Seismic velocities, anisotropy and elastic properties of crystalline rocks and implications for interpretation of seismic data

La connaissance des propriétés sismiques et élastiques des roches cristallines polyphasées à haute pression et haute température est nécessaire pour interpréter les données sismiques (profils sismiques réflexion et réfraction, fonctions télésismiques, tomographie) en termes de lithologie, de minéralogie et d'état physique ainsi que pour établir des modèles lithologiques et structuraux de la lithosphère. La présente étude vise à mieux comprendre comment les propriétés sismiques et élastiques (vitesses sismiques en compression et en cisaillement (Vp et Vs), anisotropie,paramètres élastiques) en fonction de la pression de confinement varient avec la composition minéralogique et chimique, la microstructure, l'orientation préférentielle des réseaux cristallins (‘lattice preferred orientation': LPO), et la géométrie et l'état des microfissures. Cette thèse, se compose de six chapitres. Le Chapitre 1 aborde les propriétés sismiques des roches, en se concentrant sur les concepts d'élasticité et des règles mélange, et en donnant un aperçu sur des statistiques relatives aux données sismiques pour divers types lithologiques et pour des minéraux cardinaux, et ce, en relation avec les séismes dans la croûte continentale et la partie supérieure du manteau. Le Chapitre 2 traite des propriétés sismiques et élastiques mesurées à des pressions hydrostatiques allant jusqu'à 800 MPa pour 12 échantillons représentatifs du complexe du Longmen Shan, siège du grand séisme de Wenchuan en 2008. La plupart des échantillons montrent peu d'anisotropie Vp ou Vs à des pressions supérieures à la pression de fermeture des microfissures (Pc = 200-300 MPa). La variation de l'anisotropie en fonction de la pression fournit des indications importantes sur l'orientation préférentielle des microfissures dans le régime nonlinéaire poroélastique en dessous de Pc. Les profils rhéologiques et géothermiques indiquent que la profondeur au foyer (~19 km) correspond à la base de la schizosphere, niveau en dessous duquel le complexe du Longmen Shan passe d'un comportement fragile à un comportement ductile.

Abstract

The knowledge of seismic and elastic properties of polyphase crystalline rocks under high pressure and temperature conditions is fundamental in interpreting in-situ seismic data (e.g., reflections, refractions, received functions, and tomography). These data may be understood in terms of lithology, mineralogy, and physical state and as such they allow establishing lithospheric structure and composition models of continents. The present study aims to better understand how the seismic and elastic properties [e.g., compressional- and shear-wave velocities (Vp and Vs), anisotropy, and elastic parameters] under confining pressure are affected by modal and chemical compositions, microstructures, lattice preferred orientations (LPO) of rocks and by the geometry and state of microcracks. This thesis consists of six chapters. Chapter 1 addresses the framework of rock seismic property studies, focusing on the concepts of elasticity and mixture rules, and providing an overview on results of statistical analysis on previous laboratory-measured seismic data of different lithologies and rock-forming minerals, and on the seismic anisotropy of the continental crust and upper mantle. Chapter 2 deals with seismic and elastic properties measured at hydrostatic pressures up to 800 MPa for 12 representative samples from the Longmen Shan complex in which the great 2008 Wenchuan earthquake took place. These allowed understanding how coseismic ruptures nucleated and propagated. Most of the samples show little Vp or Vs anisotropy at pressures above the closure-pressure of microcrack (Pc=200-300 MPa), the variation of anisotropy with pressure thus provides important hints for the preferred orientation of microcracks in the nonlinear poroelastic regime below Pc. Geothermal and rheological profiles indicate that the focal depth (~19 km) corresponds to the base of the schizosphere, below which the Longmen Shan complex switches from brittle to ductile behaviour.