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.

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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 !