Des lubrifiants pour atténuer les tremblements de terre

Les trem­ble­ments de terre sont des catas­trophes natu­relles qui se pro­duisent en rai­son d’une rup­ture sou­daine dans les couches géo­lo­giques de la croûte ter­restre. Chaque année, dans le monde, un trem­ble­ment de terre d’une magni­tude supé­rieure à 8 [sur l’é­chelle de Rich­ter créée pour mesu­rer l’énergie libé­rée] se pro­duit, et 130 autres d’une magni­tude com­prise entre 6 et 7. En moyenne, chaque minute, il y a deux « mini » séismes d’une magni­tude supé­rieure ou égale à 2. 

Les évé­ne­ments sis­miques de ce type sont dus au mou­ve­ment des plaques tec­to­niques, des couches externes de notre pla­nète qui se déplacent pro­gres­si­ve­ment, se pous­sant par­fois les unes contre les autres. Même si ce mou­ve­ment est rela­ti­ve­ment lent, les forces crois­santes dans les plaques qui se poussent entraînent le sto­ckage d’une énorme quan­ti­té d’éner­gie à l’en­droit où elles se ren­contrent. Et cette éner­gie s’ac­cu­mule pro­gres­si­ve­ment au fil des mois ou des années. Quand les forces deviennent trop impor­tantes, les deux plaques glissent l’une sur l’autre en libé­rant toute l’éner­gie, et en géné­rant ain­si des ondes sis­miques – les secousses res­sen­ties lors d’un trem­ble­ment de terre. Elles peuvent entraî­ner de lourds dom­mages aux bâti­ments, aux ponts et aux réseaux (eau, gaz, etc.). Le grand trem­ble­ment de terre de Toho­ku au Japon (mars 2011) a par exemple coû­té envi­ron 235 mil­liards de dol­lars à la Banque mondiale.

Outre les séismes natu­rels, il existe aujourd’­hui un cer­tain nombre de séismes dits « arti­fi­ciels ». Ils prennent la forme de faibles secousses, et sont pro­vo­qués par diverses acti­vi­tés humaines, comme les trans­ports (e.g. poids lourds, tram­ways) ou les ins­tal­la­tions indus­trielles uti­li­sant des tur­bines. Si ces vibra­tions faibles ne créent géné­ra­le­ment pas de gêne majeure, il existe d’autres trem­ble­ments de terre arti­fi­ciels plus forts.Ils peuvent être res­sen­tis dans les quar­tiers qui entourent les exploi­ta­tions minières, les cen­trales géo­ther­miques (comme celles de Stras­bourg ou de Bâle) ou les zones où est pra­ti­quée la frac­tu­ra­tion hydrau­lique. Dans ce cas, les experts évoquent alors la « sis­mi­ci­té anthro­pique » pour qua­li­fier ces secousses dues aux acti­vi­tés humaines. 

L’exemple de la frac­tu­ra­tion hydrau­lique est par­ti­cu­liè­re­ment éclai­rant. Il s’a­git d’un pro­cé­dé qui per­met de cap­ter le pétrole et le gaz pié­gés à l’in­té­rieur de la roche-mère solide, en pom­pant du liquide sous pres­sion dans le sous-sol. L’objectif est de créer des fis­sures dans le sous-sol, pour libé­rer les hydro­car­bures de poches dans les­quelles ils res­te­raient pié­gés pen­dant des mil­lé­naires. Cette tech­nique peut pro­vo­quer des secousses impor­tantes, voire acti­ver les failles natu­relles exis­tant entre les couches géo­lo­giques. Bien que la frac­tu­ra­tion hydrau­lique soit une méthode impor­tante d’ex­trac­tion du pétrole, les acti­vi­tés indus­trielles sont sou­vent retar­dées, voire inter­dites, en rai­son des risques de séismes.

Il serait pos­sible d’in­jec­ter des fluides lubri­fiants dans le sub­stra­tum rocheux afin que les struc­tures géo­lo­giques « glissent » dou­ce­ment les unes sur les autres.

Les dom­mages cau­sés par les trem­ble­ments de terre arti­fi­ciels pou­vant s’a­vé­rer impor­tants, il est donc impé­ra­tif d’é­qui­li­brer le risque avec les enjeux éco­no­miques. Plu­sieurs pistes sont donc à l’é­tude pour trou­ver une méthode de pré­ven­tion appro­priée. La recherche a d’ailleurs démon­tré qu’il serait pos­sible d’in­jec­ter des fluides lubri­fiants dans le sub­stra­tum rocheux afin que les struc­tures géo­lo­giques « glissent » dou­ce­ment les unes sur les autres, libé­rant ain­si l’éner­gie de manière pro­gres­sive plu­tôt que brutale.

Le pro­jet CoQuake, finan­cé par la Com­mis­sion euro­péenne, vise à contrô­ler les trem­ble­ments de terre arti­fi­ciels de cette manière¹. Des recherches sont menées entre l’É­cole Cen­trale de Nantes (Prof. Ste­fa­nou) et l’Ins­ti­tut Poly­tech­nique de Paris (POEMS, Dr Chaillat, et labo­ra­toires IMSIA à l’ENS­TA Paris). Ils com­binent des expé­riences en labo­ra­toire, des modèles méca­niques et sis­mo­lo­giques com­plexes ain­si que des méthodes de simu­la­tion avancées. 

L’une de nos doc­to­rants (L. Bagur) étu­die grâce à des modèles infor­ma­tiques les pro­ces­sus méca­niques com­plexes à l’œuvre dans les séismes d’o­ri­gine humaine. À l’aide d’un logi­ciel appe­lé COFFEE², l’é­quipe peut modé­li­ser et éva­luer l’ef­fi­ca­ci­té du contrôle des secousses par l’injection de dif­fé­rents fluides, tout en tenant compte de la confi­gu­ra­tion 3D extrê­me­ment com­plexe des couches géo­lo­giques. Le défi consiste à com­prendre les dif­fé­rents méca­nismes de glis­se­ment en tenant compte de l’influence des fluides – un peu comme les essuie-glaces qui glissent ou grincent selon l’intensité de la pluie !

Bien sûr, et au-delà de l’in­té­rêt scien­ti­fique du sujet, les avan­tages éco­no­miques et envi­ron­ne­men­taux seraient consi­dé­rables si nous par­ve­nons à réduire les pro­blèmes sis­miques liés à la frac­tu­ra­tion hydraulique. 

Pour les séismes natu­rels, nous connais­sons déjà le rôle cru­cial des fluides dans le déclen­che­ment des glis­se­ments le long des failles. Il a été lar­ge­ment étu­dié dans le Golfe de Corinthe – l’une des zones les plus sis­miques d’Eu­rope. On pour­rait donc ima­gi­ner d’ajuster la pres­sion des fluides à des endroits stra­té­giques pour contrô­ler la sta­bi­li­té des failles.

Mais cela reste cepen­dant très com­plexe à une si grande échelle. L’i­dée est donc pas­sion­nante, mais il fau­dra pro­ba­ble­ment des ins­tal­la­tions gigan­tesques pour par­ve­nir à la rendre effi­cace. Ces pistes sont d’ailleurs liées aux recherches actuel­le­ment menées aux États-Unis par le pro­fes­seur Avouac à Cal­tech³, qui a étu­dié le défi­cit de glis­se­ment le long des lignes de faille actives afin de pré­dire le déclen­che­ment futur de grands trem­ble­ments de terre. L’idée consiste à quan­ti­fier le nombre de trem­ble­ments de terre qui auraient dû se pro­duire sur une période don­née (défi­cit de glis­se­ment) afin d’évaluer la pro­ba­bi­li­té qu’un grand séisme se pro­duise à l’avenir en lien avec l’accumulation des forces dans les plaques tectoniques.

En réa­li­té, le pro­ces­sus de sto­ckage d’éner­gie autour des grandes failles peut être lent – plu­sieurs décen­nies voire quelques siècles –, de sorte que pas de nou­velles peut sou­vent être syno­nyme de mau­vaise nou­velle. Mais, la maî­trise et le contrôle les grands trem­ble­ments de terre sont peut-être à notre portée !