Pawnee, Oklahoma, Mw 5.7, septembre 2016 : premier séisme anthropique mesuré depuis l'espace

Mercredi, 3 mai 2017

Trois chercheurs de l’Institut de physique du globe de Paris (IPGP, IPGP / CNRS / Université Paris Diderot / Université La Réunion) ont étudié le récent séisme de Pawnee dans l’Oklahoma (septembre 2016, magnitude 5.7), un des nombreux séismes de cette région fort probablement induits par l’injection dans le sous-sol de grandes quantités d’eau usée. S’appuyant sur des données d’observations sismologiques et des données satellitaires ainsi que sur des modélisations numériques, les chercheurs ont pu déterminer le déroulement complet de la rupture et montrer que les activités humaines sont capables de déstabiliser des failles sismiques dormantes situées à plusieurs kilomètres sous la surface.

Carte des séismes enregistrés par l'USGS pour l'année 2016 aux USA (en haut), où les séismes sur la côte ouest sont associés à une activité tectonique "normale", et dans l'Oklahoma (en haut), où les séismes (cercles colorés en fonction de la magnitude) sont en très grande majorité induits par l'injection de fluides. Depuis quelques années, l'Oklahoma, situé au cœur du continent américain, détient le record du nombre de séismes aux États-Unis : environ 600 de magnitude ≥ 3 en 2014 et au moins 800 en 2015 (contre moins d'un par an avant 2009). Soit plus qu'en Californie, un état pourtant situé sur une limite de plaques tectoniques ! Cette sismicité est due à l’injection dans le sous-sol des grandes quantités de fluides usés(1), surtout de l’eau, produites dans cette région par l’exploitation pétrolière. Cette injection artificielle agit en effet sur la répartition des contraintes dans la croûte terrestre en abaissant le seuil de résistance des failles. Ainsi, une faille initialement proche de ce seuil pourra rompre bien plus tôt (de plusieurs centaines à plusieurs milliers d’années) que si elle avait suivi son évolution naturelle.
Face à cette crise, et sous la pression de la population et de la presse, les autorités de l'Oklahoma ont pris de premières mesures de régulation. Si ces dernières ont bien conduit à une légère baisse du nombre de séismes en 2016 (~ 500 de magnitude > 3), trois séismes de magnitude supérieure à 5 se sont produits qui ont donné lieu à des dégâts matériels. C'est le cas notamment du séisme de Pawnee (septembre 2016, magnitude 5.7 à 5.8), le plus fort enregistré au centre des USA depuis 70 ans (avec celui de Virginie en 2011).

Ce séisme de Pawnee vient d'être étudié par trois chercheurs de l'IPGP.
Pour réaliser leur étude, ceux-ci ont utilisé des observations sismologiques récoltées dans la région de Pawnee mais aussi à des milliers de kilomètres. Ils se sont également appuyés sur des interférogrammes radar (InSAR(1)), qui permettent de mesurer précisément la faible déformation de la surface du sol induite par le séisme. En combinant de nombreux interférogrammes, les chercheurs ont pu contrecarrer le bruit atmosphérique qui brouillait l'image de cette déformation, ce qui leur a permis de mesurer un déplacement maximal du sol de 3 centimètres. Ce séisme est ainsi devenu le premier séisme anthropique mesuré depuis l'espace !
Il faut rappeler que le déplacement de surface lors d’un séisme tend à augmenter lorsque la magnitude du séisme augmente ou que sa profondeur diminue. Or, la magnitude du séisme de Pawnee est assez élevée (Mw 5.7). Il s’avère donc que le déplacement relativement faible mesuré en surface exclut totalement la possibilité d'un glissement à faible profondeur pendant ce séisme.

À gauche : principe de la mesure par interférométrie radar (InSAR) : le satellite Sentinel-1 envoie des impulsions radar qui sont réfléchies par le sol et permettent ainsi de cartographier et mesurer les déplacements du sol dans la ligne de visée lorsque les deux mesures avant et après un événement sont combinées. Au milieu : carte de déformation mesurée par l'InSAR, les zones en violet s'éloignant du satellite et celles en jaune s'en rapprochant. Les cercles indiquent la localisation des répliques détectées après le séisme de Pawnee ce qui permet de déterminer la position approximative du séisme principal. À droite : comparaison entre l'observation et un modèle de déformation issu de l'inversion conjointe des données géodésiques et sismologiques.

Glissement associé au séisme de Pawnee, visualisé sous la forme d'un bloc 3D. Le séisme a rompu une faille située à l'intérieur du socle cristallin, sous le contact avec la couverture sédimentaire (ligne pointillée) à l'intérieur de laquelle l'injection de fluides a lieu. Ayant réalisé des simulations à l’aide d’un modèle cinématique inversant conjointement les données radar et sismologiques, les chercheurs ont pu montrer que le glissement avait atteint un maximum de 40 cm environ, que le séisme n'avait duré que 4 secondes et que le glissement sur la faille avait démarré entre 4 et 5 km de profondeur puis s’était développé jusqu'à 9 km, sans jamais remonter vers la surface.
Les fluides étant injectés dans la couverture sédimentaire à des profondeurs ne dépassant pas 2 km et le séisme étant resté confiné entre 4 et 9 km, il semblerait que, dans l'hypothèse très probable d’un séisme induit, la perturbation provoquée par l'injection de fluides soit donc parvenue à déstabiliser une faille "à distance". Cette perturbation de la pression des fluides emprisonnés dans la roche pourrait donc se propager dans le milieu, et donner ainsi naissance à une "onde" de pression s'étendant progressivement autour des forages d'injection, empruntant les fractures naturellement présentes, jusqu'à atteindre la faille sismique.

Afin d'anticiper l'occurrence d'un séisme dans un tel contexte, il pourrait sembler suffisant 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. Cependant, cette approche est limitée par la faible connaissance du réseau de fractures et des failles réceptrices. La faille impliquée dans le séisme de Pawnee n'avait elle-même jamais été cartographiée. Cette méconnaissance du réseau de failles implique d’ailleurs qu'il est très hasardeux de prédire la magnitude maximale de ces séismes induits, la magnitude étant essentiellement limitée par la longueur des failles.

Note(s): 
  1. Il s'agit surtout de l'eau naturellement associée au pétrole dans le réservoir géologique et amenée en surface en même temps que ce dernier. L'utilisation de techniques de fracturation hydraulique et de forages horizontaux, nécessaires pour exploiter les gisements non-conventionnels de l'Oklahoma, explique l'abondance de cette eau "co-produite". Par simplicité et choix économique, ces fluides usés et pollués sont injectés à nouveau dans une couche géologique de "stockage" à quelques kilomètres de profondeur.
  2. Ces interférogrammes radar ont été calculés à partir des données des nouveaux satellites Sentinel-1A et Sentinel-1B de l'Agence spatiale européenne (ESA), opérationnels depuis 2014 et 2016.
Source(s): 

Grandin, R., M. Vallee, and R. Lacassin (2017), Rupture process of the Oklahoma Mw5.7 Pawnee earthquake from Sentinel-1 InSAR and seismological data, Seismological Research Letters, 2017 (88). DOI : 10.1785/0220160226

Contact(s):
  • Raphaël Grandin, IPGP
    grandin [at] ipgp [dot] fr, 01 83 95 76 18

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