De quelle importance sont les tremblements de terre

ReFINE Briefing Note
De quelle importance sont les tremblements de terre causés
par la fracturation hydraulique?
Ce dossier est basé sur l’article : « Séismes induits et fracturation
hydraulique pour la récupération d’hydrocarbures » de Richard J.
Davies, Gillian Foulger, Annette Bindley et Peter Styles, publié en
ligne dans Marine and Petroleum Geology, avril 2013, et disponible
pour téléchargement gratuit sur : www.refine.org.uk
La fracturation hydraulique, souvent appelé « fracking
», est un processus où la roche est fracturée de façon
délibéré par l’injection de fluide à très haute pression.
Lors d’une récente exploration de gaz de schiste (aussi
appelé gaz de roche mère) dans le Lancashire au
Royaume-Uni, la fracturation hydraulique s’est
accompagnée de petits tremblements de terre,
suscitant l’inquiétude du publique. Afin d’enquêter
cette question, Durham Energy Institute et l’université
de Keele ont effectué une synthèse des données
publiées sur les séismes induits (secousses déclenchées
par des activités humaines). Ces travaux montrent que
la sismicité induite par fracturation hydraulique a
typiquement une ampleur beaucoup plus petite que
les événements sismiques causés par l’exploitation
minière, l’épuisement de gisement de gaz et de pétrole
et le remplissage de réservoirs d’eau.
Qu’est-ce que la sismicité induite ?
Les secousses et tremblements de terre se produisent
lorsqu’une faille géologique s’active soudainement : le
terme technique pour un tel événement étant
sismicité. Ceci reflète la structure de la croûte terrestre
dans cette région ainsi que les forces appliquées
dessus. La sismicité est dite induite lorsque l’activité
humaine produit un mouvement sur une faille
dormante. Elle peut être due au retrait de matériaux
au cours de l’exploitation minière par exemple, ou bien
liée à l’addition de fluide qui vont lubrifier une zone de
failles dans le cas de la fracturation hydraulique.
Figure 1 : Section 3D
simplifiée à travers un site
de production de gaz de
schistes. Un puits est foré
dans un argilite enfoui en
profondeur et riche en
gaz. Des fluides y sont
forcés à haute pression
provoquant une rupture
de la roche et la libération
du gaz piégé. Il semble
que la sismicité induite
prend place lorsque cette
fracturation hydraulique
permet aux fluides de
joindre une faille.
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Il semble que l’injection de fluide dans des argilites afin
de créer des fractures (Fig. 1) permet à ce réseau de
fractures de se dans la zone de failles provoquant un
glissement. Les mécanismes, ampleurs et fréquences
des séismes induits par fracturation hydraulique sont
mal compris et jusqu’à présent n’ont pas été placé
dans le contexte global avec les autres formes de
sismicité induite.
Qu’est-ce que l’ampeur sismique?
L’ampleur est la taille d’un tremblement de terre et
peut être mesurée de différentes façons. En parlant
d’ampleur, l’idée prédominante est celle de l’échelle
de Richter, mais ceci n’est qu’une mesure de l’ampleur
locale. Afin d’évaluer l’énergie dégagé par un
tremblement de terre, les sismologues utilisent les
concepts fondamentaux de la physique pour
déterminer le moment sismique. A partir de là,
l’échelle de l’ampleur du moment est définie. Elle est à
présent utilisée aux côtés de l’échelle de Richter. Un
tremblement de terre avec une ampleur au-dessous de
3 est rarement ressenti par les humains. Une ampleur
de 3 dégage environ 30 fois moins d’énergie qu’une
secousse d’ampleur 4, et environ 900 fois moins qu’un
tremblement d’ampleur 5.
La sismicité induite : une synthèse globale
Les données publiées rassemblées dans l’étude sont
résumées dans la figure 2 qui montre l’ampleur et la
fréquence de séismes induits provoqués par
différentes activités. En examinant près de 200 cas
publiés de sismicités induites depuis 1929, notre travail
offre la première synthèse sur le sujet, et place la
sismicité liée à la fracturation hydraulique dans un
contexte plus large. Notre travail montre que la
sismicité induite peut être produite par différentes
activités humaines et non uniquement par la
fracturation hydraulique liée à l’exploitation de gaz de
schiste, dont trois localités sont connues. En font partie
sont la construction de barrages sur les rivières, (mise
en eaux ; totale=39), l’extraction d’hydrocarbures
(épuisement ; totale=42), l’exploitation minière
(totale=77) et la fracturation de roches pour la
production d’énergie géothermique (totale=21).
Quels événements ont causé les plus grands séismes
induits ?
Les séismes induits ayant les plus grandes ampleurs
sont les suivants : mise en eaux du réservoir (max. 7.9),
épuisement de gisement d’hydrocarbure (7.3),
exploitation minière (5.6), stockage souterrain de
déchets (5.3), injection d’eau dans un gisement de
pétrole (5.1), production d’énergie géothermique (4.6),
fracturation hydraulique de schiste (3.1). Par la nature
même du processus de briser sous pressions des
roches, la fracturation hydraulique va engendrer de la
sismicité induite, mais l’analyse des données indique
que cela se produira à petite ampleur (Fig. 3).
Figure 2 : Causes, ampleur et fréquence de 198 exemples
publiés de sismicité induite ayant une ampleur supérieure à
1. Lorsque plusieurs séismes induits se sont produits en
succession, seul l’événement avec la plus grande ampleur a
été inclus. Les séismes induits ayant les plus grandes
ampleurs enregistrées sont 7.9 (Chine, réservoir) et 7.3
(Azerbaïdjan, gisement de gaz/pétrole).
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De quelle importance sont les tremblements de terre
causés par la fracturation hydraulique pour
l’extraction de gaz de schiste?
Une sismicité induite associé à la fracturation
hydraulique n’a été identifiée que sur trois gisements
de gaz de schiste, au Royaume-Uni, aux Etats-Unis et
au Canada. Comme le montre figure 3, la fracturation
hydraulique appliquée à l’exploitation des gaz de
schiste est reconnue comme étant à l’origine de 79
événements sismiques avec une ampleur supérieure à
1. Le plus grand de ces tremblements de terre a eu une
ampleur de 3.8 et s’est produit à Horn River Basin au
Canada. Il a été ressenti sans avoir causé de dégâts.
Celui-ci ainsi que trois autres (deux au Royaume-Uni et
un aux Etats-Unis) sont les seuls exemples publiés de
sismicité induite par fracturation hydraulique à avoir
été ressenti.
présent, qu’un mécanisme bénin. Il est possible que
cela soit dû à la petite quantité d’eau utilisée lors de
fracturation hydraulique, de l’ordre de 2-11 piscines
olympiques, et au pompage de relativement courte
durée. Il se peut que la réactivation de faille par
fracturation hydraulique engendre des séismes induits
plus large que ceux enregistrés jusqu’à présent, mais
une bonne compréhension de la géologie des schistes
peut atténuer ce risque. Basé sur les données à
présent disponible, la probabilité que la fracturation
hydraulique produise une sismicité ressentie (M>3) est
très faible, bien qu’elle ne peut être éliminée.
Que peut-on en conclure ?
Notre étude fournie un contexte et des informations
importantes dans le débat autour des risques associés
à la fracturation hydraulique de schiste. Nous
proposons quatre mécanismes principaux par lesquels
des failles peuvent être réactivés par des fluides ou les
pulses de pression de fluides :
1) directement depuis le puits de forage ;
2) à travers la stimulation des nouvelles fractures ;
3) à travers des fractures préexistantes ;
4) en traversant des roches perméables ou le long de
surfaces géologiques telle que la stratification.
Comparé à d’autres sources de sismicité induite, tel
que l’exploitation minière ou la construction de
réservoirs, la fracturation hydraulique n’a été, jusqu’à
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Figure 3 : Evénements sismiques induits par fracturation
hydraulique ayant une ampleur supérieure à 1. Sur 3
différentes localités (le gisement Eola, Oklahoma, Etats-Unis
; Preese Hall, Lancashire, Royaume-Uni ; Horne River Basin,
British Columbia, Canada), 79 événements ont été
enregistrés avec une ampleur supérieure à 1. La plus grande
amplitude de séisme induit par fracturation hydraulique est
3.8 (Horn River, Canada).
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