Shear-Wave Splitting in a Critical Crust: the Next Step Biréfringence des ondes transversales dans les croûtes critiques : la prochaine étape

Abstract

Arguably, shear-wave splitting displaying azimuthal anisotropy has not lived up to its initial promise of opening a new window for understanding cracks and stress in the crust. This paper reviews two recent related developments which appear to renew these initial hopes and provide new opportunities for monitoring, modelling, and even predicting, the (pre-fracturing) deformation of fluid-saturated microcracked rock. A recently developed model of anisotropic poro-elasticity (APE) for the stress-induced evolution of fluid-saturated microcracked rock matches a wide range of otherwise inexplicable or dissociated phenomena and appears to be a good first-order approximation to the evolution of fluid-saturated microcracked rock. Since the parameters that control small-scale (pre-fracturing) deformation also control shear-wave splitting, it appears that the evolution of fluid-saturated microcracked rock can be directly monitored by shear-wave splitting, and the response to future changes predicted by APE. The success of APE-modelling and observations of shear-wave splitting imply that almost all rock is close to a state of fracture criticality associated with the percolation threshold, when shear-strength is lost and through-going fractures can propagate. This confirms other evidence for the self-organized criticality of in situ rock. The significance of this identification is that the small-scale physics that controls the whole phenomena can now be identified as the stress-induced manipulation of fluids around intergranular microcracks. This has the possibly unique advantage amongst critical systems that details of the pre-fracturing deformation and the approach to the criticality threshold (in this case the proximity to fracturing) can be monitored at each locality by appropriate observations of shear-wave splitting. This paper reviews the these developments and discusses their implications and applications, particularly the implications of self-organized criticality. The next step is to employ these techniques to model, monitor, and predict the effects of changing conditions on the deformation of the rockmass. On pourrait avancer que l'anisotropie dans la biréfringence des ondes transversales n'a pas répondu à ses promesses initiales, à savoir ouvrir une nouvelle voie dans la compréhension des phénomènes de fissures et de contraintes dans la croûte terrestre. Dans cet article sont présentés deux développements révélés récemment, qui paraissent raviver ces premiers espoirs et apportent des opportunités nouvelles pour le contrôle, la modélisation et même la prévision des déformations (avant fracture) dans les roches microfracturées et saturées de fluides. Ainsi, un modèle de poroélasticité (APE) développé récemment concerne l'évolution sous contraintes des roches microfracturées et saturées en fluide et reproduit une large gamme de phénomènes, qui seraient autrement inexpliqués ou dissociés, et semble être une bonne approximation au premier ordre de l'évolution des roches microfracturées et saturées en fluide. Puisque les paramètres qui contrôlent à petite échelle la déformation (avant fracture) contrôlent aussi la biréfringence des ondes transversales, il apparaît que l'évolution des roches microfracturées et saturées peut être aussi directement contrôlée par cette biréfringence et que la réponse à des changements futurs peut être prédite par l'APE. Le bon usage de la modélisation de l'APE et des observations de la biréfringence des ondes transversales implique que la plupart des roches soient proches d'un stade de fracturation critique associé à une percolation limite, situation où la résistance aux contraintes transversales disparaît et où les fractures transversales peuvent se propager. Ceci corrobore une autre hypothèse concernant la mise en situation critique spontanée des roches in situ. La conséquence de cette identification est que la physique à petite échelle, qui contrôle l'ensemble du phénomène, peut maintenant être associée aux contraintes générées par les fluides baignant les fissures intergranulaires. Ceci a probablement l'avantage unique, parmi les systèmes critiques, de donner la possibilité de contrôler en chaque point les détails des déformations avant fracture et l'approche du seuil critique (dans ce cas l'approche d'une fracturation), au moyen d'observations adéquates de la biréfringence des ondes transversales. Cet article passe en revue ces développements et commente leurs conséquences et leurs applications, en particulier les conséquences sur la mise en situation critique des roches spontanément. L'étape suivante sera d'exploiter ces techniques pour modéliser, contrôler et prédire les effets de changements de conditions sur la déformation de la masse rocheuse.