Atténuer et inverser les effets du changement climatique est le défi scientifique le plus important auquel l'humanité est confrontée. La séquestration du carbone décrit une gamme de technologies susceptibles de réduire la concentration de dioxyde de carbone (CO2) dans l'atmosphère. La plupart de ces systèmes impliquent de stocker le gaz sous terre, mais cela n'est pas sans risque, et les scientifiques craignent que le stockage souterrain puisse entraîner une augmentation de l'activité sismique (un phénomène connu sous le nom de « sismicité induite »).
Maintenant, des chercheurs aux États-Unis et en Suisse ont étudié la microsismicité, les petits événements sismiques causés par l'injection de carbone dans la roche hôte, au projet Illinois Basin Decatur (IBDP) dans le Midwest américain. En 2011-2014, l'IBDP a injecté un million de tonnes de CO2 dans un réservoir souterrain juste au-dessus d'un bassin cristallin de rhyolite. Nikita Bondarenko ainsi que Romain Makhnenko à l'Université de l'Illinois et Iouri Podladchikov de l'Université de Lausanne ont utilisé une combinaison d'observations de terrain et de simulations informatiques pour montrer comment la microsismicité à l'IBDP dépend fortement de la structure à micro-échelle de la roche hôte.
Le cercle de Mohr
La base de l'approche des chercheurs est un concept appelé "cercle de Mohr", qui décrit le graphique qui peut être tracé pour représenter un tenseur de contrainte. Partie intégrante de nombreux efforts de géo-ingénierie, les cercles de Mohr peuvent être tracés pour décrire la réponse des sols, des minéraux et d'autres matériaux géophysiques aux contraintes dans plusieurs directions. L'objectif des chercheurs était de développer une compréhension plus approfondie de la microsismicité locale, en ne considérant que les événements de magnitude 2.0 ou moins sur l'échelle de Richter, lors de l'injection de CO2 dans le réservoir rocheux de l'IBDP.
Pour compléter les calculs du cercle de Mohr, le groupe a examiné comment le CO2 se comporte comme un fluide et remplit les fissures et les pores de la roche hôte. Leurs résultats issus de l'observation de l'activité sismique de l'IBDP indiquent que l'injection de CO2 dans le « socle cristallin » (la couche rocheuse sous un dépôt de sédiments) peut exacerber les fissures et les failles existantes, déstabilisant ainsi le bassin. De plus, une fissuration induite par injection peut se produire dans la couche rigide directement au-dessus du socle cristallin, également appelée « couche compétente rigide ».
Chez IBDP, CO2 est injecté dans l'unité inférieure du grès du mont Simon dans la stratigraphie du bassin de l'Illinois (voir figure). En raison de la présence de joints intraformationnels (veines minérales imperméables dans la roche) dans le complexe du mont Simon, le CO injecté2 affecte les failles du socle cristallin sous le réservoir, permettant la réactivation d'éventuelles structures de failles favorablement orientées.
Effet poroélastique
Un autre phénomène qui doit être traité pendant le CO2 l'injection est l'effet pororoélastique, qui est lié à la pression interstitielle et aux contraintes mécaniques. Cette partie de l'étude s'est concentrée sur le grès d'Argenta et la rhyolite précambrienne du puits TR McMillen #2, situé à 25 km au sud-ouest du site d'injection de l'IBDP. L'objectif était de mesurer les propriétés poromécaniques du site. Des carottes de grès d'Argenta et de rhyolite précambrienne ont toutes deux été extraites à une profondeur comprise entre 1900 et 2000 m.
La rhyolite précambrienne, la roche cristalline du socle, est connue pour avoir des fractures qui permettent la migration interne des fluides, affaiblissant ainsi la roche et abaissant son module d'élasticité. Des échantillons intacts ou hétérogènes ont été obtenus via des expériences à l'échelle du laboratoire sur des spécimens d'une taille de l'ordre de 10 à 100 mm. Les mesures obtenues à cette échelle minuscule ont ensuite été exécutées à travers le "code numérique hydromécanique entièrement couplé" de l'équipe, basé sur l'ensemble d'équations de Biot aux dérivées partielles pour le fluide interstitiel et le comportement, afin de modéliser la sismicité induite par le CO2 injection à l'IBDP.
Modélisation numérique
Éponger le carbone
En plus des mesures en laboratoire, une modélisation numérique a été effectuée pour relier la stratigraphie du grès et de la rhyolite à la microsismicité se produisant au site d'injection. Les résultats des levés sismiques menés par l'Illinois State Geological Survey montrent une sédimentation inégale dans les couches stratigraphiques sous l'IBDP, ce qui pourrait entraîner une modification de la contrainte dans la roche. De plus, la résistance de la roche a été mesurée et la comparaison de l'angle de frottement avec la ligne tangente au cercle de Mohr a permis aux chercheurs de comprendre le seuil de fissuration induite par l'injection et de rupture de la roche. En bref, ils concluent que l'injection de CO2 est peu susceptible d'entraîner une activité sismique importante.
Les chercheurs décrivent leurs résultats dans Rapports scientifiques, et le principal enseignement de leur article est que la sismicité est un phénomène très complexe. Les caractéristiques stratigraphiques locales compliquent l'analyse de la sismicité générée par l'injection. En conséquence, le site d'injection de l'IBDP ne peut pas être décrit efficacement par un seul cercle de Mohr, et une réponse microsismique ne peut pas non plus être expliquée uniquement par les changements de pression interstitielle. Le couplage hydromécanique, l'écoulement diphasique, les effets stratigraphiques et la température doivent être considérés comme faisant partie du tableau d'ensemble du profil de sismicité de l'IBDP. En effet, davantage de travail doit être fait pour concilier le besoin de séquestration du carbone avec la prédominance continue de l'industrie ; la sismicité laisse présager un danger pour la sécurité, qui a un impact sur la perception des gens des mesures de séquestration du carbone. Jusqu'à ce que nous parvenions à une meilleure compréhension de la sismicité induite par l'injection de carbone, l'atténuation des risques est la meilleure ligne de conduite.
