélioration de la couverture de données par les récentes installations de stations sismiques en 2013-2015 rend possible le développement d’images de tomographie sismique à haute résolution de la lithosphère et de la partie superficielle du manteau supérieur de l’asthénosphère à travers la zone d’étude. Dans cette thèse, trois chapitres traitent des nouveaux modèles tomographiques obtenus et des jeux de données utilisés dans cette étude. À l’aide d’une technique de tomographie sismique à ondes de Rayleigh utilisant les enregistrements de séismes (tomographie à deux ondes planes; TPWT), la structure sismique sous la zone d’étude à des profondeurs allant de la croûte inférieure à l’asthénosphère (profondeur maximale de 200 km) est modélisée au Chapitre I. La carte de profondeur du Moho, déduite d’après le modèle sismique résultant, suggère une croûte plus mince d’au moins ~5 km dans le centre-nord des Appalaches (Ganderia) par rapport aux terranes plus anciens et plus jeunes des Appalaches. L’épaisseur lithosphérique à travers la zone d’étude, s’étendant de l’extrême Est de la province de Grenville jusqu’au domaine de Meguma en Nouvelle-Écosse, varie entre ~70 et ~120 km. La lithosphère sous les plus jeunes domaines tectoniques de la zone d’étude, Avalonia et Meguma, a une épaisseur similaire à celle des terranes péri-laurentiens les plus éloignés au nord-ouest (~90 km d’épaisseur), alors qu’à l’exception du sud du Nouveau-Brunswick, la lithosphère dans les Appalaches canadiennes (Ganderia) est relativement mince (~70 km d’épaisseur). Il est suggéré qu’une région localisée dans la partie sud du Nouveau-Brunswick de Ganderia possède la lithosphère la plus épaisse de la zone d’étude avec une épaisseur de ~120 km. Cette caractéristique est interprétée comme résultant d’un processus d’empilement de lithosphères subduites qui s’est probablement produit après la subduction d’Avalonia (slab acadienne) sous Ganderia au Silurien. Cette interprétation est également étayée par des preuves paléomagnétiques et isotopiques. Dans le Chapitre II, les données de bruit sismique ambiant sont utilisées pour extraire principalement des informations sur la structure de vitesse sismique crustale allant de la croûte supérieur jusqu’au niveau du Moho en profondeur (~3-60 km). La zone d’étude dans ce chapitre a été élargie par rapport au Chapitre I pour inclure également une plus grande partie de l’Est de la province de Grenville ainsi que la partie sud-est du craton Supérieur. Les images tomographiques obtenues suggèrent que les épaisseurs relatives de la croûte supérieure et inférieure sont variables à travers la zone d’étude, la Province de Grenville ayant une croûte inférieure généralement plus épaisse et plus rapide par rapport aux Appalaches. Une structure crustale beaucoup plus complexe que celle des provinces du Grenville et du Supérieur est proposée pour les Appalaches canadiennes. La croûte supérieure dans l’est du Grenville et l’extrême sud-est du Supérieur est principalement dominée par des régions où les vitesses des ondes sismiques sont plus rapides, alors que des anomalies de vitesse sismique rapides et lentes existent à travers les Appalaches. Des bassins sédimentaires relativement épais sont suggérés sous le golfe du Saint-Laurent, les systèmes de failles du Saint-Laurent et dans la baie de Fundy avec des épaisseurs de ~8-10 km, ~5-6 km et ~3-4 km, respectivement. Le Moho le plus profond et le moins profond se trouverait sous la Province de Grenville près du front de Grenville (~50 km), et sous les Appalaches centrales-nord et le golfe du Maine (~30 km), respectivement. Une géométrie de Moho en forme d’escalier est suggérée dans les Appalaches centrales qui est interprétée comme la limite entre les terranes péri-Laurentien et péri-Gondwanien en profondeur. Dans ce chapitre, l’anisotropie azimutale, qui dépend de la période considérée, est également cartographiée et les résultats suggèrent que la structure anisotrope de la croûte suit l’orientation des structures tectoniques régionales (nord-est sud-ouest). Certains schémas d’anisotropie sismique à courte échelle divergent par rapport à la tendance générale NE-SO sont observés sous la baie de Fundy, qui sont interprétés comme une structure anisotrope surimprimée en raison du rifting Mésosoïque ou de la subduction plate dans le Silurien. D’autres régions où l’anisotropie sismique à courte échelle divergent sont observées à l’Ouest du front des Appalaches, qui pourraient être associées à une structure anisotrope fossile de la période pré-Grenvillienne. En utilisant une technique de rétroprojection au chapitre III, les mêmes données de bruit utilisées au chapitre II ont été analysées pour améliorer nos connaissances sur les variations azimutales et temporelles du bruit sismique ambiant reçu dans la zone d’étude. Nos résultats suggèrent différents schémas de variations de l’intensité du signal à différentes bandes passantes du spectre de bruit. Bien que le biais directionnel observé puisse affecter la fiabilité des résultats dans les futures études d’atténuation des ondes et d’inversion de formes d’ondes complètes, nous suggérons que les résultats de la tomographie sont beaucoup moins affectés par cet effet car des signaux de haute intensité arrivent de toutes les directions vers la zone d’étude et les variations sont régulières dans toutes les bandes passantes étudiées. De plus, les résultats d’une analyse supplémentaire au chapitre II (informations supplémentaires) suggèrent également que la couverture des rais sismiques semble jouer un rôle plus important dans la réduction du biais dû à une distribution de bruit non homogène. Les possibles sources de bruit dominantes ont également été étudiés et il a été montré que les sources de l’Atlantique et du Pacifique contribuent au bruit reçu à différentes bandes de fréquences du spectre de bruit. Les résultats suggèrent que les microséismes primaires (PM ; 10-30 s) sont principalement générés près des côtes, tandis que les microséismes secondaires (SM ; 3-10 s) sont générés à la fois dans les zones océaniques profondes et les régions proches des côtes. Le bourdonnement sismique (Hum ; 30-300 s) est également principalement généré dans les régions du plateau continental. Les variations saisonnières de l’intensité du bruit suggèrent que le PM est le plus fort pendant le printemps et l’été, tandis que le SM est généralement plus constant et relativement plus fort en automne et en hiver. Les variations saisonnières de la bande passante Hum sont plus proches de celles de la PM longue période (20-30 s), et les signaux reçus à cette bande passante sont très faibles en hiver. \n_____________________________________________________________________________ \nMOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Ondes de surface, lithosphère continentale, tomographie à deux ondes planes, tomographie du bruit ambiant, anisotropie azimutale, sources de bruit sismique.

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