L’EPFZ pilote par simulation les séismes dans l’ancienne galerie de la Furka

L'Ecole polytechnique fédérale de Zurich exploite un laboratoire souterrain dans l'ancienne galerie de Bedretto, qui faisait partie du chantier du tunnel de base de la Furka, au Tessin. Des séismes artificiellement provoqués en étudient les fondements physiques.

Crédit image: DR, BedrettoLab.

Un laboratoire de recherche hors du commun: le « BedrettoLab », sert de base de simulation.

Aménagé dans une ancienne galerie d'avancement par explosifs près de Ronco, au Tessin, se trouve aujourd'hui l'un des laboratoires de recherche les plus insolites de Suisse: le BedrettoLab. Exploité par l'EPFZ et équipé d'un réseau de mesure extrêmement sensible, il accueille le projet FEAR (Fault Activation and Earthquake Rupture), dans le cadre duquel des chercheurs cherchent à répondre à des questions fondamentales de la physique des séismes : pourquoi les tremblements de terre commencent-ils, et pourquoi s'arrêtent-ils ?

Pour répondre à ces questions, des séismes artificiels sont déclenchés de manière contrôlée à environ deux kilomètres de profondeur, en injectant de l'eau sous pression dans une zone de faille géologique. Le projet est mené par un consortium de scientifiques de l'EPFZ, de la RWTH d'Aix-la-Chapelle et de l'Institut national italien de géophysique et de volcanologie.

Haute technologie en souterrain
Réaliser une telle expérience avec des instruments de mesure de pointe dans une galerie de chantier vieille de plus de cinquante ans n'a rien d'évident. La galerie de Bedretto, également appelée « fenêtre de Bedretto », servait autrefois de tunnel de service pour la construction du tunnel de base de la Furka et permettait l'évacuation des déblais. Elle avait été creusée selon des méthodes conventionnelles de forage et de dynamitage, sans jamais être revêtue. Une fois le tunnel ferroviaire achevé, elle fut abandonnée. Il ne restait alors qu'une galerie brute de 5,2 km, creusée à l'explosif. Faute de travaux de consolidation, certaines sections soumises à de fortes déformations se sont même effondrées.

Crédit image: DR, BedrettoLab.

La galerie test longe une faille géologique à une distance d'environ 40 m.

Pour transformer cet ancien tunnel en laboratoire, il a fallu installer une ventilation, une voie de circulation, une alimentation électrique et toute l'infrastructure nécessaire. « Nous avons par exemple installé un poste électrique haute tension vers le point kilométrique 2200 », explique Marian Hertrich, responsable du BedrettoLab.

Le principal défi de cette expérience reste cependant la logistique. Le tunnel ne comporte qu'une seule voie de circulation: les véhicules doivent donc attendre lorsqu'un autre véhicule arrive en sens inverse. « Nous disposons de deux locomotives électriques capables de transporter de lourdes charges, mais elles sont relativement difficiles à manœuvrer. » Depuis trois ans, trois véhicules électriques plus légers complètent la flotte du laboratoire souterrain. Selon Marian Hertrich, ils conviennent parfaitement aux déplacements quotidiens et au transport de matériel léger, sans nécessiter de formation particulière pour les utilisateurs.

Pour Marian Hertrich et son équipe, le BedrettoLab constitue un lieu de travail exceptionnel. « Comme la galerie est restée inutilisée pendant plusieurs décennies, nous pouvons concevoir nos expériences exactement selon nos besoins. » En contrepartie, il a fallu planifier et construire toute l'infrastructure à partir de zéro. Cette grande liberté d'aménagement représente une opportunité remarquable, mais également une lourde responsabilité.

Des milliers de micro-séismes
En avril, une importante campagne d'injection a été réalisée dans le cadre du projet de recherche sismique FEAR au BedrettoLab. Pour l'expérience FEAR-2, l'équipe a spécialement construit une nouvelle galerie de 120 m de long, située à environ 40 m d'une faille géologique, à 2,2 km de l'entrée du tunnel principal de Bedretto et entre 2 et 2,5 km du tunnel de base de la Furka.Cette galerie est équipée d'une vingtaine de forages, dont certains servent aux mesures et d'autres à l'injection d'eau. 

Un réseau de capteurs ultra-sensibles
 « Notre instrumentation comprend des capteurs acoustiques capables de détecter des séismes extrêmement faibles ainsi que des sismomètres installés sur le sol du tunnel », explique Marian Hertrich. Outre ces appareils, l'équipe mesure également les déformations de la faille grâce à des fibres optiques, à des inclinomètres de très haute précision et à de nouveaux capteurs tridimensionnels de déformation. « Nous mesurons aussi le débit de l'eau, la pression et la température. » Toutes ces données permettent aux chercheurs de mieux comprendre l'ensemble des processus qui conduisent à un séisme et accompagnent sa propagation.

Une autre mesure de sécurité essentielle consistait à interdire toute présence humaine dans la galerie pendant les injections sous haute pression. L'Avec FEAR-2, de l'eau a été injectée pour la première fois simultanément dans deux forages distincts débouchant sur la faille. Selon Marian Hertrich, des pompes à piston haute pression, pilotées par variateur de fréquence, ont été utilisées. Elles peuvent être commandées à distance par ordinateur avec une très grande précision, tant pour le débit que pour la pression d'injection. « Grâce à des séquences expérimentales préprogrammées, nous obtenons une précision des données qui n'était pas possible auparavant », souligne le responsable du laboratoire.

Essais micromécaniques
Déclencher des séismes artificiels dans une galerie située au cœur d'une montagne comporte naturellement certains risques. Avant l'expérience, des essais hydromécaniques ont donc été réalisés, accompagnés d'une analyse détaillée des risques et des mesures de sécurité. L'équipe s'est également appuyée sur l'expérience acquise lors des précédentes campagnes d'injection menées au BedrettoLab. Sans cette expertise en matière de techniques de mesure, de surveillance sismique et sans le système d'alerte spécialement développé, une expérience de cette ampleur n'aurait pas été possible.

Crédit image: DR, BedrettoLab.

De l’eau a été injectée de manière contrôlée dans la faille géologique, via les forages, pendant environ 50 heures en avril.

Ces tests visaient à provoquer un événement sismique de magnitude 1,0. A ce niveau, seuls des dommages mineurs étaient attendus dans la galerie de Bedretto ou dans le tunnel FEAR. Selon l'évaluation des risques, des dégâts importants à l'extérieur du laboratoire, en surface ou dans le tunnel de base voisin de la Furka, n'auraient pu survenir qu'à partir d'une magnitude de 2,5. La probabilité d'un tel événement était estimée à seulement 1 %.

Pilotage à distance
L’expérience a donc été entièrement pilotée à distance depuis Zurich. Le contrôle et la surveillance étaient assurés par une interface numérique commandant principalement les pompes haute pression et les vannes d'injection. « Les installations sont programmées pour maintenir en permanence une valeur cible de pression maximale ou un débit déterminé », précise Marian Hertrich. Si des valeurs critiques avaient été détectées pendant l'expérience ou si la liaison Internet avait été interrompue, le système aurait automatiquement arrêté les injections et basculé en mode de sécurité.

Une expérience sur trois jours
La première campagne FEAR-2 s'est déroulée du 22 au 25 avril. Pendant environ 50 heures, de l'eau a été injectée de manière contrôlée dans la faille géologique à travers les forages aménagés dans la galerie FEAR. Au cours de la première nuit, l'expérience a toutefois dû être interrompue temporairement à la suite d'une panne de courant imprévue. Après les réparations, les injections ont pu reprendre dès le lendemain. Les injections simultanées réalisées dans deux intervalles de stimulation distincts et à travers deux forages séparés ont conduit à l'activation de plusieurs structures géologiques au sein du volume étudié. Elles ont ainsi provoqué plusieurs milliers de très faibles événements sismiques, dont les magnitudes locales étaient comprises entre -5 et -0,14.

A titre de comparaison, un être humain ne commence généralement à percevoir une secousse qu'à partir d'une magnitude d'environ 2,5. Une partie de ces événements s'est produite dans la zone de faille ciblée, mais un grand nombre est également apparu dans des structures géologiques voisines. « Nous avons déclenché un très grand nombre de séismes, ce qui était attendu et correspondait à notre objectif », explique Marian Hertrich.

L'expérience a toutefois dû être arrêtée avant d'atteindre la magnitude cible de 1. Les injections ont été interrompues après l'injection d'environ 750 m³ d'eau, alors que 2 000 m³ étaient initialement prévus. « Au fil de l'expérience, l'activité sismique s'éloignait progressivement de notre réseau de capteurs. » L'équipe a donc décidé d'interrompre les essais, les données recueillies n'apportant plus d'informations scientifiques suffisamment exploitables.

Une réussite quand même
Malgré cet arrêt anticipé, les chercheurs considèrent FEAR-2 comme une réussite. « Nous avons démontré que des injections contrôlées sous haute pression permettent d'activer de manière maîtrisée le réseau de fractures de la roche et que notre réseau de mesures à haute résolution est capable de détecter avec précision les déformations et la sismicité dans l'ensemble du volume étudié », résume Marian Hertrich.

Mieux comprendre les tremblements de terre
Les données recueillies au cours de cette expérience constituent une base essentielle pour mieux comprendre les processus couplés qui interviennent lors d'un tremblement de terre. L'analyse complète des très nombreuses mesures nécessitera toutefois encore du temps avant que les chercheurs puissent répondre aux principales questions relatives à la physique des séismes. FEAR-2 ne sera d'ailleurs pas la dernière campagne d'injection. L'équipe prévoit déjà de nouvelles expériences, notamment en juin ou en septembre. Les chercheurs espèrent principalement mieux comprendre comment les séismes se déclenchent, comment ils se propagent et quels mécanismes conduisent à leur arrêt.

Selon Marian Hertrich, ces connaissances pourraient également contribuer à une meilleure compréhension des séismes induits, tels que ceux susceptibles de se produire lors de projets de géothermie profonde. Une meilleure maîtrise de ces phénomènes permettrait de rendre ces projets plus sûrs. La nécessité de ces recherches est illustrée par un précédent bien connu: il y a près de vingt ans, le projet géothermique Deep Heat Mining de Bâle a été abandonné après que des injections hydrauliques eurent provoqué, en 2006, un séisme de magnitude 3,4. Cet épisode continue aujourd'hui encore d'affecter l'acceptation publique des projets de géothermie. (Pascale Boschung)

Un tunnel soumis à d'importantes déformations

Quelle: Bibliothèque de l'ETH Zurich, archives photographiques / Com_LC1064-001-003.

Le tunnel de Bedretto servait à l'évacuation des déblais issus du creusement du tunnel de base de la Furka. Photo : opérations de chargement dans la galerie, vers 1977.

Le tunnel de Bedretto a été construit dans les années 1970 dans le cadre des travaux du tunnel de base de la Furka. Il servait à l'évacuation des déblais et au ravitaillement du chantier. Long de 5220 m, il a été creusé selon les méthodes conventionnelles de forage et de dynamitage. Il mesure environ 2,7 m de hauteur et de largeur. En tant que galerie brute, il n'a été consolidé qu'aux endroits soumis à d'importantes déformations, au moyen d'armatures en acier et de soutènements en bois.

Après son abandon, trois effondrements se sont produits, rendant temporairement le tunnel impraticable. Ce n'est qu'en 2015 que la galerie a été rouverte. A l'occasion de l'installation d'un nouveau système de ventilation et de protection incendie dans le tunnel de la Furka, les éboulements ont été déblayés et les secteurs critiques sécurisés.

A la même époque, un consortium de chercheurs était à la recherche d'un tunnel adapté aux recherches sur la géothermie profonde. La compagnie Matterhorn Gotthard Bahn a alors mis la galerie à la disposition de l'ETH Zurich, qui y a inauguré en 2018 le Bedretto Underground Laboratory for Geosciences and Geoenergies (BedrettoLab).

Depuis son ouverture, les activités du laboratoire se sont largement diversifiées. Initialement consacré à la géothermie, il accueille aujourd'hui de nombreux projets dans les domaines des géosciences et de la géoénergie, grâce à une infrastructure de recherche particulièrement performante.  (pb)