Les scientifiques se demandent depuis longtemps l’origine des essaims de tremblements de terre :l’apparition soudaine de nombreux petits tremblements de terre dans une petite région. Ils apparaissent généralement avant de grands tremblements de terre ou des éruptions volcaniques, mais ils ne représentent qu’une infime fraction de tous les essaims sismiques. La plupart des essaims se produisent loin des volcans et des zones d'activité tectonique.
En étudiant un essaim de tremblements de terre qui a frappé un champ de pétrole et de gaz en Oklahoma, des scientifiques de l'ETH Zurich et de l'Université du Texas à Austin suggèrent une explication simple dans un article publié dans Nature Geoscience. Les essaims sont causés par des changements dans l’équilibre des eaux souterraines et des eaux fossiles provenant des couches profondes soulevées par l’extraction de pétrole et de gaz.
«Les tremblements de terre en essaim sont l'un des types de tremblements de terre les plus courants dans le monde, mais leur origine reste un véritable mystère», explique le professeur Domenico Giardini de l'ETH. "Nous avons voulu savoir pourquoi, dans la plupart des cas, il n'y a rien d'autre derrière eux que de l'eau".
Hydroséismes provoqués par l'activité humaine
La majeure partie de l'eau présente naturellement dans la croûte terrestre est emprisonnée dans de minuscules pores entre les grains minéraux. Cependant, lorsque les roches sont soumises à une pression très élevée, l’eau absorbée peut commencer à s’échapper.
L'essaim étudié par les scientifiques de l'Oklahoma a duré six mois et s'est produit à des profondeurs relativement faibles, de 1,5 à 6,5 kilomètres. Comme le montrent les scientifiques dans leur article, au cours de cet essaim, le niveau des eaux souterraines dans la région touchée a augmenté de plus de 10 mètres. Dans le même temps, la pression des fluides dans la croûte terrestre a également augmenté, ce qui a déclenché une série de tremblements de terre.
Les tremblements de terre ont probablement été déclenchés lorsque la montée des eaux a atteint des zones de failles géologiques. Les failles sont des surfaces fracturées entre des roches et, dans des conditions normales, les surfaces des roches opposées sont scellées par la pression à laquelle elles sont soumises. Cependant, à mesure que la pression dans la roche environnante augmente, les fluides présents dans le plan de faille deviennent capables de se dissoudre et d'user les surfaces rocheuses, affaiblissant ainsi la capacité de résistance des roches.
Finalement, les forces agissant sur les plans de faille provoquent le glissement des roches, libérant ainsi l'énergie accumulée sous la forme d'un tremblement de terre. «Les essaims sont comme de minuscules copies de ce qui se passe avant les grands tremblements de terre tectoniques, nous pouvons donc en tirer des leçons à une échelle beaucoup plus petite», explique Michael Goebel, chercheur postdoctoral à l'ETH et auteur principal de l'article.
Une chaîne d'événements
Pour certaines failles, le processus d'affaiblissement se produit assez rapidement, en quelques mois, voire quelques heures, et les fluides sont capables de séparer les roches assez rapidement, ce qui crée un essaim de petites secousses. Pour d’autres failles, l’affaiblissement se produit plus lentement au fil des années, et les mouvements qui en résultent ne produiront que quelques tremblements de terre, mais beaucoup plus importants.
Dans leur étude, les chercheurs décrivent une interaction complexe entre les changements du niveau de la nappe phréatique, qui entraînent des changements de pression dans la roche, et les propriétés des failles, qui entraînent des changements dans l'ampleur des tremblements de terre. "Comprendre cette interaction est crucial pour comprendre l'ensemble du processus", explique Giardini, qui est également directeur du Service sismologique suisse (SED) de l'ETH Zurich, qui gère un réseau de stations de surveillance sismique à travers le pays.
Un phénomène courant ?
Les scientifiques ont étudié cet essaim particulier en Oklahoma, mais ils soupçonnent que les mécanismes sous-jacents sont communs à d’autres essaims se produisant dans d’autres régions du monde. Les essaims se produisent fréquemment dans le cadre de l’extraction de pétrole et de gaz, ainsi que dans les champs géothermiques et à proximité des barrages, où des modifications du bilan hydrique pourraient déclencher des modifications de la pression crustale.
Les résultats obtenus par les chercheurs sont particulièrement pertinents pour la surveillance sismique à des fins de sécurité, par exemple la surveillance dans les centrales nucléaires ou lors d'injections de fluides dans le sol. Leurs découvertes aident à distinguer les essaims inoffensifs entraînés par des fluides des autres essaims qui pourraient être liés à une activité volcanique ou tectonique.
