Séisme induit

Un séisme induit est un séisme déclenché directement ou indirectement par des activités humaines qui ont modifié le jeu des forces et contraintes visco-élastiques et poro-élastiques géologiques (via des modifications géographiques, tridimensionnelles et temporelles de poids, tensions, fronts de pression, points de compression, déplacement des seuils de rupture mécanique des roches, etc.).

Les séismes induits peuvent être induits par une explosion intense (ex : essai nucléaire souterrain effectué dans des régions très isolées), des rééquilibrages microgéologiques faisant suite à des chantiers de grande ampleur (mines profondes à ciel ouvert, canal de Suez), ou à l’extraction, à l’injection ou au déplacement ou à l’accumulation locale de « fluides géologiques » (gaz, pétrole, eau) dans les mécanismes de rupture de la croûte superficielle.

Ils ont généralement des effets très locaux, et le plus souvent imperceptibles pour l’homme. Mais ils sont parfois significatifs et peuvent agir sur des objets géologiques à des échelles de dizaines de kilomètres. L'activité minière étant de plus en plus productive et profonde, ce risque pourrait être croissant.

Il est probable que dans la plupart des cas, sans l’activité humaine en cause, un séisme serait néanmoins apparu, mais sa localisation, sa date d’expression et/ou sa magnitude sont modifiées. Certaines activités humaines ont inversement peut-être empêché ou reporté des séismes en atténuant des tensions locales qui se seraient autrement peut-être libérées plus brutalement sous forme d’un séisme.^{[réf. nécessaire]}

Sources

Le poids de l'eau accumulée derrière un barrage est une des sources possible de séisme induit.

On connaît différentes sources aux séismes induits :

• La mise en eau rapide de grands barrages-réservoirs, ou leur vidange rapide (surtout si la colonne d'eau retenue dépasse 100 m) ;
• Exploitation intense de grands aquifères ;
• L'exploitation pétrolière ou gazière, qu'elle se fasse à ciel ouvert ou par puits ou puits + galeries, avec ou sans fracturation hydraulique. Des effets à échelles décakilométrique ont par exemple été constatés autour des forages du gisement de Lacq, l'un des cas les plus étudié où de faibles contraintes (<1 MPa) ont déclenché une activité sismique très significative (« 1000 événements de magnitudes comprises entre 1 et 4.2) en 20 ans. Cette séismicité est par ailleurs entretenue durant plus de 20 ans par des perturbations de l'ordre de 0.1 MPa, soit un ordre de grandeur inférieur aux perturbations qui ont déclenché le début de la séquence sismique » . Les ruptures sont des réponses à des lois de contraintes effectives, à des transferts poroélastiques ou à des compensations isostasiques. Dans le cas d'exploitation minières, pétrolières et gazière, 3 grands « déclencheurs sismiques » ont été identifiés, correspondant chacun à une forme d'exploitation et de réponse sismique liée à des paramètres de taille, temps et aux volumes en jeu) ; ce sont
  • l'augmentation de pression à la suite d'une (ou plusieurs) injection-s) de fluide ;
  • la baisse de pression due à l'extraction de fluide (avec de nombreux petits séismes induites d'une magnétude inférieure à 3 ;
  • le déficit de masse lors d'extraction massive (ces trois facteurs pouvant se cumuler dans le temps et dans un même l'espace souterrain).
• L’exploitation minière (mines de sel, mine de charbon notamment) ; Les affaissements miniers d'une part, et les impacts des pompages d'exhaure nécessaires à l'exploitation d'autre part peuvent avoir une influence sur les systèmes de failles locaux. Ainsi, pour 2,4 milliards de tonnes de charbon extraites du bassin minier du Nord-Pas-de-Calais, le volume d’exhaure était en fin d'exploitation environ de 20 000 m³ d'eau/Jour. Autre exemple, pour extraire environ 500 millions de tonnes de charbon de 1801 à 1989 dans une mine située près de Newcastle (Australie), il a fallu pomper environ 3 milliards de tonnes d'eau, ce qui aurait suffi selon le géophysicien Christian Klose de l'université Columbia à réactiver une faille située à 10 km de profondeur, causant le 28 décembre 1989 un tremblement de terre de magnitude 5,6 qui tué 13 personnes et fait 3,5 milliards de dollars de dégâts. Les forages (dont offshore et de gaz de schiste) sont de plus en plus profonds et de plus en plus associés à des injections d'eau ou boue sous très haute pression (Par exemple, dans les gisements profonds de gaz de schiste des Schistes de Haynesville (États-Unis), la pression rencontrée par le forage atteint plus de 10 000 psi. La fracturation nécessite alors selon Halliburton d'au moins doubler la pression habituellement utilisée pour l'hydrofracturation ). Ces injections génèrent de cavités et/ou des décompressions de roche ou fracturent la roche.
  L'exploitation minière peut aussi générer des brutales explosions de grisou.
  Enfin, les grands crassiers, et terrils de millions de tonnes compriment la surface ; le « rééquilibrage » qui s'ensuit peut se traduire par des effondrements ou de lents affaissements. Ces affaissements modifient parfois le paysage, avec par exemple des « descente de sol » atteignant 20 m dans le nord de la France, 17 m sur des zones habitées dans la région de Douai, qui seraient aujourd’hui sous le niveau de la nappe phréatique si celle-ci n’était pas pompée) ; Ces mouvements dans le sous-sol sont susceptibles d'interagir avec la sismique naturelle. De même en Lorraine où des quartiers ont dû être évacués ou à Gardanne (Bouches-du-Rhône) ou la population ressent une sismicité faible mais régulière.
• Les essais nucléaires souterrains (ou sous-marins). Ils génèrent une onde brève, mais puissante et brutale, susceptibles d’agir localement sur la croûte terrestre. Les sites d’essais ont été choisis pour limiter le risque, et loin des zones habitées et il n'y a pas de preuve publiée de tremblement de terre induit important, mais l'ouverture de fractures et de mouvements de faille ont été signalés, de même que des série de répliques sismiques suivant l'essai nucléaire, supposé traduire des mouvements de petites failles, des effondrement de cavités ou la formation de cheminées. Dans plusieurs cas, l'énergie sismique libérée par les mouvements de faille a même dépassé celle de l'explosion. Dans deux cas au moins, d'après une idée développée par l'industrie pétrolière dans les années 1950-1960, des essais nucléaires auraient été utilisés pour tester un éventuel effet de fracturation d'un gisement gazier ; sans résultat concluant selon Mr Courme, Directeur général de « Total Gas Shale Europe »  ;

Sécurité

Le séisme induit est une contrainte géotechnique et de sécurité à prendre en compte ;

• Pour tous les aménagements (barrages, mines ou installations géothermiques en particulier) faits en zone à risque, même et peut-être surtout dans des régions ayant une activité sismique modérée, car les normes de construction parasismique n’y sont pas appliquées comme elles le seraient dans une zone connue pour son risque^{[réf. nécessaire]}. Ainsi le forage suisse géothermique profond « en roches sèches », qui devait atteindre 5 km de profondeur, entamé en 1996 dans le quartier de Kleinhüningen à Bâle (« Deep Heat Mining ») par Geopower Bâle à l'initiative de l'Office fédéral de l'énergie (OFEN), a-t-il été fermé après qu'il a induit trois séismes du 8 décembre 2006 au début 2007 (voir plus bas, #Ampleur et occurrence).
• Pour la construction et l'entretien (vidange/remise en eau) des grands barrages artificiels.

Des capteurs associés à un système d’alerte, et des modèles mathématiques peuvent être utilisés pour gérer ce risque. Dans certains cas, on a anticipé en déclenchant les affaissements (« foudroyage » des galeries de mines par exemple).

Ampleur et occurrence

Les séismes induits sont encore mal connus. Leur existence n'est plus discutée, mais leur ampleur fait l'objet de débats, de même que le délai d'apparition du séisme (et de ses répliques). Un monitoring sismique fin de certains gisements a prouvé que beaucoup de séismes de faible magnitude (inférieure à 3) étaient produits lors de l’exploitation mais aussi parfois longtemps après celle-ci, que la géomécanique classique explique, mais peine à prévoir (amplitude, occurrence et durée).

Le premier cas documenté est celui de la mise en eau du lac Mead qui aux États-Unis en 1935 a été suivi d’une suite de petits séismes (de magnitude inférieure à 5) enregistrés dans le Nevada et l'Arizona.

En France, les études faites sur le gisement de Lacq (Pyrénées-Atlantiques) ont montré que des contraintes réputées « faibles » (<1 MPa) liées à la baisse de pression du gisement, ont engendré une activité sismique significative (jusqu’à 4,2 sur l’échelle de Richter), ensuite entretenue durant deux décennies par des perturbations encore plus faibles (environ 0,1 Mpa) ; ce sont environ 1 000 événements enregistrés en une vingtaine d’années 1920 ans, de magnitudes comprises entre 1 et 4,2.

Toujours en France, un séisme de magnitude 4,9 a été enregistré le 25 avril 1963 à la suite de la mise en eau du barrage de Monteynard (Vercors, France), peut-être par suite de l'infiltration d'eau dans les microfractures des roches favorisée par la hauteur de l’eau (loi de Darcy), ce qui aurait pu induire une moindre résistance du socle rocheux à la rupture alors qu’il était soumis à la pression supplémentaire de la masse d’eau retenue par le barrage. Cet événement a été utilisé pour améliorer la connaissance du réseau de failles sismiques potentielles au sud de Grenoble.

Hydro-Québec, qui a construit plusieurs grands réservoirs dans le nord-du-Québec depuis les années 1950 rapporte plusieurs événements de séismicité induite survenus lors du remplissage des réservoirs. Ainsi, un tremblement de terre d'une magnitude de 4,1 est survenu en octobre 1975, lors du remplissage du réservoir de la Manic-3, sur la Côte-Nord.

Le même phénomène a été noté lors du remplissage du réservoir de la centrale La Grande-2, le constructeur du barrage a mesuré une première série de séismes d'une magnitude de 1,0 sous le réservoir, situé dans le Bouclier canadien, une zone normalement reconnue pour sa faible séismicité. Cette première période de trois semaines a été suivie, 45 jours plus tard, d'une recrudescence en raison de l'augmentation du rythme de remplissage du réservoir durant la crue printanière de 1979 ; « En moins de six heures, 20 événements ont eu lieu dans cette région », relate un rapport-bilan de la Société d'énergie de la Baie James, maître d'œuvre du projet. Des secousses plus fortes — allant jusqu'à la magnitude 4 — ont été notées en de 1981 à 1984, lors du remplissage du réservoir La Grande-3, situé à environ 125 km en amont

Une modélisation des transferts de contraintes visco-élastiques et poro-élastiques induits par l’exploitation du gaz de Lacq, a montré un lien possible (mais qu’on ne peut démontrer avec certitude) avec des séismes majeurs de la faille Nord-Pyrénéenne située à 30 km plus au sud.

Dans le domaine minier, on peut supposer que des « coups de grisou » aient pu avoir des impacts ponctuels également, mais finalement insignifiants au regards des rééquilibrages de type affaissements sur le moyen et long terme.

L’exploitation rapide des gisements d'hydrocarbures est une source fréquente et attendue d'instabilités sismiques. Les séismes pouvant être alors induits par la surpression liées à l'injection de fluide; ou au contraire à la chute de pression induite par l’extraction de fluide, et enfin par le déficit de masse lors d'extraction massive.

Ce phénomène se produit même dans les puits profonds où l’on aurait pu penser que les contraintes étaient minimes comparées à celles induites par l’énorme poids de la roche périphérique. L'US Geological Survey l'a démontré et mesuré par diverses expériences dès 1969 dans le Colorado.

Le forage suisse géothermique profond « en roches sèches », qui devait atteindre 5 km de profondeur, entamé en 1996 dans le quartier de Kleinhüningen à Bâle (« Deep Heat Mining ») par Geopower Bâle à l'initiative de l'Office fédéral de l'énergie (OFEN), a été fermé après avoir induit trois séismes du 8 décembre 2006 à début 2007. Ces séismes étaient modérés, mais de magnitude supérieure à 3 (3,4 le 8 décembre 2006 à 17 h 48, au moment de l'injection d'eau sous pression dans la roche. Les injections d'eau visent à élargir les fissures existantes, éventuellement « entartrées » pour qu'on puisse y faire circuler de l'eau avant de la récupérer réchauffée). Entre le début des travaux de pompage et la première grosse secousse du 8 décembre, l'Institut de sismologie avait enregistré 36 petits séismes dont cinq ont atteint une magnitude comprise entre 2 et 3, les autres ne dépassant pas 1,5. Une autre secousse a eu lieu le 10 décembre avec une réplique de magnitude 2,5 (le 15 décembre 2006) puis le 6 et le 16 janvier (magnitude 3,2). Ces secousses ont incité le gouvernement cantonal de Bâle à la prudence, la ville ayant déjà été victime d'un grave tremblement de terre en 1356, avec un épicentre situé à proximité de ce point.

Quelques sismologues, dont le chinois Fan Xiao, puis Chritian Klose estiment que le Séisme du Sichuan de mai 2008 a pu être déclenché par le proche barrage de Zipingpu (environ 1 milliard de tonnes d'eau retenue à 500 m du réseau de faille qui a bougé lors de cet événement, dont la faille de Beichuan qui plonge à 15 à 20 km en profondeur. L'épicentre de la secousse principale, de magnitude 7,9, a été détecté à quelques kilomètres du barrage, dans une zone connue pour son risque sismique. Une étude sino-japonaise faite sur la base de 4 années d'enregistrements sismiques dans la région a conclu que le barrage avait effectivement affecté la sismicité locale. D'autres sismologues restent sceptiques quant au rôle du barrage dans le déclenchement de ce séisme.

Les cosmonautes américains, entre 1969 et 1972, avaient installé cinq stations sismologiques sur la Lune.

Prévisibilité

Les lois physiques de la mécanique classique aident à comprendre ces phénomènes, à expliquer qu'il existe des seuils critiques au-delà desquels une instabilité sismique apparaît, mais elles sont incapables de prédire un évènement (date, lieu, magnitude, durée, volume de sous-sol concerné, etc) ni d'expliquer le fait que certaines instabilités soient entretenus durant des années ni même d'expliquer l'ampleur globale d'une instabilités sismique.

Sur la base des cas de séismicité induite connus dans le monde, Jean-Robert Grasso a en 1993 a proposé une notion « de Systèmes Critiques Auto-Organisés Induits (SCAOI) où l'on peut observer la genèse, la pérennité et la disparition de systèmes critiques dans un contexte (…) d'état critique auto-organisé pour l'ensemble de la croûte supérieure ».

Utilisation

Le suivi de séismes induits peut renseigner sur la présence de failles. Les séismes induits par la mise en eau d'une retenue artificielle du Vercors (barrage M∼4-5, Monteynard) ont ainsi permis de cartographier des failles sismiques potentielles au sud de l'agglomération grenobloise. Dans ce cas les séismes jouent le rôle de « jauges de contrainte » .

Problèmes prospectifs

De nouveaux types de risques sont étudiés, dont

• pour le stockage souterrain (laboratoire) des déchets nucléaires ;
• pour le stockage géochimique de carbone sous forme de CO₂.

Séismes et réchauffement climatique ?

Un lien possible entre le réchauffement et des modifications de la sismicité planétaire globale reste une hypothèse à confirmer. En admettant que le double phénomène de fonte rapide de glaciers et calottes polaires associé à la montée des océans a une cause humaine, et qu’il peut se traduire par des rééquilibrages isostatiques générant des effets sismiques, certains séismes pourraient être considérés comme des « séismes induits » ou comme ayant une composante "induite" anthropique.

Voir aussi

Articles connexes

• Séisme
• Sismique
• Réseau sismique
• Microséisme
• Faille
• Échelle de Richter
• Échelle de magnitude du moment
• Réservoir géothermique
• Forage

Bibliographie

• (en) Kaiser PK ; Tannant DD ; McCreath DR (1996) Drift support in burst-prone ground ; CIM bulletin ; vol.89, n^o 998, p. 131-138 (15 ref.) ; ISSN:0317-0926 Ed:Canadian Institute of Mining, Metallurgy and Petroleum, Montréal (résumé Inist/CNRS)
• (en) Beayc A ; Fabriol H ; Le Masne D ; Cavoit C ; Mechler P ; Xin Kai Chen (1991) Seismic studies on the HDR site of Soultz-sous-Forêts (Alsace, France) (avec BRGM SGN/IMRG), in Geothermal science and technology : ISSN:0890-5363, vol.3, n^o 1-4 (315 p.) (12 ref.), p. 239-266
• Rothe, J. P. (1970). Séismes artificiels. Tectonophysics, 9(2), 215-238.