Dans une nouvelle étude publiée dans le Actes de l'Académie nationale des sciences, le Dr Lei Wang et ses collègues de la section « Géomécanique et forage scientifique » du GFZ, ainsi que des chercheurs de l'Université d'Oslo, en Norvège, rapportent que la rugosité des failles préexistantes et l'hétérogénéité des contraintes associées dans les réservoirs géologiques jouent un rôle clé. pour avoir provoqué de tels événements incontrôlables. L'étude combine de nouvelles expériences d'injection de fluide sous surveillance acoustique réalisées dans le laboratoire géomécanique de GFZ avec des résultats de modélisation numérique. « Nous avons constaté que les failles rugueuses et lisses dans les roches se comportaient de manière totalement différente au cours de nos expériences en laboratoire. Il s'agit d'une observation passionnante car nous avons mis en évidence la localisation progressive de l'activité microsismique indiquant un transfert de contrainte avant de grands événements induits lors de l'injection de fluide'', déclare le premier auteur, le Dr Wang, qui a conçu et réalisé les expériences et la modélisation.

La sismicité induite par injection en laboratoire met en évidence le rôle important de la rugosité des failles

La rugosité des failles actives et des fractures le long des failles tectoniques ainsi que des failles préexistantes mais inactives dans les réservoirs géologiques sont difficiles à caractériser. Pour surmonter la résolution insuffisante lors de l'imagerie ou de la surveillance de tels défauts dans la nature, le groupe de recherche a « réduit » sa taille à l'échelle décimétrique en préparant des défauts en laboratoire avec une rugosité de surface définie. Ceux-ci ont ensuite été pressurisés à des états de contrainte proches du point critique à l’aide d’un appareil de compression triaxiale MTS. Les échantillons de roches ont également été équipés de plusieurs capteurs, notamment des sismomètres de laboratoire piézoélectriques, pour surveiller des milliers de petits tremblements de terre, appelés émissions acoustiques, indiquant la déformation à l'intérieur des roches sous pression avant qu'elles ne se brisent. Une injection de fluide a ensuite été réalisée dans les échantillons simulant une injection de fluide dans des réservoirs géologiques. « Le contrôle des conditions aux limites et l'utilisation d'un réseau de surveillance dense en laboratoire nous ont permis d'imager l'évolution des séismes induits en laboratoire ainsi que la lente déformation asismique et d'en déduire des paramètres clés tels que le glissement des failles et le taux de glissement, fournissant ainsi une image complète pour mieux comprendre la physique de la sismicité induite par injection'', déclare Georg Dresen, professeur à la section Géomécanique et forage scientifique du GFZ, qui a supervisé et initié l'étude.

Comparé aux failles lisses, le glissement induit par injection sur des failles rugueuses produit des groupes d'émissions acoustiques spatialement localisés se produisant autour d'aspérités fortement sollicitées. C’est là que les taux de glissements locaux induits sont plus élevés, accompagnés d’un nombre relativement plus élevé d’événements majeurs. Ce mécanisme est généralement mesuré par la « valeur b de Gutenberg-Richter » comme mesure du stress. L'injection de fluide réactive d'abord les zones de failles par un glissement asismique lent et ne provoquant que quelques et petits événements sismiques, suivi d'une localisation progressive conduisant finalement à de grands événements induits. « Cette étude a des implications importantes pour les tremblements de terre provoqués : elle signifie que lors de la surveillance en temps réel des injections de fluides dans des réservoirs géologiques, cela peut permettre d'identifier de tels processus de localisation avant la nucléation d'événements induits plus importants, permettant ainsi de les éviter », explique le professeur. Marco Bohnhoff, chef de la section Géomécanique et forage scientifique du GFZ.

Les similitudes entre la sismicité induite à l’échelle du laboratoire et à l’échelle du terrain

Pour étudier plus en détail la pertinence des expériences en laboratoire pour les tremblements de terre dans les réservoirs géologiques, les auteurs ont compilé un large éventail d'ensembles de données sur la sismicité induite étudiant l'énergie émise en fonction de l'énergie hydraulique à partir d'expériences d'injection de fluide à l'échelle du laboratoire et in situ. ainsi que de la fracturation hydraulique à l’échelle des réservoirs, des projets géothermiques et d’élimination des eaux usées dans le monde entier. La valeur de l'efficacité de l'injection sismique (c'est-à-dire le rapport entre l'énergie émise lors des tremblements de terre et l'énergie hydraulique introduite dans le système par injection de fluide) différencie les ruptures sous pression contrôlée des ruptures incontrôlées. Contrairement aux événements d'emballement avec des efficacités d'injection sismique élevées, la sismicité induite montrant une rupture prolongée contrôlée par la pression montre généralement une efficacité d'injection sismique beaucoup plus faible. Le Dr Wang souligne que « nos observations en laboratoire présentent des similitudes avec ces tremblements de terre induits à l'échelle du champ correspondant à des ruptures contrôlées par la pression, comme en témoigne le fait que dans nos expériences, le glissement de faille induit se termine peu de temps après l'arrêt de l'injection de fluide ».

L’objectif est à terme de contrôler et d’éviter les grands tremblements de terre induits

L'étude fait partie d'une initiative de recherche récemment lancée visant à mieux prévoir les tremblements de terre induits dans les réservoirs géologiques et, à terme, également les grands tremblements de terre naturels catastrophiques. Une partie de cette initiative consiste à amener les processus de l'échelle du terrain au laboratoire où les paramètres limites peuvent être contrôlés et les processus menant aux événements sismiques peuvent être reproduits. Marco Bohnhoff conclut : « Seules de nouvelles approches de traitement des données et le réglage des méthodes sismologiques classiques pour analyser les tremblements de terre, désormais également en laboratoire, constituent la base d'une compréhension plus détaillée des processus de déformation des roches. Des études telles que celle maintenant publiée par Wang et ses collègues -les auteurs présentent le potentiel d'atténuer les risques sismiques d'origine humaine, ce qui est une condition préalable pour parvenir à l'acceptation du public lors de l'utilisation du sous-sol géologique pour le stockage et l'extraction d'énergie en tant qu'élément clé de la transition énergétique.