Thèse Ali JANBEIN

Le Liban, situé à l’intersection des plaques africaine et arabique, est une région sismiquement active et géologiquement complexe. Son contexte tectonique est dominé par le système de failles transformantes du Levant, formant une courbure qui soulève le Mont-Liban. Les principales failles actives, notamment les failles de Yammouneh, Roum, Rachaya, Serghaya et la faille de chevauchement du Mont-Liban (MLT), sont responsables d’une activité sismique continue, comme en témoignent les séismes historiques de magnitude supérieure à 7. La caractérisation de la structure crustale est essentielle pour une localisation précise de la sismicité et pour une meilleure compréhension de l’aléa sismique du pays.

La méthode des fonctions récepteur (RF), qui est la méthode principale utilisée dans cette étude, isole les phases converties PS au niveau des discontinuités du sous-sol, telles que le Moho, capturant ainsi la réponse structurale de la Terre au champ d’ondes télésismiques incident. Dans ce travail, une modélisation synthétique est utilisée pour caractériser l’effet des interfaces inclinées et des couches anisotropes sur les RF. Ensuite, la méthode H-k stacking est introduite, celle-ci permet d’estimer les paramètres crustaux (profondeur du Moho et rapport Vp/Vs). Une inversion bayésienne des temps d’arrivée des ondes converties directes et multiples est également présentée, cette méthode vise à estimer les propriétés crustales (profondeur du Moho, direction et valeur de l’inclinaison, rapport Vp/Vs et Vp) et leurs incertitudes associées.

Les données de deux stations permanentes à large bande exploitées par le Centre National de Géophysique (CNG) : BHL, située au centre du Mont-Liban, et HWQ, au nord du Mont-Liban, toutes deux opérationnelles depuis 2006, ont été analysées. Les résultats indiquent un Moho incliné vers le sud-est, avec une épaisseur crustale d’environ 35 km sous BHL et une épaisseur comparable sous HWQ, où la présence d’une couche crustale inférieure anisotrope est aussi déduite.

L’étude est étendue à 19 stations à large bande temporaires, déployées entre 2011 et 2012, afin d’améliorer la couverture spatiale et d’affiner l’imagerie crustale au Liban. Combinée aux données des stations permanentes, l’analyse montre une épaisseur crustale variant de 26 à 35 km environ, avec des indices de couches inclinées et anisotropes dans plusieurs régions. Les résultats indiquent que l’épaisseur crustale maximale est localisée sous le Mont-Liban. Cet épaississement indique une déformation transpressive, la faille MLT intensifiant la compression sous le Mont-Liban. Ces modèles crustaux offrent la première vision globale des variations d’épaisseur et de composition au Liban. Cependant ces résultats sont parfois difficiles à interpréter car le déploiement des stations a été limité dans l’espace et dans le temps.

Enfin, une localisation probabiliste d’environ 400 séismes a été réalisée afin d’évaluer la précision du modèle de vitesse 1D actuellement utilisé au CNG, la localisation des hypocentres dépendant fortement de la précision de ce modèle. Les temps d’arrivée observés des ondes P et S issus des bulletins du CNG couvrant la période 2006-2022, ainsi que les temps d’arrivée synthétiques calculés à l’aide d’un solveur Eikonal, ont été intégrés dans une approche bayésienne. L’évaluation indique que le modèle de vitesse 1D actuel offre la représentation la plus précise de la croûte libanaise, car il présente les plus faibles écarts quadratiques moyens entre les temps observés et synthétiques, comparé à d’autres modèles de vitesse locaux et régionaux. L’amélioration de ce modèle nécessitera de repointer les temps d’arrivée des ondes P et S afin d’améliorer la fiabilité des profondeurs et des distributions spatiales des hypocentres.

Lebanon, situated at the intersection of the African and Arabian plates, is a seismically active and geologically complex region. Its tectonic setting is dominated by the Levant Transform Fault system, forming a restraining bend that uplifts the Mount Lebanon mountains. Major active faults, including the Yammouneh, Roum, Rachaya, Serghaya, and Mount Lebanon Thrust (MLT) faults, are responsible for ongoing seismic activity, as evidenced by historical earthquakes exceeding Mw 7. Characterizing the crustal structure is essential for an accurate location of the seismicity and for better understanding the seismic hazard of the country.

Receiver Functions (RF), the main method used in this study, isolates P-to-S converted phases at subsurface discontinuities such as the Moho, thereby capturing the Earth’s structural response to the incident teleseismic wavefield. In this work, synthetic modeling is used to characterize the effect of dipping interfaces and anisotropic layers on RF. Subsequently, the H–k stacking method is introduced , it allows to estimate first-order crustal parameters (Moho depth and Vp/Vs ratio). A Bayesian inversion of the arrival times of the forward and backscattered converted waves is also presented, this allows to estimate crustal properties (Moho depth, dip direction, dip value, Vp/Vs ratio and Vp) and their associated uncertainties.

Data from two permanent broadband stations operated by the National Center for Geophysics (CNG): BHL, located in central Mount Lebanon and HWQ, in the northern Mount Lebanon range, both operational since 2006, are analyzed. The results indicate a southeast-dipping Moho, with a crustal thickness of approximately 35 km depth beneath BHL, and a comparable thickness beneath HWQ, where an anisotropic lower crustal layer is also inferred.

The study is further extended to 19 temporary broadband stations, deployed between 2011 and 2012, to improve spatial coverage and refine crustal imaging across Lebanon. When combined with the permanent stations, the analysis reveals crustal thickness ranging from ~26 to 35 km, with evidence of dipping and anisotropic layers in several regions. The results indicate that the maximum crustal thickness is localized beneath Mount Lebanon. This thickening reflects transpressional deformation, with the MLT intensifying the compression beneath Mount Lebanon. These spatially detailed crustal models provide the first comprehensive view of thickness and composition variations in Lebanon. However, these results are sometimes difficult to interpret due to the limited spatial and time deployment.

Finally, a probabilistic earthquake localization for about 400 events is conducted to assess the accuracy of the current 1D velocity model used at the CNG, as earthquake hypocenters depend strongly on the accuracy of this model. Observed P- and S-wave arrivals from the CNG bulletins covering the period 2006–2022, along with synthetic travel times computed using an Eikonal solver, are integrated within a Bayesian approach. The results indicate that the current 1D velocity model offers the most accurate representation of the Lebanese crust, as it yields the lowest Root Mean Square residuals between observed and synthetic travel times compared to other local and regional models. Refining this model will require repicking the P- and S-wave arrivals , this should improve the reliability of hypocentral depths and spatial distributions.