Une plate-forme de forage à la zone de gaz de schiste de Fayetteville dans l'Arkansas. La région a été secouée par des tremblements de terre en 2010 et 2011 à la suite d'injections d'eaux usées provenant des opérations de gaz naturel dans des puits souterrains profonds. Crédit :Bill Cunningham/USGS
Les géoscientifiques de Stanford ont mis au point un moyen de détecter des milliers de faibles, tremblements de terre précédemment manqués déclenchés par la fracturation hydraulique, ou "fracking".
La technique peut être utilisée pour surveiller les activités sismiques lors des opérations de fracturation hydraulique pour aider à réduire la probabilité de plus gros, tremblements de terre potentiellement dommageables, selon la nouvelle étude.
"Ces petits tremblements de terre peuvent agir comme des canaris dans une mine de charbon, " a déclaré le co-auteur de l'étude William Ellsworth, professeur (recherche) de géophysique à la Stanford's School of Earth, Sciences de l'énergie et de l'environnement. "Quand ils arrivent, ils doivent être considérés comme des indicateurs de mise en garde des conditions souterraines qui pourraient conduire à des tremblements de terre plus importants. »
La fracturation consiste à injecter un fluide à haute pression sous terre pour fissurer les roches ouvertes et libérer le gaz naturel piégé à l'intérieur. Alors que les rochers craquent, ils produisent de minuscules tremblements de terre qui étaient généralement trop petits pour être détectés – jusqu'à présent.
« Dans notre étude, vous pouvez réellement voir des tremblements de terre individuels se produire à côté de la section d'un puits qui est fracturée, " a déclaré Clara Yoon, étudiante au doctorat à Stanford, auteur principal de l'étude publiée dans le Journal de recherche géophysique .
tremblements de terre en Arkansas
En octobre 2010, les résidents près d'un champ de gaz naturel de l'Arkansas ont été secoués par un tremblement de terre de magnitude 4 qui a été suivi de deux répliques plus importantes en février 2011.
Les scientifiques disent que ces grands tremblements de terre ont été causés par des injections d'eaux usées provenant de sites de fracturation dans des puits souterrains profonds, et non par des opérations de fracturation plus près de la surface.
« Ce sont quelques-uns des premiers tremblements de terre liés au développement du gaz de schiste à attirer l'attention nationale, " a déclaré Ellsworth.
Des tremblements de terre de magnitude 4 et plus ont par la suite secoué l'Oklahoma, Texas et autres États producteurs de gaz et de pétrole.
Exploration de données
En utilisant un algorithme avancé d'exploration de données développé par Yoon et ses collègues, l'équipe de Stanford a mené une analyse rétrospective de l'activité sismique en Arkansas avant l'événement de magnitude 4. L'algorithme utilise la reconnaissance du modèle de tremblement de terre pour générer des enregistrements détaillés de la sismicité.
De petits tremblements de terre (étoiles jaunes) peuvent être induits lors de la fracturation hydraulique lorsqu'un fluide à haute pression (flèches bleues) est pompé dans des puits horizontaux pour fissurer des couches rocheuses contenant du gaz naturel. Les tremblements de terre (étoiles vertes) peuvent également être induits par l'évacuation des eaux usées des opérations gazières et pétrolières dans des puits verticaux profonds. Heures supplémentaires, la couche de stockage s'éloigne du puits (flèches vertes en pointillés), des défauts préexistants déstabilisants. Crédit :Clara Yoon
L'analyse a suivi les événements sismiques générés dans les puits de production qui utilisaient la fracturation hydraulique et dans des puits d'élimination des eaux usées plus profonds à proximité.
« Nous étions intéressés par le début de la séquence qui a conduit au séisme de magnitude 4, " a déclaré Yoon. "Nous avons examiné la première période d'activité sismique en 2010, du 1er juin au 1er septembre quand l'injection des eaux usées ne faisait que commencer."
Lorsque Yoon a exécuté l'algorithme sur cet ensemble de données, elle en a découvert plus de 14, 000 petits, tremblements de terre non signalés auparavant. En comparant le moment et l'emplacement des tremblements avec les données d'injection de fluide fournies par l'État de l'Arkansas, Yoon a pu démontrer que la plupart des tremblements de terre étaient le résultat direct des opérations de fracturation hydraulique dans 17 des 53 puits de production.
"C'était une surprise, " a déclaré le co-auteur Gregory Beroza, le professeur Wayne Loel de géophysique à Stanford. « On avait pensé, et nous avons pensé, que les premiers tremblements de terre dans cette zone étaient liés à l'injection d'eaux usées. Mais nous avons découvert que la majorité était causée par la fracturation hydraulique."
Séismes persistants
De nombreux tremblements de terre induits par la fracturation hydraulique étaient également plus importants et plus persistants que prévu – des propriétés inhabituelles indiquant des problèmes potentiels à venir.
Les tremblements de terre générés par la fracturation hydraulique ne dépassent généralement pas la magnitude 0. Cela équivaut à la quantité d'énergie libérée lorsqu'un carton de lait frappe le sol après être tombé d'un comptoir.
Mais plusieurs séismes observés dans l'étude étaient de magnitude 1, qui est 31 fois plus fort qu'un séisme de magnitude 0. Quelques-uns étaient au-dessus de la magnitude 2, qui est 1, 000 fois plus fort que la magnitude 0.
La plupart des séismes induits par la fracturation hydraulique se produisent près du puits et se dissipent rapidement. Mais certains des tremblements de terre de l'Arkansas ont été localisés loin du puits de forage et se sont poursuivis des semaines après la fin des opérations de fracturation hydraulique.
« Nous avons été particulièrement surpris par l'ampleur et la persistance de la sismicité, " a déclaré Ellsworth. " Lorsque les tremblements de terre au cours des opérations de fracturation hydraulique sont plus importants que prévu et persistent pendant des semaines, cela indique un niveau élevé de stress dans cette zone. Les défauts soumis à de fortes contraintes sont instables et peuvent glisser, déclenchant des tremblements de terre plus importants."
Le fait que la fracturation hydraulique à proximité des puits d'eaux usées a provoqué des milliers de tremblements de terre - trop nombreux, trop grand et trop long - était un signal d'alarme indiquant que les conditions de stress plus profond étaient également amorcées pour créer l'instabilité qui a déclenché des tremblements de terre plus importants, il ajouta.
« Nous voulons encourager une surveillance sismique continue avant le début des opérations de fracturation, pendant qu'ils sont en cours et après qu'ils ont terminé, " a déclaré Beroza. " L'algorithme développé par Clara offre un méthode rentable pour obtenir plus d'informations à partir des données existantes, afin qu'à l'avenir, des décisions éclairées puissent être prises afin de réduire les risques de séismes plus importants."
