Lettre du Plan Séisme - 3e trimestre 2016, Dossier : Quand l'Homme fait trembler la Terre

Dossier : Quand l'Homme fait trembler la TerreDossier : Quand l’Homme fait trembler la Terre

Il est désormais reconnu que l’Homme, via ses activités, modifie le fonctionnement du « système Terre » : en injectant des fluides ou en extrayant des ressources, la pression et les contraintes varient et des phénomènes sismiques plus ou moins conséquents peuvent être induits. La diversification des formes d’exploitation du sous-sol et la multiplication des grands ouvrages hydrauliques donnent lieu à des observations montrant une concomitance troublante entre activités humaines et secousses sismiques, au point de se poser la question de devoir ajouter le risque sismique   à la liste des risques industriels… Il demeure malgré tout difficile d’établir avec certitude l’origine anthropique de tel ou tel séisme   considéré individuellement.

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À la différence des séismes « tectoniques » naturels résultant du mouvement des plaques terrestres, les « séismes induits » sont causés par des activités humaines. La différence est cependant parfois ténue, puisqu’une activité humaine peut jouer le rôle de « déclencheur », en précipitant la survenue de séismes naturellement inévitables sur le long terme.

La question de la sismicité   induite est depuis quelques mois sous les feux de la rampe, après que le service géologique américain (USGS?) a établi, pour la première fois, une carte de risque sismique   prenant en compte cette activité induite (voir plus bas). Pour Robin Lacassin, directeur de recherche à l’Institut de Physique du Globe de Paris, « cette crise peut être vue comme un nouveau symptôme de ’’l’anthropocène’’, ère où l’humain est devenu une force tellurique majeure avec les risques et les responsabilités que cela implique. »

Des minerais … et des séismes

S’il est de plus en plus médiatisé, le phénomène de sismicité   induite est pourtant connu de longue date, d’abord identifié au niveau de grands sites d’exploitation minière, comme l’explique François-Henri Cornet, géophysicien à l’université de Strasbourg : « La matière retirée occasionne un vide qui fait varier les contraintes. De grandes failles qui étaient stables peuvent alors se réactiver. » En Afrique du Sud, 90% des séismes de magnitude   supérieure à 2 enregistrés chaque année sont ainsi directement liés à l’exploitation minière, estime le conseil pour la recherche scientifique et industrielle sud-africain. Dans certains cas, l’ampleur des secousses peut être relativement importante, comme en Allemagne où plusieurs événements sismiques, survenus en 2010 et clairement liés à l’exploitation minière d’un bassin ferrifère, ont occasionné des dommages tels que des chutes de cheminées. Mais le plus souvent, la sismicité   induite par l’activité minière ne donne heureusement lieu qu’à de la microsismicité : des micro-secousses liées à l’évolution des galeries (ex. phénomène dit d’« effondrement de toit »). Après la fermeture des mines, la surveillance de la microsismicité apporte des informations sur d’éventuels signes précurseurs d’instabilités de terrain de surface.

La sismicité induite vue par Eric Appéré
La sismicité induite vue par Eric Appéré
Source : E. Appéré pour planseisme.fr

L’eau des retenues génère une pression considérable et s’infiltre en profondeur

Les barrages, qui retiennent d’immenses volumes d’eau, peuvent aussi jouer un rôle dans le déclenchement de séismes, de manière parfois dramatique. Le cas le plus édifiant pourrait bien être l’exemple du séisme   survenu en Chine en 2008, lequel semble avoir été provoqué par un ouvrage hydroélectrique situé dans la région du Sichuan, à seulement une dizaine de kilomètres de distance de l’épicentre du séisme  , dont la magnitude   a atteint 7,9 et qui a fait près de 90 000 victimes. Si la relation de cause à effet reste débattue, « la microsismicité autour de la retenue d’eau avait bien été documentée après le remplissage », note François-Henri Cornet. En 2011, la Chine reconnaissait dans un communiqué de presse que la création du colossal réservoir des Trois-Gorges, en service depuis 2009 sur le fleuve Yangtse, a accru la fréquence des séismes dans la région - tout en niant, toutefois, un lien quelconque avec le puissant tremblement de terre   du Sichuan.

Et d’autres exemples sont connus : à Koyna, en Inde, un tremblement de terre   de magnitude   6,3 survenu en 1967 fit environ 200 victimes, un an seulement après le remplissage d’un barrage. Toujours en Inde, le séisme   catastrophique de Latur de 1993 (magnitude   6,3) a, pour sa part, causé la mort de près de 10 000 personnes. En cause, probablement le poids exercé par l’eau accumulée dans le lac de retenue, ainsi que son infiltration progressive en profondeur. Comme pour l’injection des eaux usées dans le sous-sol (voir plus loin), ces facteurs modifient en profondeur les contraintes ainsi que la résistance des failles au glissement, ce qui peut en amener certaines à rompre de manière anticipée par rapport à leur évolution naturelle. C’est que – manque de chance – les sites recherchés pour l’implantation de barrages, marqués par un relief incisé facile à obstruer et propice à la retenue d’eau, correspondent bien souvent à des accidents géologiques : de grandes failles parfois encore actives. De surcroît, nombre de grands barrages sont pour l’essentiel conçus pour capter les abondantes eaux de fonte provenant des zones montagneuses, lesquelles sont bien souvent particulièrement sismiques – comme la chaîne de l’Himalaya.

En France, le remplissage du lac-réservoir de Monteynard aurait induit en 1963 un séisme   de magnitude   4,9 à Corrençon, dans le Vercors, appelé « séisme   de Monteynard » (voir vidéo INA et voir encadré). « Mais la signature sismique se révèle très proche d’un phénomène naturel, donc il y a débat d’experts pour savoir si le séisme   est lié ou non au barrage », explique Pascal Dominique, ingénieur sismologue en prévention et sécurité minière au BRGM?.

Cependant, les phénomènes observés sont parfois différents : inauguré en 1935, le barrage Hoover dans le Colorado, aux Etats-Unis, entraîne à l’époque la création du lac Mead. Au départ, la sismicité   y a été vue croissante en hiver, du fait du poids croissant exercé par l’eau, et décroissante en été, lorsque le barrage était vidé. Mais avec le temps, « le rapport s’est inversé, mais sans que l’on sache pourquoi : beaucoup de choses restent à découvrir sur les séismes induits », rapporte François-Henri Cornet.

La multiplication des modes d’exploitation du sous-sol amplifie le phénomène de sismicité   induite

Ce qui semble faire consensus, c’est qu’avec l’exploitation toujours plus intensive du sous-sol, la fréquence des séismes tend à augmenter. La plus décriée des nouvelles sources de sismicité   induite est liée à l’extraction de « gaz de schiste ». Aux Etats-Unis, où cette exploitation est très développée, certains Etats du centre et de l’est du pays ont ainsi vu leur niveau de sismicité   « exploser » depuis les années 2010, date à partir de laquelle les forages ont foisonné. Au Texas, le nombre de séismes enregistrés chaque année a par exemple été multiplié par six depuis 2008. Dans un rapport publié en mars dernier, l’USGS déclare que sept millions d’Américains sont menacés par des séismes provoqués par l’Homme, principalement en Oklahoma et au Texas. En cause : principalement l’injection et le stockage des eaux usées qui ont servi à l’extraction du gaz de schiste. La hausse de la pression de ces fluides engendre des micro-craquements qui, à leur tour, peuvent générer des séismes. « C’est observé, plus aucune doute n’est possible », signale Pascal Dominique. En 2011, un séisme   de magnitude   5,6 détruisit une quinzaine d’habitations, fit deux blessés dans la ville de Prague, en Oklahoma, et fut ressenti dans dix-sept États américains. S’en suivirent environ un millier de répliques   de faible intensité  . Mais les désaccords persistent au regard de la grande profondeur du séisme   : survenu à environ 8 km de profondeur, le séisme   de Prague est-il réellement induit par l’Homme ou n’est-il pas en fait naturel ?

Sismicité centre USA
Sismicité centre USA
Nombre cumulé de séismes de magnitude supérieure ou égale à 2,7 enregistrés dans différentes régions du Centre et de l’Est des Etats-Unis : au global, il ressort une augmentation de la sismicité très marquée à partir des années 2010 (courbe noire), tout particulièrement dans les zones naturellement peu sismiques fortement exploitées pour l’extraction de ressources naturelles (courbes de couleur)

La géothermie est, elle aussi, source potentielle de séismes induits. En Suisse, un projet géothermique dans la région de Bâle a nécessité le recours à la technique de fracturation hydraulique (ou « fracking »). En créant une multitude de fractures permettant à l’eau de circuler dans les roches chaudes, il devenait possible d’en extraire la chaleur. Tout a été stoppé en 2009 à la suite d’un séisme   de magnitude   3,4 peu profond, largement ressenti par la population, et qui a ravivé le spectre du séisme   ayant rasé Bâle en 1356. D’après des études sismologiques, l’injection d’eau a activé une portion de faille   et le risque de survenue d’un séisme   de magnitude   4,5 est avéré en cas de poursuite des travaux ayant recours aux mêmes techniques.

Sismicité   induite : des principes simples, mais des études de cas complexes

En Espagne, après plusieurs décennies d’exploitation intensive des nappes d’eau souterraines de la plaine de Lorca pour l’irrigation des cultures, un séisme   de 5,1 est survenu en 2011. S’étant produit à très faible profondeur (ce qui explique la violence des secousses en surface), la cause de ce séisme   est questionnée et une étude scientifique conclut rapidement à l’influence déterminante de la baisse drastique du niveau d’eau souterraine de 250 mètres depuis 1960. Bilan : 9 morts, 130 blessés et 15000 personnes sans abri. « L’effet du pompage d’eau aurait modifié les contraintes sur la faille  , provoquant la nucléation de la rupture sismique au plus près de la zone de pompage et cela très superficiellement », analyse Robin Lacassin. Selon le chercheur, il s’agirait donc à Lorca d’un séisme   déclenché. « La disparition de l’eau diminue la pression et distribue les contraintes en dehors du réservoir, observe François-Henri Cornet. Les terrains n’étant plus en équilibre, des séismes surviennent si les failles sont importantes. » Si le phénomène est reconnu, la preuve irréfutable reste difficile à trouver.

Représentation schématique de l'influence du pompage de la nappe phréatique sur le séisme de Lorca
Représentation schématique de l’influence du pompage de la nappe phréatique sur le séisme de Lorca
Source : J.P. Avouac, “Earthquakes : Human-induced shaking”, NATURE GEOSCIENCE 2012

Toute activité humaine modifiant significativement les forces en jeu dans le sous-sol peut donc induire des séismes parfois catastrophiques. « Si l’on observe un événement sismique, on s’interroge, explique Jean-Robert Grasso, chercheur au Laboratoire de géophysique interne et tectonophysique de l’université Grenoble-Alpes. Mais lorsque c’est une série d’événements qui se produit à un endroit précis, notre certitude augmente. »

Une tentative de recensement mondial datée de 2007 liste plus de 200 endroits pour lesquels l’action humaine a été reconnue comme responsable du déclenchement de séismes. « Si l’on regarde la distribution des séismes déclenchés par l’Homme à l’échelle du globe, il apparaît que la majorité d’entre eux est située dans les régions continentales stables, pour lesquelles le niveau de sismicité   naturelle est historiquement bas », conclut l’auteur de l’étude Christian Kiose, géologue à l’Observatoire de la Terre Lamont-Doherty de l’université Columbia (New York).

Certains travaux expérimentaux plus récents montrent qu’une injection de fluide le long d’une faille   tend d’abord à provoquer une phase de glissement non sismique (ou « asismique »), suivie d’une rupture sismique. Pour autant, des contre-exemples existent. Au Tadjikistan, par exemple, des capteurs ont été disposés au niveau de zones actives où sont exercées des activités humaines. Dans une localité ces activités génèrent manifestement des glissements pouvant engendrer des séismes induits, alors que dans une autre localité toute proche, aucun séisme   ne s’est produit en trente ans. « Ce n’est pas trivial, il n’y a aucune certitude », conclut François-Henri Cornet.

La première carte intégrant le risque induit vient d’être publiée aux États-Unis

À l’heure actuelle, aucune méthode ne permet de prédire ni de prévoir les séismes induits, ni même les séismes naturels. « Qu’il soit naturel ou déclenché par l’Homme, un séisme   est impossible à prévoir, constate Jean-Robert Grasso. Pour la simple raison que l’état des contraintes dans la croûte   terrestre n’est pas connu et n’est pas directement accessible à l’observation. » Toutefois, des programmes de recherche tentent de les modéliser. En attendant, l’ingénieur doit apprendre à gérer cette problématique. « Les séismes ont toujours existé et nous apprenons au fur et à mesure à mieux faire », juge François-Henri Cornet. Avec l’enrichissement des connaissances scientifiques, il est possible de savoir jusqu’où aller dans l’injection de fluide, selon le secteur et les conditions géologiques, pour ne pas engendrer trop de nuisances ni trop d’inquiétudes. « En France, s’ils n’ont pas d’obligation - sauf sur demande des DREAL? -, les exploitants peuvent aussi installer des réseaux d’écoute peu coûteux et qui permettent d’expliquer les événements parfois ressentis en surface », ajoute Pascal Dominique.

Aux États-Unis, l’USGS vient pour sa part de présenter la première carte d’aléa sismique   tenant compte non seulement des séismes naturels mais aussi des séismes induits : sont considérés les possibles tremblements de terre provoqués par la fracturation hydraulique utilisée par l’exploitation pétrolière et gazière. Résultat : des zones rouges apparaissent dans plusieurs États du centre et de l’est des États-Unis. Les cartes produites par l’USGS montrent notamment que, du fait de la sismicité   induite, la probabilité annuelle de survenue d’un séisme   destructeur en Oklahoma est désormais comparable à celle observée en Californie. Est-ce à conclure à l’éventualité d’un « Big One induit » en Oklahoma ? Pas tout à fait, car la dimension des portions des failles réactivées par la fracturation hydraulique sont a priori sans commune mesure avec celle de failles majeures telle que San Andreas, impliquant des magnitudes maximales moindres qu’en Californie.

Carte d'aléa figurant la probabilité de survenue d'un séisme destructeur (i.e. intensité macrosismique égale ou supérieure à VI) en 2016. La partie gauche relative à l'Ouest des Etats-Unis ne tient pas compte de la sismicité induite, contrairement à la carte de droite relative à la partie orientale des Etats-Unis
Carte d’aléa figurant la probabilité de survenue d’un séisme destructeur (i.e. intensité macrosismique égale ou supérieure à VI) en 2016. La partie gauche relative à l’Ouest des Etats-Unis ne tient pas compte de la sismicité induite, contrairement à la carte de droite relative à la partie orientale des Etats-Unis
Source : USGS?

Des initiatives telles que celle de l’USGS pour apporter des informations aux pouvoirs politiques et aux maîtres d’ouvrage visent in fine une meilleure reconnaissance et prise en compte du risque sismique   induit. Détail important, contrairement à la sismicité   naturelle, les processus donnant lieu à la sismicité   induite sont en grande partie réversibles : une chance donnée à l’Homme de pouvoir diminuer un aléa qu’il a lui-même créé.