Seismic anisotropy of Ivrea-type lower continental crust

La croûte continentale constitue la partie rocheuse externe des continents. Sa partie profonde, appelée croûte inférieure, est très difficile d’accès. Pour en connaître la composition et la structure à une échelle régionale et globale, les géologues utilisent principalement les ondes sismiques. Leur vitesse et les échos qu’elles produisent révèlent les propriétés des roches traversées. Les interprétations supposent souvent que ces propriétés sont identiques dans toutes les directions. Or les roches contiennent fréquemment des minéraux alignés, des alternances de couches et des fractures orientées. Les ondes peuvent donc se déplacer à des vitesses différentes selon leur direction : ce phénomène est appelé anisotropie sismique.

Cette thèse cherche à déterminer dans quels cas l’anisotropie modifie réellement notre vision de la croûte inférieure. L’étude s’appuie sur la zone d’Ivrea-Verbano, dans les Alpes, où d’anciennes roches de la croûte inférieure ont été ramenées à la surface par les mouvements tectoniques. Ce travail combine des modèles numériques à une et deux dimensions avec les mesures réalisées dans deux forages du projet scientifique international Drilling the Ivrea-Verbano zonE (DIVE). Cette approche permet de relier l’organisation des minéraux à petite échelle aux observations sismiques.

Les résultats montrent que, dans les roches représentant la croûte inférieure profonde, l’orientation préférentielle de certains minéraux constitue la principale source d’anisotropie. Les fines alternances de roches jouent un rôle plus limité. Lorsque les ondes sont enregistrées à grande distance de leur source, l’hypothèse d’isotropie fournit néanmoins, dans les conditions étudiées, une vitesse horizontale représentative et une estimation globalement fiable de la composition. En revanche, l’anisotropie peut renforcer fortement les réflexions enregistrées à faible distance de la source et modifier l’image obtenue des structures profondes.

Dans les forages DIVE, la nature des minéraux détermine surtout le niveau général des vitesses, tandis que l’organisation de ces minéraux en plans et l’orientation des fractures contrôlent leurs variations selon la direction. L’effet marqué des fractures s’interprète comme une conséquence de l’exhumation : en remontant vers la surface, les roches se sont fissurées ou alors d’anciennes fissures se sont rouvertes. Dans la croûte inférieure encore en profondeur, les fortes pressions et températures devraient au contraire fermer ou cicatriser la plupart de ces fractures. Les enseignements tirés de ces fractures sont donc surtout applicables aux roches plus proches de la surface, qu’elles soient cristallines ou sédimentaires.

En conclusion, il n’existe pas de correction unique permettant de tenir compte de l’anisotropie. Son importance dépend de la direction suivie par les ondes, de la méthode de mesure, de l’échelle étudiée et du contexte géologique. Considérer la croûte comme isotrope peut rester acceptable pour estimer sa composition globale, mais cette simplification peut être insuffisante pour l’imagerie par réflexion ou l’interprétation des mesures réalisées dans les forages.