Controlling earthQuakes (CoQuake) in the laboratory using pertinent fault stimulating techniques

par Georgios Tzortzopoulos

Thèse de doctorat en Génie civil

Sous la direction de Ioannis Stefanou.

Le président du jury était Franck Plestan.

Le jury était composé de Ioannis Stefanou, Franck Plestan, André Niemeijer, Gioacchino Viggiani, Jean-Philippe Avouac, Rachel Gelet, Ares Rosakis, Jean-François Semblat.

Les rapporteurs étaient André Niemeijer, Gioacchino Viggiani.

  • Titre traduit

    Contrôle des séismes en utilisant des techniques pour stimuler les failles sismiques au laboratoire


  • Résumé

    La sismicité anthropique a augmenté depuis les dernières décennies en raison de l’intense activité humaine pour la production d’énergie. Cependant, malgré le fait que la simple injection de fluides peut induire/ déclencher des tremblements de terre, dans cette thèse, nous montrons que l’interaction stratégique entre les extractions et les injections de fluides peut contrôler de tels événements sismiques et éventuellement les prévenir. Plus précisément, nous construisons un nouveau cadre mathématique de contrôle robuste des tremblements de terre, qui est ensuite exploité dans des simulations numériques de failles de glissement et de réservoirs de gaz, ainsi que dans de nouvelles expériences de laboratoire à l’échelle décimétrique. Tout d’abord, les paramètres clés qui constituent une stratégie conventionnelle d’atténuation des séismes sont identifiés. Des expériences de substitution sur du papier poreux absorbant montrent que sans la connaissance précise des propriétés de la faille, les injections de fluide risquent de nucléer plus rapidement un grand événement sismique. Afin de faire face à de telles incertitudes, des outils mathématiques rigoureux sont développés en utilisant la théorie moderne du contrôle. Ces outils nécessitent un minimum d’informations sur les propriétés de la faille et les caractéristiques de frottement pour assurer la robustesse. Des simulations numériques sur des failles à glissement latéral vérifient que la prévention des séismes est possible, même en présence de processus de diffusion et en l’absence de mesures suffisantes dans le temps et l’espace. En allant plus loin, les techniques de contrôle développées peuvent également être appliquées dans les grands réservoirs de gaz, où la production de gaz souhaitée peut être atteinte en garantissant des niveaux de sismicité acceptables. Enfin, au cours de cette thèse, un nouvel appareil à triplets d’échelle décimétrique a été conçu, construit et calibré en conséquence. Le contrôle de la pression peut être réalisé, dans cet appareil, en temps réel, grâce à un régulateur de pression électro-pneumatique à réponse rapide. Comme preuve de concept, le régulateur développé est branché dans cet appareil et en utilisant des spécimens imprimés en 3D à base de sable (pour promouvoir la répétabilité expérimentale), nous parvenons, pour la première fois, à prévenir les tremblements de terre en laboratoire et à conduire le système de manière asismique vers un point d’équilibre de plus faible énergie.


  • Résumé

    Anthropogenic seismicity has been increased since the last decades due to the intense human activity for energy production. However, despite the fact that merely injection of fluids can induce/trigger earthquakes, in this thesis, we show that the strategic interplay between fluid extractions and injections can control such seismic events and eventually prevent them. More specifically, a novel mathematical framework of robust earthquake control is built which in turn is exploited in numerical simulations of strike-slip faults and gas reservoirs, as well as in new laboratory experiments of decimetric scale. First, the key parameters which constitute a conventional earthquake mitigation strategy are identified. Surrogate experiments on absorbent porous paper show that without the precise knowledge of the fault properties, fluid injections risk to nucleate faster a large seismic event. In order to tackle such uncertainties, rigorous mathematical tools are developed using modern control theory. These tools require minimal information of fault’s properties and frictional characteristics to assure robustness. Numerical simulations on strike-slip faults verify that earthquake prevention is possible, even in the presence of diffusion processes and the absence of sufficient measurements both in time and space. Going a step further, the developed control techniques can also be applied in large gas reservoirs, where the desired gas production can be achieved assuring acceptable seismicity levels. Finally, during this thesis, a novel triplet apparatus of decimetric scale has been designed, constructed and calibrated accordingly. Pressure control can be achieved, in this machine, in real-time, through a fast response electro-pneumatic pressure regulator. As a proof of concept, the developed controller is plugged in this apparatus and by using sand-based 3D-printed specimens (to promote experimental repeatability), we manage, for the first time, to prevent laboratory earthquakes and drive the system aseismically to an equilibrium point of lower energy.


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