Travel time tomography of the crust and the mantle beneath Ecuador from data of the national seismic network.

Although there have been numerous studies on the geodynamics and the tectonics in Ecuador based on the seismic activity, there has not been to date a comprehensive tomography study using the entire database of the National Seismic Network (RENSIG). Only a preliminary limited study was performed by Prevot et al. to infer a simple P velocity model in central Ecuador, and several profiles in the South-Colombian-Ecuador margin were also investigated by using travel time inversion of wide-angle seismic data obtained during the two marine experiments SISTEUR and SALIERI. Inverting the hundreds of thousands of arrival times of P and S waves of uneven quality that constitutes the RENSIG catalogue is the challenging subject of this thesis.We describe how we complemented the RENSIG catalogue with data from the Northern Peru network and how we homogenized and filtered the resulting dataset of more than 800 000 first arrival times of P and S waves corresponding to more than 50 000 earthquakes. To invert these data for both the velocity models and the event locations we adopted a Bayesian approach. We show how the problem can be recast in the Gaussian framework by changes of variable while imposing a robust statistics to the data, and how it leads to a generalized nonlinear least squares problem. We detail in particular the regularization of the models through the smoothing and damping properties of the covariance kernels. We also show that inverting differences in data instead of the raw data amounts to the introduction of specific correlation terms in the data covariance matrix, while keeping the same set of data. We finally indicate how the computation of the averaging index allows the delimitation of a confidence region for the resulting model.The practical inversion has been carried out by using the two Fortran 2003 codes (B. Potin, B. Valette, V. Monteiller): LOCIN (prior localization) and INSIGHT (tomography). The final study region is a parallelepipedic box of 590times770 km^2 area and 244 km height that contains the topography of the surface. The models consist of the v_P and v_P/v_S fields discretized over a grid, the spacing of which is 5 km in the horizontal directions and 2 km in the vertical one, and of the spatial and temporal parameters of the seismic events. A battery of tests allowed us to set reasonable values for these tuning parameters through an L-curve analysis.We obtained the spatial distribution of the seismicity with an improved accuracy which allows us to describe with more details the shallow seismic clusters, as those of Pisayambo, Macas, Reventador, and to identify lineaments in the seismicity in relation with tectonics. We obtained also a clear image of the intermediate depth seismicity wich is dominated by 4 nests, namely the Maldonado, La Man'a, and Guayaquil nests, at depths ranging between 75 km and 115 km, and the Puyo nest at much deeper depths. The Wadati-Benioff zone allowed us to clearly defined the topography of the slab only to a depth to about 110-150 km, depending on the latitude, and to observe the decrease of the dip angle from about 25° in northern and central Ecuador down to about 10° in southern Ecuador and northern Peru. On the other hand, the analysis of the P velocity clearly suggests that the slab is broken in two pieces, the southern one passing under the northern at the level of the Puyo nest. The v_P/v_S model presents a high anomaly of the ratio along the western cordillera at a depth ranging between 30 km and 50 km that characterized partially melted rocks and corresponds to the feeding reservoir of the volcanic arc. Finally, we deduced the Moho depth from our model by taking the depth for which the norm of the velocity gradient is maximum between 7.2 and 7.4 km/s and by incorporating information on the Moho depth provided by the SISTEUR and SALIERI experiments in the convergent margin.Bien que de nombreuses études géodynamiques et tectoniques aient été effectuées à partir l'activité sismique en Equateur, il n'existait pas à ce jour une tomographie complète utilisant l'ensemble des données du réseau sismologique Equatorien (RENSIG), mise à part une étude prélimaire sur la partie centrale de l'Equateur menée en 1994 par Prévot et coll. et de plusieurs profils sismiques déterminés à la suite des campagnes marines SALIERI et SISTEUR. Inverser les centaines de millier de temps d'arrivées d'ondes P et S, de qualité inégale, formant le catalogue RENSIG était le défi qu'a constitué le sujet de cette thèse.Nous décrivons comment nous avons complété le catalogue RENSIG par des données provenant du Nord du Pérou et comment nous avons homogénéisé et filtré l'ensemble de données résultant, comportant plus de 800 000 temps d'arrivée correspondant à plus de 50 000 séismes. Pour inverser ces données nous avons adopté une approche Bayésienne. Nous montrons comment le problème peut être reformulé dans un contexte Gaussien par un changement de variables, tout en imposant une statistique robuste aux données, qui conduit à un problème de moindre carrés non linéaire. Nous détaillons particulièrement la régularisation du problème au travers des noyaux de covariance qui conduit à définir des paramètres de contrôle fort utils pour l'inversion. Nous montrons également qu'inverser des différences de données revient à introduire des termes spécifiques de corrélation dans la matrice de covariance des données, tout en conservant les données brutes. Nous indiquons finalement comment le calcul de l'indice de restitution permet de définir une zone de confiance du modèle résultant de l'inversion.L'inversion a été menée pratiquement en utilisant les codes informatiques (en Fortran 2003 par B. Potin, B. Valette, V. Monteiller): LOCIN (localisation) et INSIGHT (tomographie). La région finale d'étude est constituée par une boite parallélipipédique de dimension 590times770 km^2 de base et de 244 km de hauteur qui contient la topographie de la surface. Le modèle est constitué d'une part des valeurs de v_P et v_P/v_S sur une grille ayant 5 km de pas horizontal et 2 km de pas vertical et, d'autre part, des paramètres d'identification spatiale et temporelle des séismes. Un ensemble de tests nous a permis de déterminer des valeurs raisonables de ces paramètres au travers d'un analyse de type courbe en L.Nous avons obtenu une amélioration de la localisation de la sismicité, qui nous a permis de mieux décrire les essaims superficiels comme ceux de Pisayambo, Macas et du Reventador et d'identifier des linéaments en relation avec la Tectonique. Nous avons également obtenu une image de la sismicité à profondeur intermédiaire qui est dominée par la présence de 4 nids sismiques, ceux de Madonaldo, La Man'a et de Guayaquil à des profondeurs entre 75 et 115 km et celui de Puyo à de plus grandes profondeurs. La zone de Wadati-Benioff nous a permis de définir la profondeur du slab jusqu'à des profondeurs de 100-150 km en fonction de la latitude et d'observer la décroissance du pendage de 25° environ au nord et au centre de l'Equateur jusqu'à environ 10° au sud puis au nord du Pérou. Par ailleurs, l'analyse du champ de vitesse des ondes P suggère fortement que le slab est coupé en deux morceaux, le morceau sud passant sous le morceau nord au niveau du nid sismique de Puyo. Le modèle v_P/v_S présente une forte anomalie positive de ce rapport le long de la cordillère occidentale à des profondeurs entre 30 et 50 km qui caractérise des matériaux partiellement fondus et correspond au réservoir d'alimentation profond de l'arc volcanique. Enfin, nous avons déduit de notre modèle un modèle de profondeur de Moho en prenant la profondeur de maximum de la norme du gradient de vitesse entre les vitesses de 7.2 et 7.4 km/s et en incorporant l'information sur la profondeur de Moho provenant des campagnes SALIERI et SISTEUR dans la marge active