Quelle susceptibilité sismique aux forçages anthropiques en France métropolitaine ?

Présentation de Jean-Robert Grasso (ISTerre), au 2nd Workshop Résif "Aléa sismique & Shakemaps" | 29 - 31 janvier 2018, Montpellier

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1. Quelle suscep)bilité sismique aux forçages anthropiques en France métropolitaine ? EPOS-IP (2015-2019) WP14 Anthropogenic seismicity j.-r. grasso1 Avec d. amorese2 a. karimov1 c. sue3 m. sylvander4 c. voisin1 1 osug 2 ipgp et uni. caen 3 osu-theta 4 omp injec)on Extrac)on/injec)on Lac reservoir mine Observa(ons - Evidences d’interac)ons pour M3+ (Mine, lac-réservoir, gaz extrac)on) - Mobsmax : M4-5 (Lacq- Monteynard) Ques(ons - Distance et durée d’interac)on -Mtheomax : ? Stat sur cas mondiaux et/ou « spécificité géomécanique locale » Quelques exemples et modèles
2. Exemple 1: Mises en eau de barrages Observa(ons - 6/top_26 lac-réservoirs déclenche M2.5+- 1Lr distance - Ntriggered =f(t) >> Ntectonique pour (1-3Lr , 1-5 ans) avec 95% niv. confiance Modèle - Mise en eau ó séisme- (mainshock) lent - Séismicté induite ó répliques (Grasso et al. submit 2017) Longitude Latitide French dams location and seismic rate(L) −5 0 5 10 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 0 1 2 3 4 5 6 barrage et distance au séisme: 1L,3L, 10L distance: rouge, bleu, vert Lr : longueur du lac-reservoir En fond le taux de sismicité sur 1962-2012 Nombre de séismes après la mise en eau (stack sur 26 barrages) pour 1L, 3L, 10L distance: 1-3L champ proche, 10L champ lointain; 0-20 ans En bleu 1000 séries « rebafues » pour 26 synthé)ques Quelle suscep)bilité sismique aux forçages anthropiques en France métropolitaine ?
3. Exemple 1: Mises en eau de barrages Observa(ons Mmax-observé < Mreservoir Avec Mreservoir = M(Lr) M(Lr) theorique associée a un lac- réservoir Modèle Mise en eau ó séisme- (mainshock) lent Séismicté induite ó répliques =>En moyenne Mmax < Mreservoir (equivallent Bath law ) (Grasso et al. submit 2017) Mmax observé en fonc)on de la longueur du lac Lr : - Mreservoir = M(Lr) M theorique associée a un lac-reservoir - Les courbes représentent Bath law (Mreservoir -1.2) et (Mreservoir -2.2), l’écart moyen entre Mreservoir et Mmax observé On remarque que les Mmax sont bornées par Mreservoir = M(Lr) Rouge : 1Lr Trigger Bleu : 3Lr Trigger Mmax observé en fonc)on de la longueur du lac Lr : Idem ci-dessus sur les 40 cas mondiaux admis par la communauté (Data modifier de Davies et al. 2012) Quelle suscep)bilité sismique aux forçages anthropiques en France métropolitaine ? Lake Length (km) Lake Length (km)
4. Exemple 2: extrac(on de gaz (Lacq) Mécanique de l’ Essaim sismique de Lacq - Début ? - Fin ? - Mmax .? - Interac)on régionale ? Modèle - Déplé)on ó séisme- (mainshock) lent - Séismicté induite ó répliques 1960 1980 2000 2020 0 15 30 45 60 75 90 105 120 135 150 165 180 Cumulative Numbers(M>2.2) 1960 1980 2000 2020 2040 0 10 20 30 40 50 60 Cumulative pressure(Po−P) MPa 1960 1980 2000 2020 0 100 200 300 400 500 600 Cumulative production Gm3 Time(years) Lacq seismicity Cum.Numbers Cum.Production Cum.Pressure Gas pressure drop (red), produc)on volume (green) cumula)ve seismicity (blue) 1956-2016 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 0 1 2 3 4 5 6 7 x 1017 Yearly cumulative energy 1L(M>2.2) Time(years) Lacq energy release and production 0 2 4 6 8 10 12 Production Gm3 produc)on volume (green) Seismic energy (blue) 1956-2016 Quelle suscep)bilité sismique aux forçages anthropiques en France métropolitaine ?
5. Exemple 2: extrac(on de gaz (Lacq) Analyse Threshold response to stressing rate: max stress rate ó onset of seismicity ? Sismicity Rate Model 1970 - 1980: SRind << SRtecto SRind = sub-tectonic rate 1985 - 1995 : SRind > SRtecto SRind = super-tectonic rate Calibra(on of tectonic stressing rate (Mpa/yrs) ? (2000-2010) Δp/dt(reservoir) < 1 MPa/year ⇒  Δσ/dt(caprocks) = 2. 10-3 MPa/year (Grasso 1992, Segall et al. 1994) Tectonic stressing rate: Δσ/dt(tectonics) = 1-2. 10-3 MPa/year Cumula)ve seismicity rate: -Tectonic rate (10L box) (green) -Induced near field rate (1L box) (blue) - stressing rate (red) Seismicité autour du champ de Lacq: Data Si-Hex extended 2016 Rectangle: 1L,3L, 10L L dimension du réservoir SRind << SRtecto SRnd >SRtecto SRnd = SRtecto Tectonic stress rate proxy ? Rtecto =Rind Quelle suscep)bilité sismique aux forçages anthropiques en France métropolitaine ? Rtec <Rind Rtec >Rind
6. Exemple 2: extrac(on de gaz (Lacq) Analyse Threshold response to stressing rate: max stress rate ó onset of seismicity Model - Peak value Δp/Δt = 3.5 Mpa/yrs  (Δσ/Δt)max 0.01 Mpa/yrs (poro-elas)c stress tranfert Segall et al 1994) - seismicity rates = f( stressing rate) dN/dt = f(Δp/Δt) - Energy ? Cumula)ve seismicity rate) (blue) Gas pressure drop (red), produc)on volume (green) 1956-2016 Taux de sismicité (blue) et taux de deple)on (green) annuels 1960 1970 1980 1990 2000 2010 0 2 4 6 8 Yearly numbers of seismicity(M>2.5) Time(years) Lacq seismicity and pressure 0 1 2 3 Yearly pressure rate MPa Numbers Pressure rate 1960 1980 2000 2020 0 15 30 45 60 75 90 Cumulative Numbers(M>2.5) 1960 1980 2000 2020 2040 0 10 20 30 40 50 60 Cumulative pressure(Po−P) MPa 1960 1980 2000 2020 0 100 200 300 400 500 600 Cumulative production Gm3 Time(years) Lacq seismicity Cum.Numbers Cum.Production Cum.Pressure Quelle suscep)bilité sismique aux forçages anthropiques en France métropolitaine ?
7. Exemple 2: extrac(on de gaz (Lacq) Analyse 1967-1974: shallow injec)on peak value ⇒ 1969: onset of seismicity 1975: onset of deep injec)on ⇒ 1978 change in seimicity rate 2006-2012: total injec)on peak value => 2013-2016: Mmax = 4 (depth=7 km) Model ? On going work Waste water injec)on rate (red)= shallow (Orange) = deep Dofed line = deep + shallow Seismicity rate (blue) 1956-2016 Taux d’énergie sismique (blue) et taux de deple)on (green) annuels 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 0 1 2 3 4 5 6 7 x 1017 Yearly cumulative energy 1L(M>2.2) Time(years) Lacq energy release and pressure 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 Yearly pressure change Mpa deep injec)on onset Injec)on peak value Quelle suscep)bilité sismique aux forçages anthropiques en France métropolitaine ? ?
8. Analyse Total injected volume: 250 105 m3 => M4-6 ? injected volume (1957-1980): 200 105 m3 => M5 1980, Arudy ? Model ? Lacq 1957-2012 volume = « Oklahoma- like » volume …. Mmax => M5+ Grasso et al. Submit. (2018) Water saturated reef Dry rocks Lacq injected volume LacqM4,2013,2016 Background from Galis et al. 2017 Quelle suscep)bilité sismique aux forçages anthropiques en France métropolitaine ?
9. Quelle suscep)bilité sismique aux forçages anthropiques en France métropolitaine ? - Existence de nombreux cas français : - Cas direct (champ proche) => distance intermédiaire ? -  (Monteynard / faille de Belledonne; Serre-Ponçon / essaim Ubaye; Lacq / Arete, Arudy) = > méthodologie pour quan)fier/normaliser par rapport au cas mondiaux ? - Interac(ons séismicité anthropiques / séismicité tectoniques: => Nouvelle classifica)on en fonc)on du ra)o tauxinduit / tauxtectonique ? IR/TR < 1 => sub- tectonic rate IR/TR > 1 => super- tectonic rate (e.g. volcano seismic swarm?) => possibilité d’es)mer « tectonic stressing rate » en France métropolitaine ? -  Mmax controlée par la taille de la zone perturbée (par Δσ+) plutôt que par la valeur de Δσmax Plus la zone où Δσ+ augmente est importante => plus de le nombre de séismes déclenchés augmente => plus la probabilité d’un Mmax grand augmente (via Gutenberg Richter) (e.g. de Arcangelis et al. 2016, Elst et a; 2016) -  Séismes anthropiques = répliques d’un « lent choc principal » equivallent à la produc(on de géo-resource (modèle conceptuel similaire celui des séismes tectoniques (e.g. Naser = 10 –bM , Mmax = Mms - cste)) Open access produc)on and seismicity data Through EPOS-AH portal, mid 18’
10. stress change (bar) time space Tectonic earthquake framework Anthropogenic earthquake framework Complexity of Anthropogenic seismic instabili)es: induced / tectonic eqs schatzalp-17
11. schatzalp-17 ⇒  <Δp(reservoir) min> = 20-30 MPa ⇒  <Δσ(caprocks) min> = 0.01-0.5 MPa ⇒  Δp/dt(reservoir) max = 5 MPa/yr (Lacq) ⇒  Δσ/dt(caprocks) max = 0.01 MPa/yr (Lacq) Poro-elasticity model (Segall, Grasso, Mossop 1994) Mmax 4.3 Mmax 3.4 Mmax 3.4 Reservoir Pressure ΔP=25 MPa ΔP 30 MPa ΔP 24 MPa time Mmax = 4.3 Mmax = 4.1 Mmax = 3.5 Trigger mechanics (conceptual) Δσmax = [(l-2ν)/2π(1-ν)] Δp Fmax (a/D), Δσmax = -0.1 (T/D) Δp Fmax (a/D) a, T, D : radius, thickness, Depth of reservoir (segall 1989, grasso 1992)