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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