Les vitesses des ondes de compression (Vp) et de cisaillement (Vs) dans plus de 1000 échantillons de roches provenant de partout dans le monde sont présentées pour des pressions de confinement élevées et sont destinées à des travaux de recherche fondamentale et à des applications en sismique et en génie. Ces échantillons comprennent une gamme étendue de roches ignées, métamorphiques et sédimentaires de la croûte continentale et de la croûte océanique ainsi qu'un grand ensemble de minerais fournis par l'industrie minière. Les mesures de la vitesse ont été effectuées à la température de la pièce à des pressions hydrostatiques de confinement variant de 10 MPa à 1 GPa par la méthode de transmission d'impulsions. Les vitesses ont été mesurées parallèlement et perpendiculairement à la foliation et à la linéation des échantillons présentant des fabriques marquées afin d'en déterminer l'anisotropie et, pour un certain nombre d'échantillons, les mesures ont été effectuées tant sur des échantillons secs que sur des échantillons mouillés, ce qui porte le nombre total de mesures introduites dans la base de données à plus de 2800. La masse volumique est fournie pour tous les échantillons et des analyses modales sont fournies pour 20 % des échantillons.

Les mesures de la vitesse du son dans la roche sont abondamment utilisées en géophysique et en génie pour l'étude de la structure, de la composition et de l'état physique de la croûte terrestre. Par exemple, des mesures en laboratoire de la vitesse des ondes de compression (Vp) et des ondes de cisaillement (Vs) dans des roches soumises à des pressions élevées peuvent être utilisées pour l'interprétation, en termes de pétrographie, des vitesses dans l'écorce terrestre obtenues par sismique réfraction parce que ces vitesses sont très sensibles à la composition des roches. Semblablement, les différences entre les vitesses mesurées en laboratoire et les vitesses réellement observées dans les formations rocheuses permettent d'estimer la porosité des formations, alors que les vitesses dans les formations elles-mêmes servent à établir les conversions de temps en profondeur lors des levés de sismique réflexion. Parmi les autres applications de ces données mentionnons la prévision de la réflectivité sismique aux limites lithologiques dans l'écorce terrestre et l'estimation des propriétés géotechniques de la roche. Afin de fournir une base quantitative pour ces applications, la Commission géologique du Canada (CGC), de concert avec l'Université Dalhousie, a mesuré les propriétés acoustiques (Vp, Vs, masse volumique) dans plus de 1000 échantillons de roches pour des pressions hydrostatiques de confinement variant de 10 à 1000 MPa au laboratoire des hautes pressions de la CGC à l'Université Dalhousie, situé à Halifax, en Nouvelle-Écosse. Les échantillons examinés proviennent surtout de roches ignées, métamorphiques et sédimentaires ainsi que de minerais prélevés au Canada, mais comprennent également des échantillons de la croûte océanique et de la croûte continentale provenant de partout dans le monde (voir les figures 1 et 2 illustrant de façon générale les emplacements des échantillons). La base de données résultant de ces études est présentée ci-dessous avec une description des installations du laboratoire et des méthodes utilisées, de même qu'un bref résumé sur les données.

Le laboratoire des hautes pressions de la CGC/Université Dalhousie est équipé d'un ensemble d'appareils sous pression qui peuvent servir au traitement sous pression et aux mesures de vitesse. Le principal appareil (figure 3) est un contenant d'acier de 7 tonnes à double paroi, dont l'espace utile de la cavité est de 40 cm de long sur 10 cm de diamètre. Cet appareil peut exercer une pression hydrostatique de confinement de 1,4 Gpa ou 200 000 psi, ce qui en fait le plus grand contenant sous pression au monde permettant d'exercer une telle pression. Le milieu conducteur de pression est constitué d'un liquide hydraulique léger pompé dans la cavité au moyen d'un multiplicateur de pression en deux étapes. Les impulsions électriques sont transmises aux échantillons dans la cavité par huit (8) trous d'interconnexion coniques isolés traversant le capuchon d'extrémité du contenant, permettant de mesurer simultanément jusqu'à six échantillons. Le dispositif, mis au point par Harwood Engineering avec l'aide financière du Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie du Canada, est logé dans une chambre en béton armé et contrôlé à partir de panneaux de réglage situés dans un laboratoire adjacent (figure 4).

Les vitesses sont mesurées dans des mini-carottes d'une longueur de 2,5 à 6,0 cm et d'un diamètre de 2,5 cm par la méthode de transmission d'impulsions de Birch (1960) et Christensen (1985). Des transducteurs de zirconate de plomb de 1 MHz installés sur des électrodes auxiliaires sont utilisés pour acheminer et capter des ondes P dans les échantillons, tandis que des transducteurs de titanate-zirconate de plomb de 1 MHz installés sur des électrodes sont utilisés pour les mesures des ondes S. Afin d'éviter que le milieu conducteur n'envahisse l'échantillon pendant l'essai de pression, les mini-carottes sont gainées de minces feuilles de cuivre et tout l'assemblage échantillon/transducteur/électrode est enfermé dans un tube de néoprène. Après que l'assemblage contenant l'échantillon a été scellé dans le contenant sous pression et que la pression a été augmentée, le transducteur d'émission est excité par une pointe de haute tension émise par un générateur d'impulsions et le temps de parcours jusqu'au transducteur de réception est mesuré suivant des intervalles de pression spécifiques au moyen d'un oscilloscope numérique ultramoderne. La vitesse est ensuite calculée d'après le temps de parcours et la longueur de l'échantillon. On estime que l'exactitude est à 0,5 % près pour la Vp et à 1 % près pour la Vs.

Lors d'un essai de pression typique (figure 5), la vitesse augmente rapidement de 0 MPa à environ 200 MPa en réponse à la fermeture de microfissures et linéairement à des pressions plus élevées en réponse aux propriétés intrinsèques d'élasticité des minéraux dans la roche. Étant donné que, pour toute pression donnée, les vitesses sont généralement plus élevées pendant la décompression que pendant la compression, et que le cycle de décompression est plus représentatif des conditions sur le terrain, les vitesses indiquées ci-dessous ont été relevées d'après les courbes de décompression. Tous les échantillons ont été mesurés à sec (D) à la température de la pièce et un petit nombre d'entre eux ont été mesurés de nouveau lorsque mouillés (W) après saturation dans l'eau, afin de simuler le plus fidèlement possible les conditions sur le terrain. Pour les échantillons ne présentant aucune fabrique visible, la Vp et la Vs n'ont été mesurées que dans une seule direction arbitraire. Pour les échantillons présentant une fabrique prononcée, les vitesses étaient habituellement mesurées dans plusieurs directions, c'est-à-dire avec des directions de propagation et de vibration parallèles (p) et perpendiculaires (n) à la foliation (F), à la stratification (B) et à la linéation (L).

Dans la base de données de la CGC/Université Dalhousie, les vitesses des ondes de compression sont présentées avec les masses volumiques, les descriptions lithologiques et les emplacements de plus de 1000 échantillons de roches. En outre, les vitesses des ondes de cisaillement sont indiquées pour environ le quart des échantillons et l'anisotropie a été mesurée dans bon nombre d'échantillons, ce qui porte à environ 2800 le nombre total d'essais de vitesse.

Comme on peut le constater dans les figures 6 et 7, qui représentent respectivement la Vp et la Vs par rapport à la masse volumique pour une pression de confinement de 200 MPa pour tous les essais sur les échantillons de la base de données, les roches examinées montrent une gamme étendue de vitesses et de masses volumiques. Tandis qu'une partie de la plage des vitesses s'explique par l'anisotropie ou par les différences de saturation en eau, la plus grande partie de la variation de la vitesse et toute la variation de la masse volumique sont attribuables aux caractéristiques minérales. La plupart des roches qui présentent des masses volumiques < 3 g/cc sont des roches silicatées dont la vitesse tend à augmenter avec la masse volumique. Le grand champ à la droite de celui des silicates est occupé par des minerais dans lesquels les vitesses sont régies par les variations de la liaison et de la masse atomique moyenne des minéraux constituants du minerai et par leur dilution dans les roches hôtes silicatées ou carbonatées.

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Birch, F., 1960. « The velocity of compressional waves in rocks to 10 kilobars, Part 1» , Journal of Geophysical Research, 65, p. 1083 à 1102.

N.I., 1985. Measurements of dynamic properties of rock at elevated temperatures and pressures , American Society for Testing and Materials, Spec. Pub. 869, p. 93 à 107.

• Responsable scientifique
  Matthew Salisbury
  Commission géologique du Canada - Atlantique
  L'institut océanographique de Bedford
  C.P. 1006, Dartmouth (Nouvelle-Écosse)
  Canada, B2Y 4A2
  
• Technologue principal
  Robert Iuliucci
  Department of Earth Sciences
  Université Dalhousie, Halifax, N.-É.
  Canada, B3H 3J5

• Commission géologique du Canada
  • CGC Atlantique
• Dalhousie University: Earth Sciences