La carte de l'USGS met en évidence les zones à risque sismique. Les cases bleues indiquent les zones de forte activité de tremblement de terre d'origine humaine en raison de l'injection de fluide de forage profond. Crédit :USGS
En utilisant les données d'expériences sur le terrain et la modélisation des défauts de terre, des chercheurs de l'Université Tufts ont découvert que la pratique de l'injection de fluide sous la surface utilisée dans la « fracturation hydraulique » et l'élimination des eaux usées pour l'exploration pétrolière et gazière pourrait causer des propagation rapide de l'activité sismique au-delà de la zone de diffusion des fluides. Les injections de fluides profondes, à plus d'un kilomètre de profondeur, sont connues pour être associées à une activité sismique accrue, souvent considérées comme limitées aux zones de diffusion de fluides. Pourtant l'étude, publié aujourd'hui dans la revue Science , teste et soutient fortement l'hypothèse que les injections de fluides provoquent des séismes potentiellement dommageables plus loin par le glissement lent des réseaux de fractures de failles préexistants, à la manière des dominos.
Les résultats expliquent l'observation que la fréquence des tremblements de terre d'origine humaine dans certaines régions du pays dépasse les points chauds naturels des tremblements de terre.
L'étude représente également une preuve de concept dans le développement et le test de modèles plus précis du comportement des défauts à l'aide d'expériences réelles sur le terrain. Une grande partie de notre compréhension actuelle de la physique des failles géologiques est dérivée d'expériences en laboratoire menées à des échelles de longueur d'échantillon d'un mètre ou moins. Cependant, les tremblements de terre et la rupture de faille se produisent à des échelles beaucoup plus grandes. Les observations de rupture de faille à ces plus grandes échelles sont actuellement effectuées à distance et fournissent de mauvaises estimations des paramètres physiques du comportement des failles qui seraient utilisées pour développer un modèle des effets artificiels. Plus récemment, la communauté scientifique sur les tremblements de terre a consacré des ressources à des expériences d'injection à l'échelle du terrain pour combler l'écart d'échelle et comprendre le comportement des failles dans son habitat naturel.
Les chercheurs ont utilisé les données de ces injections expérimentales sur le terrain, précédemment menée en France et animée par une équipe de chercheurs basée à l'Université d'Aix-Marseille et à l'Université de Nice Sophia-Antipolis. Les expériences ont mesuré la pressurisation et le déplacement des failles, glissement et d'autres paramètres qui sont introduits dans le modèle de glissement de faille utilisé dans la présente étude. L'analyse des chercheurs de Tufts fournit l'inférence la plus solide à ce jour selon laquelle le glissement activé par le fluide dans les failles peut rapidement dépasser la propagation du fluide sous terre.
L'injection d'eaux usées à des kilomètres sous terre conduit à une zone de fluide interstitiel sous pression dans la roche (zone ombrée en bleu). Les auteurs de l'étude constatent qu'une telle injection peut induire la rupture lente de failles (traits noirs épais) qui se propagent plus vite que le fluide ne peut migrer. La perturbation des contraintes de ce glissement de faille peut être la principale cause d'un nuage de sismicité en expansion (cercles gris), souvent observé sur le terrain. De fines lignes noires indiquent une préexistence, mais des défauts pas encore activés. Crédit :Rob Viesca &Pathikrit Bahattacharya, Université Tufts
"Une contrainte importante dans le développement de modèles numériques fiables d'aléa sismique est le manque d'observations du comportement des failles dans son habitat naturel, " dit Pathikrit Bhattacharya, un ancien post-doctorant au département de génie civil et environnemental de la School of Engineering de l'Université Tufts et auteur principal de l'étude. « Ces résultats démontrent que, quand disponible, de telles observations peuvent fournir un aperçu remarquable du comportement mécanique des défauts et nous obliger à repenser leur potentiel de danger". Bhattacharya est maintenant professeur adjoint à l'École de la Terre, Sciences de l'océan et du climat à l'Institut indien de technologie de Bhubaneswar, Inde.
Le danger posé par les tremblements de terre induits par les fluides est un sujet de préoccupation croissante du public aux États-Unis. L'effet du tremblement de terre d'origine humaine est considéré comme responsable de faire de l'Oklahoma - une région très active d'exploration pétrolière et gazière - la région sismique la plus productive du pays, y compris la Californie. « Il est remarquable qu'aujourd'hui, nous ayons des régions d'activité sismique artificielle qui dépassent le niveau d'activité des points chauds naturels comme le sud de la Californie, " a déclaré Robert C. Viesca, professeur agrégé de génie civil et environnemental à la Tufts University's School of Engineering, co-auteur de l'étude et superviseur post-doctoral de Bhattacharya. "Nos résultats permettent de valider les conséquences suspectées de l'injection de fluide profondément dans le sous-sol, et un outil important pour évaluer la migration et le risque de séismes induits dans les futures explorations pétrolières et gazières. »
La plupart des tremblements de terre induits par la fracturation hydraulique sont trop petits – 3,0 sur l'échelle de Richter – pour être un problème de sécurité ou de dommages. Cependant, la pratique de l'injection profonde des déchets issus de ces explorations peut affecter des failles plus profondes et plus grandes qui sont soumises à des contraintes et sensibles au glissement induit par les fluides. L'injection d'eaux usées dans des forages profonds (supérieurs à un kilomètre) peut provoquer des tremblements de terre suffisamment importants pour être ressentis et causer des dommages.
Selon le US Geological Survey, le plus grand séisme induit par l'injection de fluide et documenté dans la littérature scientifique était un séisme de magnitude 5,8 en septembre 2016 dans le centre de l'Oklahoma. Quatre autres tremblements de terre supérieurs à 5,0 se sont produits dans l'Oklahoma à la suite d'une injection de fluide, et des séismes de magnitude comprise entre 4,5 et 5,0 ont été induits par injection de fluide en Arkansas, Colorado, Kansas et Texas.
