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Cracked road from volcano activity in Volcano national park, Hawaii
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Des lubrifiants pour atténuer les tremblements de terre

Jean François Semblat
Jean-François Semblat
responsable du Département mécanique et énergétique à l'ENSTA Paris (IP Paris)

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.

Séismes artificiels

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.

Maîtriser les tremblements de terre artificiels

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. 

Le rêve ultime : maîtriser les séismes naturels

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 !

1https://​coquake​.eu
2https://​uma​.ens​ta​-paris​.fr
3Le pro­fesseur Avouac est un chercheur récem­ment invité à l’In­sti­tut Poly­tech­nique de Paris : https://​www​.poly​tech​nique​.edu/​f​r​/​c​o​n​t​e​n​t​/​d​e​s​-​s​e​i​s​m​e​s​-​a​u​-​r​a​l​e​n​t​i​-​s​o​u​s​-​l​e​s​-​c​a​s​cades

Auteurs

Jean François Semblat

Jean-François Semblat

responsable du Département mécanique et énergétique à l'ENSTA Paris (IP Paris)

Les recherches de Jean-François Semblat portent sur la propagation des ondes sismiques dans les couches géologiques lors des grands tremblements de terre. Au travers de méthodes de simulation numérique, il étudie notamment leur amplification, leur atténuation, le phénomène de liquéfaction et l’interaction dynamique sol-structure. Il est membre du Conseil Scientifique de l'Association française du génie parasismique. Professeur à l’ENSTA-Paris, il est responsable du Département mécanique et énergétique de l'Institut Polytechnique de Paris.