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

RESUME La connaissance des proprietes sismiques et elastiques des roches cristallines polyphasees a haute pression et haute temperature est necessaire pour interpreter les donnees sismiques (profils sismiques reflexion et refraction, fonctions telesismiques, tomographie) en termes de lithologie, de mineralogie et d'etat physique ainsi que pour etablir des modeles lithologiques et structuraux de la lithosphere. La presente etude vise a mieux comprendre comment les proprietes sismiques et elastiques (vitesses sismiques en compression et en cisaillement (Vp et Vs), anisotropie,parametres elastiques) en fonction de la pression de confinement varient avec la composition mineralogique et chimique, la microstructure, l’orientation preferentielle des reseaux cristallins (‘lattice preferred orientation’: LPO), et la geometrie et l'etat des microfissures. Cette these, se compose de six chapitres. Le Chapitre 1 aborde les proprietes sismiques des roches, en se concentrant sur les concepts d'elasticite et des regles melange, et en donnant un apercu sur des statistiques relatives aux donnees sismiques pour divers types lithologiques et pour des mineraux cardinaux, et ce, en relation avec les seismes dans la croute continentale et la partie superieure du manteau. Le Chapitre 2 traite des proprietes sismiques et elastiques mesurees a des pressions hydrostatiques allant jusqu'a 800 MPa pour 12 echantillons representatifs du complexe du Longmen Shan, siege du grand seisme de Wenchuan en 2008. La plupart des echantillons montrent peu d’anisotropie Vp ou Vs a des pressions superieures a 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 preferentielle des microfissures dans le regime nonlineaire poroelastique en dessous de Pc. Les profils rheologiques et geothermiques indiquent que la profondeur au foyer (~19 km) correspond a la base de la schizosphere, niveau en dessous duquel le complexe du Longmen Shan passe d’un comportement fragile a 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.