De nouveaux éléments sur les liens entre séismes et activités pétrolières aux États-Unis

La carte des séismes survenus aux États-Unis en 2016. R. Grandin/IPGP, CC BY-NC-ND

Depuis quelques années, l’Oklahoma est devenu l’une des régions les plus sismiques des États-Unis. Un étonnant record pour ce territoire situé en bordure des grandes plaines américaines. 2015 aura été à ce titre une année exceptionnelle avec plus de 800 séismes de magnitude 3 et plus. On rappellera qu’avant 2009, cet État enregistrait un évènement de magnitude supérieure à 4… tous les 10 ans seulement !

Comment expliquer un tel phénomène ? Les exploitations pétrolières sont ici directement impliquées car l’essentiel de cette sismicité est induite par l’injection massive dans le sous-sol de grande quantité d’eaux usées résultant de l’exploitation du pétrole par différents procédés non conventionnels, dont la fracturation hydraulique, utilisée pour l’exploitation des gaz ou pétrole de schiste.

Face à cette crise, les autorités de l’Oklahoma ont pris des premières mesures de régulation, et on a constaté une baisse – relative – de la sismicité en 2016, avec 600 évènements environ.

Mais trois séismes d’une magnitude supérieure à 5 se sont produits pendant cette même période, engendrant des dégâts matériels. Ce fut, par exemple, le cas du séisme de Pawnee en septembre 2016 : d’une magnitude supérieure à 5, il s’agit de l’événement sismique le plus fort jamais enregistré en Oklahoma. Une étude des chercheurs de l’IPGP vient d’être publiée à ce sujet.

Déstabilisation à distance

À l’aide d’observations sismologiques récoltées dans la région du séisme de Pawnee, de même qu’à des milliers de kilomètres, on a pu déterminer le déroulement de la rupture.

Des travaux s’appuyant sur des interférogrammes radars – calculés à partir des données du satellite Sentinel-1 de l’Agence spatiale européenne – ont également été utilisés. Ceux-ci permettent de mesurer précisément la déformation de la surface du sol induite par le séisme.

L’analyse conjointe des données radar et sismologiques indique que le glissement a atteint un maximum de 40 centimètres environ, et que le glissement sur la faille est resté confiné en profondeur, entre 4 et 9 kilomètres. Ce dernier résultat révèle que la relation de cause à effet entre l’injection de fluides et le déclenchement des séismes n’est pas directe.

En effet, les fluides sont injectés dans la couverture sédimentaire à des profondeurs ne dépassant pas 2 à 3 kilomètres, tandis que le séisme a pris naissance plus profondément. Il s’est initié entre 4 et 5 kilomètres de profondeur et s’est développé jusqu’à 9 kilomètres, sans remonter vers la surface. Par conséquent, dans l’hypothèse très probable que le séisme est bien induit, la perturbation provoquée par l’injection de fluides semble parvenir à déstabiliser une faille « à distance ».

Le séisme de Pawnee a rompu une faille présente dans le socle cristallin situé sous la couverture sédimentaire (ligne pointillée) où l’injection de fluides a lieu.

Deux mécanismes à l’œuvre

Deux phénomènes physiques peuvent expliquer ce déclenchement.

D’abord, la perturbation de la pression de fluides emprisonnés dans la roche peut se propager dans le milieu, en utilisant les fractures naturellement présentes comme moyen de faire circuler des fluides. Les fluides mis sous pression par l’injection viennent « pousser » les fluides emprisonnés à plus grande distance, les forçant à migrer de manière centrifuge. Au cours du temps, une « onde » de pression s’étend par cercles concentriques autour des forages d’injection, jusqu’à venir augmenter la pression des fluides interstitiels au sein de la faille sismique.

Un autre mécanisme implique non pas directement les fluides, mais plutôt la propension du milieu rocheux à se déformer élastiquement à courte échelle de temps (quelques jours à quelques mois) autour d’une source de pression. À la manière d’une éponge, la roche « comprimée » (même très légèrement) va laisser s’échapper des fluides qui vont migrer alentour, pour se diriger vers les zones moins sollicitées. De la même manière que précédemment, cette migration de fluides peut provoquer des séismes.

Afin d’anticiper l’occurrence d’un séisme, il suffirait donc de surveiller les failles situées à proximité des puits d’injection.

En Oklahoma, la récente obligation imposée aux industriels de déclarer les quantités quotidiennes d’eau injectées dans le sous-sol pourrait fournir un moyen de quantifier, par le biais de modélisations numériques, l’augmentation de la pression induite sur les failles avoisinantes. Mais cette approche est limitée par la faible connaissance du réseau de fractures pouvant transporter les fluides depuis les zones d’injection jusqu’aux failles réceptrices. L’intrication de plusieurs phénomènes physiques en concurrence complique encore l’analyse de ces phénomènes.

Des failles très anciennes

Et il y reste un autre obstacle de taille à surmonter. L’étude du séisme de Pawnee révèle en effet que la faille impliquée dans le séisme n’avait jamais été cartographiée. La découverte d’une nouvelle faille après un séisme est régulièrement rapportée dans la littérature, y compris dans des zones très bien instrumentées, et ne constitue pas une surprise en soi : avant de rompre, une faille demeure souvent silencieuse.

En Oklahoma cependant, cette méconnaissance du réseau de failles pose une difficulté majeure, car il devient alors extrêmement hasardeux de prédire la magnitude maximale des séismes induits. En effet, cette magnitude est essentiellement limitée par la longueur des failles disponibles pour produire des séismes. Or, en Oklahoma, des études géologiques ont révélé des indices de séismes préhistoriques très importants. L’injection d’eau pourrait ainsi amener une des failles impliquées dans des séismes très anciens à rompre à nouveau.

Malheureusement, la faible fréquence de ces séismes signifie qu’il est très difficile de reconstituer exhaustivement la trace de ces séismes passés, et donc d’anticiper les failles susceptibles de rompre à l’avenir.

De façon plus large, la zone centrale des États-Unis est depuis longtemps reconnue comme étant le lieu de séismes importants, potentiellement destructeurs, mais fort heureusement très peu fréquents. Le meilleur exemple est la séquence de séismes de New Madrid, qui s’est déroulée en 1822 et 1823, avec six séismes de magnitude supérieure à 7, et un séisme culminant à 7,5. Le séisme de Virginie, en 2011, constitue un exemple plus récent avec une magnitude 5,8, très largement ressenti par la population.

Un problème politique

Jusqu’à présent, les faibles taux de sismicité n’étaient pas considérés comme suffisamment critiques pour nécessiter des normes de construction parasismique particulières en Oklahoma.

Les habitations et bâtiments publics ne sont donc pas prêts à résister à un séisme, même modéré, ce qui rend la zone particulièrement vulnérable. Si les phénomènes naturels qui fournissent le moteur de la sismicité dans le centre des États-Unis demeurent difficiles à comprendre, et encore plus difficiles à maîtriser, il n’en va pas de même pour ceux relevant de l’action de l’homme.

La réduction, voire l’arrêt complet des opérations d’injection massives effectuées à l’échelle régionale par les compagnies pétrolières, pourrait conduire à une diminution de la sismicité, et donc du risque associé.

Mais cette décision relève de la sphère politique. Et la récente investiture de Scott Pruitt à la tête de l’Agence fédérale de protection de l’environnement (EPA) sur décision de Donald Trump, constitue un moment critique.

Ces dernières années, Scott Pruitt, ancien Attorney General de l’Oklahoma, avait œuvré pour limiter l’intervention fédérale visant à freiner l’impact écologique des activités pétrolières dans l’État. La marque des lobbies du pétrole en arrière-plan de la politique promue par Scott Pruitt est sujette à de nombreuses interrogations dans la presse locale et nationale.

Le fait que le secteur pétrolier demeure l’un des premiers employeurs de l’État d’Oklahoma vient encore compliquer la prise de position des populations face à cette expérience géophysique grandeur nature. La prise en compte d’une dimension humaine dans la notion même d’aléa sismique, mêlant les influences industrielles, citoyennes, politiciennes et scientifiques, rajoute donc encore davantage d’incertitude sur la prévention de la sismicité.

Notons enfin que ces facteurs humains complexes ne concernent pas seulement le cas un peu particulier de l’aléa sismique induit par l’exploitation pétrolière en Oklahoma. La combinaison de responsabilités scientifiques, technologiques et politiques a ainsi été mise en évidence pour la catastrophe de Fukushima qui a frappé le Japon en 2011 et où se sont combinés séisme, tsunami et accident nucléaire.