LISALPS project

Probing the 3D Alpine lithosphere

by Full Waveform Inversion (FWI) of the AlpArray teleseismic data

What is LisAlps?

The main objective of the LisAlps project funded by the ANR AAPG 2020 is to develop new models of the crustal and upper mantle structure of the Alpine arc by Full Waveform Inversion (FWI) from the teleseismic data collected during the European initiative AlpArray. The LisAlps project started on 15 January 2021 for a duration of four years. The LisAlps project involves methodological developments aiming at improving FWI when applied to spatially downsampled teleseismic data and applications aiming at imaging the crust and upper mantle of the full Alpine chain and a target centred on the Ligurian knot. This project involves three partners (Geoazur, LMA and ISTerre) and gathers Alpine geologists, high-performance computing enginneers and computational and appied seismologists.

Comprendre la géodynamique Alpes par imagerie sismologique haute résolution: inversion des formes d'ondes des données télésismiques d'AlpArray

L'arc Alpin est historiquement un des plus emblématiques laboratoires naturels pour l'étude des processus orogéniques en raison de conditions d'affleurement exceptionnelles. Dans ce contexte, l’objectif de LisAlps est d’apporter un éclairage nouveau sur la structure de la croûte et du manteau supérieur de l’Arc Alpin en appliquant des méthodes d’imagerie sismologique de dernière génération aux données télésismiques de l’initiative Européenne AlpArray.

Probing the interior of the Alps by high-resolution seismic imaging: Full Waveform Inversion of the AlpArray teleseismic data

The Alpine chain has historically been one of the most epitomic natural laboratories to simultaneously study various deep and shallow geological processes controlling orogenesis due to their outstanding outcrop conditions. In this context, the objective of LisAlps project is to develop next generation models of the crust and uppe mantle of the Alps by applying leading-edge seismic imaging techniques such as Full Waveform Inversion (FWI) to the dense AlpArray teleseismic data.

Imagerie sismologique haute résolution de l'Arc Alpin à partir des données télésismiques de la campagne AlpArray: Méthodes et enjeux géodynamiques

La formation des Alpes résulte de la convergence entre les plaques Eurasienne et Africaine au Crétacé et au Tertiaire avec un fort héritage de l'orogénèse Paléozoïque et l'extension Téthysienne. Il est bordé de bassins sédimentaires dont la dynamique interfère avec celle de la chaine via des processus de subsidence, de transferts sédimentaires et d'évolution du prisme orogénique vers le continent Européen. Bien que les Alpes aient constitué la pierre angulaire d'un grand nombres d'études dédiées à la convergence continentale, de nombreuses controverses subsistent sur les facteurs structuraux contrôlant sa géodynamique, sur les flux de matières entre la croûte et le manteau, sur leur role dans l'évolution du système Alpin et sur la sismicité. Dans ce contexte, l’objectif du projet LisAlps est de développer et d’appliquer des méthodes d’imagerie sismologique de dernière génération par inversion des formes d’ondes complètes aux données télésismiques de l’initiative Européenne AlpArray durant laquelle un réseau inédit de 628 stations sismologiques large bande a été déployé sur la totalité de l’Arc. L’imagerie développée vise des avancées fondamentales sur la connaissance des Alpes en imageant quantitativement sa structure avec une résolution spatiale inédite de l’ordre de la longueur d’onde pour la totalité des propriétés constitutives gouvernant la propagation des ondes élastiques: les vitesses de propagations des ondes P et S, la densité, l’atténuation et l’anisotropie. Deux cibles d’étude sont identifiées: La première couvre la totalité de l’arc Alpin sur une surface de 1500x700km2 et jusqu’à l’interface entre le manteau supérieur et le manteau inférieur à 700km de profondeur. Un premier objectif est de préciser la géométrie de la subduction continentale entre les plaques Européennes et Adriatiques et de mettre à jour la localisation de la sismicité dans les Alpes Occidentales. Un deuxième enjeu méthodologique et géodynamique est de prolonger l’imagerie jusqu’au manteau supérieur pour tester la continuité des panneaux plongeants entre les Alpes Occidentales et les Alpes centrales et préciser la structure du panneau plongeant à la transition entre les Alpes et les Apennins. La deuxième cible d’étude est le noeud Ligure dans les Alpes occidentales situé à la jonction de quatre domaines géologiques: La partie sud des Alpes occidentales, les Apennins du nord, la plaine du Po et le bassin Ligure. Cette région soulève plusieurs questions: l’interaction avec des vergences opposées des panneaux Alpin et Apennins et le rôle possible de cette interaction sur la compression avec les Apennins du Nord, la réactivation en compression suivie de l’inversion structurale à l’Oligo-Miocene de la marge Nord Ligure, l’origine de la micro-sismicité ponctuée d’évènements majeurs comme le séisme de 1887 dans la marge Nord Ligure avec des enjeux majeurs sur la compréhension des risques naturels menaçant cette région fortement urbanisée.

High-resolution seismic imaging of the Alps by Full Waveform Inversion of the AlpArray teleseismic data: Methods and geodynamical implications

The Alp s result from the convergence of Eurasia and Africa plates during Cretaceous and Tertiary periods. Although the Alps have federated many studies devoted to intracontinental convergence, the deep structures imaged by geophysics and related tectonic processes remain controversial. Controversies stem from the high complexity of the chain, as evidenced by the arcuate junction between the Alps and the Apennines, but also from the lack of convincing structural information at depth. Both shallow crustal and deep lithospheric structural insights are necessary to relate deep geodynamic processes occurring in the mantle with fairly exhaustive surface observations. Filling these gaps of knowledge requires some breakthrough in imaging the 3D Alpine lithosphere in terms of resolution and physical characterization of the geological media. This objective has federated the European AlpArray initiative during which 628 broadband stations weredeployed over the entire chain. In th is framework, LiSAlps proposes to apply leading-edge imaging techniques such as Full Waveform Inversion (FWI) on the Alparray teleseismic data to build quantitative models of the alpine lithosphere and asthenosphere of the highest resolution. During LisAlps, we first develop a 3D reference crust and upper mantle model of the Alpine arc covering the full network (1500x700 km) down to the upper/lower mantle discontinuity at 700km depth. An accurate lithospheric model over the whole orogen will help us to decipher the intricate and debated geometry of the continental subduction between the European and Adriatic plates and to sharpen the location of the seismicity in the western Alps; also, this will shed some light on the debated subduction polarity reversal in the eastern Alps. The second objective is to extend the imaging of the continental subduction to greater depths to test the lateral and downdip continuity of the slabs between the western and central Alps as well as to refine the slab structure in the transition zone between the Alps and the Apennines. A second target will focus on the Ligurian knotin the southern area of the AlpArray network. This zone marks the junction between four key geological domains: the south-western Alpine chain, the northern Apennines, the Po plain and the Ligurian basin. This complex and poorly understood zone raises important questions: (1) the interaction between opposite verging Alpine and Apennine slabs and the possible role of such interaction in the compression within Northern Apennines, (2) the compressional reactivation and ensuing Oligo-Miocene inversion of the northern Ligurian margin, and (3) the origin of the high-rate microseismicity and occasional strong earthquakes (e.g., 1887 Mw6.9 event) over the North Ligurian domain. This is key to better assess the intricated geohazards experienced by coastal areas of the French Riviera and Liguriaas their presumably deep-seated origins remain poorly known.

Figure: Depth slices of the Alpine crust from teleseismic P wave of AlpArray by Full Waveform Inversion (Figure of S. Beller). Ref: Beller, S., Mohammadi, N., Monteiller, V., and Operto, S.: Preliminary 3D isotropic full-waveform inversion model of the Alpine lithosphere from assimilation of AlpArray teleseismic body waves, EGU General Assembly 2023, Vienna, Austria, 24–28 Apr 2023, EGU23-6772, https://doi.org/10.5194/egusphere-egu23-6772, 2023.

La quête de résolution en sismologie: Le défi de l'inversion des formes d'onde complètes des données téléssismiques

La méthode d’inversion des formes d’ondes complètesbaptisée FWI (Full Waveform Inversion) s’est imposée comme l’approche d’imagerie phare depuis un décénie dans de nombreux domains comme l’exploration géophysique, la sismologie, l’imagerie médicale, le contrôle non destructif, … L’objectif au sens large est de reconstruire les propriétés constitutives d’un milieu à partir de mesures indirectes fournies par des ondes élastiques déclenchées par des sources naturelles ou artificielles et enregistrées par un dispositif de capteurs. Le modèle mathématique décrivant la propagation des ondes est une équation aux dérivés partielles, l’équation d’onde. Les propriétés du milieu sont contenus dans des coefficients de cette équation et les enregistrements au cours du temps collectés durant une campagne d’acquisition représentent les solutions de cette équation aux positions de l’espace où sont placés les capteurs. Cette estimation de paramètres est formulée sous forme d’un problème inverse résolu avec des méthodes d’optimisation locales par minimisation d’une fonction mesurant une distance entre les données enregistrées et simulées numériquement. L’attrait suscité par la FWI réside dans le fait que toute l’information contenue dans les mesures est utilisée en traitant chaque échantillon discrétisant chaque sismogramme de l’expérience. La plus value de cette approche totale est une résolution spatiale de l’ordre de la longueur d’onde et la possibilité théorique d’estimer toutes les propriétés du milieu gouvernant la propagation des ondes (coefficients élastiques, densité, atténuation). Le prix à payer est la nonlinéarité du problème inverse engendrée par la nature ondulatoire des signaux, son caractère mal posé exacerbé par l’éclairage incomplet de l’intérieur de la Terre depuis la surface et le coût calculatoire d’approches fondées sur la résolution complète de l’équation d’onde. En imagerie télésismique, le sources (les séismes) sont éloignées de la cible d’étude située sous le dispositif de stations. Cette configuration nécessite des protocoles spécifiques de modélisation des ondes où une première simulation est effectuée dans un modèle de Terre globale simplifié pour générer un champ d’onde de référence, qui est injecté aux frontières de la cible d’étude puis propagé en son sein jusqu’aux stations. Le challenge du problème inverse est d’atteindre la résolution visée en extrayant l’information contenue dans le champ d’onde incident diffracté vers l’avant mais aussi le champ d’onde retro diffracté par les hétérogénéités du milieu après une première réflexion sur la topographie. Cela soulève de multiples challenges méthodologiques liés à la simulation numérique des ondes dans des maillages de grande dimension et à la conception d’algorithmes d’optimisation robustes équipés de régularisations performantes pour traiter des mesures parcellaires et bruitées à partir desquelles sont estimées plusieurs classes de paramètres à l’empreinte contrastée.

Ref: S. Beller, V. Monteiller, L. Combe, S. Operto and G. Nolet, On the sensitivity of teleseismic full waveform inversion to earth parametrisation, initial model and acquisition design, Geophysical Journal International, 212(2), 10.1093/gji/ggx480, 2018.

The quest of resolution in earthquake seismology: The challenge of Full Waveform Inversion of teleseismic data

Full Waveform Inversion (FWI) has emerged since one decade as the baseline imaging method in many domains (exploration geophysics, earthquake seismology, medical imaging, nondestructive control). The overall goal is to estimate the constitutive properties of a medium fromindirect measurements provided by elastic waves triggered by a layout of sources and recorded by a network of sensors. The mathematical model that describes propagation of elastic waves is the partial differential wave equation. The properties of the medium to image are gathered in the coefficients of the equation and the measurements over time collected during an experiment are the solution of this equation at the positions of the receivers for multiple right-hand sides (the sources). Therefore, FWI aims at estimating the spatially-varying coefficients of a partial differential equation from the parsimonious measurements of its solution. This is tackled by solving an inverse problem with local optimization techniques (gradient-based methods) by minimizing a function measuring a distance between the recorded data and the simulated counterpart (generally, the least-squares norm of the difference). The motivation behind FWI is to use the full information content of the data by exploiting each sample discretizing the seismograms (recording over time of waves triggered by a source and reaching a receiver) collected during the experiment. The add-value provided by this all-at-once approach is a theoretical resolution of the order of the wavelength and the ability to image all of the constitutive properties governing wave propagation. The price to pay is the nonlinearity of the inverse problem resulting from the oscillatory nature of waveforms, the ill-posedness of the imaging resulting from incomplete illumination of the Earth’s interior from the surface and the computational cost of full-wave imaging techniques. In teleseismic imaging, the sources (the earhquakes) are distant from the lithospheric target located below the network of stations. This setting requires specific modeling strategies where a first simulation in a simplified global Earth is performed to propagate a reference background wavefield from the source to the target before its injection at the boundariesand its propagationin the target toward the stations. The challenge of the inverse problem is to reach the desired resolution during imaging by extracting the information contained in the incident forward-scattered wavefield but also in the second-order back-scattered wavefield from the lithospheric heterogeneities after a first reflection from the topography. This raises multiple methodological challenges related to numerical simulation of wave propagation in large computational domains and robust optimization algorithms equiped with regularizationable to manage incomplete and noisy data and reconstruct multiple classes of parameters with contrasted signatures in the data.

Ref: S. Beller, V. Monteiller, L. Combe, S. Operto and G. Nolet, On the sensitivity of teleseismic full waveform inversion to earth parametrisation, initial model and acquisition design, Geophysical Journal International, 212(2), 10.1093/gji/ggx480, 2018.

Figure: Hybrid wave simulation at the global scale by wavefield injection with the spectral element method (Figure S. Beller). Simulation in the global axisymetric earth is performed with AxiSEM .

For lecture notes on FWI,

• WIND (Waveform Inversion of Node Data) site https://www.geoazur.fr/WIND/bin/view/Main/FWIcourse/WebHome
• Lecture notes of L. Métivier https://membres-ljk.imag.fr/Ludovic.Metivier/LECTURE_NOTES/2020_COURS_MSIAM_FWI.pdf
• SEISCOPE site https://seiscope2.osug.fr/-Lectures-
• PhD thesis of Stephen Beller (French) - Manuscript (PDF), Slides (PDF).

The project started in January 2021.

The pre-proposal of the LisAlps project submitted to ANR AAPG 2020 (pdf).

The final proposal of the LisAlps project submitted to ANR AAPG 2020 (pdf).

Activity report (18 months) (pdf)

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