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22/03/2012

Séismes provoqués par les activités humaines

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par Boris Bellanger (Science & Vie 2009)

 

L'Homme responsable de séismes ? Barrages, mines, forages, géothermie agressent la croûte terrestre engendrant parfois des réactions dévastatrices. Toutes ces installations peuvent déclencher des tremblements de terre. À Bâle (Suisse) en décembre 2006 une mine de charbon dans l'Utah (États-Unis) en août 2007, et un autre dans la région de Sarrebruck (Allemagne) en février 2008 ont enfanté une série de séismes. Sans oublier le dévastateur tremblement de terre survenu au Sichuan en Chine le 12 mai 2008, que certains scientifiques audacieux relient aujourd'hui à la présence du barrage voisin de Zipingpu.

 

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Barrage de Zipingpu © Creatio

 

Depuis des décennies, plusieurs observations ont interpellé les scientifiques qui sont à l'écoute des soubresauts de notre planète. "Le soupçon d'influence naît lorsqu'il y a coïncidence dans le temps et dans l'espace entre le tremblement de terre et la mise en activité d'une installation, par exemple lors de la mise en eau d'un barrage, explique Jean-Robert Grasso, du Laboratoire de géophysique interne et tectonophysique de l'université Joseph-Fourier (Grenoble), un des rares Français à se pencher sur ce sujet. "Si l'on observe un événement sismique, on s'interroge, mais lorsque c'est une série d'événements qui se produit à un endroit précis, notre certitude augmente."

 

Pour pouvoir incriminer une ingérence humaine dans la tectonique de la planète, il est nécessaire de connaître précisément l'activité sismique de la région avant la mise en service des installations incriminées. En France, l'historique des secousses ressenties par la population est parfaitement documenté sur les cinq derniers siècles. Ce qui a permis notamment à Jean-Robert Grasso de démontrer de manière flagrante, dès les années 1980, que les séismes enregistrés dans la région de Pau, dont certains de magnitude 4, étaient dus à l'exploitation de l'immense gisement de gaz naturel de Lacq par Elf Aquitaine. Le bassin sédimentaire aquitain était en effet connu jusque-là pour être le plus calme de France au niveau sismique. "Les tremblements de terre apparus dix ans après les premiers pompages à Lacq, en 1969, et qui perdurent depuis, ont donc été facilement repérés", explique Pascal Bernard, sismologue à l'Institut de physique du globe de Paris.

 

Un autre exemple ? Dans le nord-est des États-Unis, l'exploitation de mines profondes, de vastes carrières à ciel ouvert et de puits d'injection de fluide en profondeur est, d'après les chercheurs, directement à l'origine d'un séisme sur trois enregistrés depuis les années 1980 dans cette région normalement peu active d'un point de vue géologique ! Et ce n'est pas une particularité locale, comme le démontrent les travaux de Christian Kiose, géologue à l'Observatoire de la Terre Lamont-Doherty de l'université Columbia (New York).

 

Dans une tentative de recensement publiée en août 2007, ce scientifique a dénombré plus de 200 endroits dans le monde pour lesquels l'action humaine a été reconnue comme responsable du déclenchement de séismes. Sa conclusion ? "Si l'on regarde la distribution des séismes déclenchés par l'Homme à l'échelle du globe, il apparaît que la majorité d'entre eux est située dans les régions continentales stables, pour lesquelles le niveau de sismicité naturelle est historiquement bas."

 

Il est évident que la coïncidence entre un séisme et la mise en exploitation d'un champ pétrolier ou d'un barrage est plus aisée à démontrer si la région n'est pas secouée en permanence. Un principe qui est d'ailleurs aussi valable lorsque l'on cherche à détecter les séismes produits par les essais nucléaires souterrains, comme celui réalisé en octobre 2006 par la Corée du Nord, et qui a déclenché une secousse de magnitude 4,2. Mais au-delà de cette meilleure capacité de détection, il existe des raisons purement géologiques à cette répartition. De fait, le risque de générer des tremblements de terre est plus important dans les régions continentales "calmes" parce que, contrairement aux endroits très actifs du globe, ce sont surtout les premiers kilomètres de la croûte terrestre, près de la surface, qui voient naître les séismes naturels. Or "ces zones sismogènes sont à portée des perturbations générées par l'activité humaine, donc plus facilement déstabilisées par elles", conclut Art McGarr, du Bureau de surveillance géologique des États-Unis (USGS). Un point déterminant lorsqu'il s'agit de démontrer, arguments mécaniques à l'appui, le lien entre séisme et activités humaines. Et qui permet de verser au dossier des preuves plus percutantes qu'une simple coïncidence, notamment dans les cas délicats pour lesquels il s'est passé plusieurs années entre le début de l'exploitation et la survenue d'un séisme majeur.

 

À la base clé l'argumentation des chercheurs, une théorie de mécanique des roches dite de Mohr-Coulomb, vieille de plus de cent ans et qui a fait ses preuves pour évaluer la résistance d'un matériau à la contrainte. Élaborée à partir d'expériences en laboratoire sur des cylindres de roches soumis à de fortes pressions ou tractions, cette théorie permet de décrire la façon dont une faille (une zone de fracture naturellement présente dans la croûte terrestre) s'approche ou s'éloigne de la rupture en fonction des contraintes physiques auxquelles elle est soumise. Les principales contraintes antagonistes étant, d'une part, la force verticale exercée par la masse des roches au-dessus de la faille et, d'autre part, les forces horizontales de compression ou d'extension liées aux mouvements des plaques tectoniques. Les roches réagissent à ces pressions en se déformant de façon élastique jusqu'au moment où, ces contraintes dépassant la capacité de résistance de la faille, celle-ci joue et libère l'énergie qu'elle a emmagasinée : c'est le séisme.

 

En accumulant des masses impressionnantes d'eau derrière un barrage, ou en extrayant des millions de tonnes de minerai ou d'hydrocarbures du sous-sol, l'activité humaine pèse sur la croûte terrestre ou, au contraire, la soulage d'un poids. Ce faisant, elle modifie les contraintes auxquelles sont déjà soumises naturellement les failles et, en venant s'ajouter aux forces tectoniques, peut faciliter leur rupture. Autrement dit, "un séisme déclenché par l'Homme est avant tout un phénomène naturel, la responsabilité de l'Homme se limitant à son déclenchement", précise Leonardo Seeber, spécialiste de la sismicité induite par les activités humaines au Lannont-Doherty. Le travail des scientifiques consiste donc à démontrer que le changement de contrainte imposé par l'Homme sur la faille arrive dans la bonne direction, au bon moment, et avec suffisamment d'intensité pour précipiter un tremblement de terre.

 

UNE PETITE PERTURBATION SUFFIT À DÉCLENCHER UN SÉISME


Ce qui ressort de l'analyse des nombreux cas recensés est très étonnant : l'Homme n'a pas besoin de perturber fortement le système naturel pour réactiver une faille. "Si la faille est sur le point de rompre, il peut suffire d'un changement de contrainte en profondeur, au niveau de la faille, d'un dixième de bar (c'est-à-dire équivalent à un dixième de la pression atmosphé- rique) pour déclencher la rupture", explique Pascal Bernard. L'homme peut ainsi précipiter l'apparition d'un séisme de la même façon qu'une mouche se posant sur un château de carte en équilibre précaire sera à même, malgré sa légèreté, de le faire s'écrouler. C'est ainsi qu'il aurait déclenché un tremblement de terre à Newcastle, en Australie, en 1989. Mais il n'y a pas que ces failles au bord de la rupture qui soient concernées, car les perturbations induites par l'homme, lorsqu'il injecte de l'eau sous pression, peuvent être de l'ordre de la dizaine de bars. Ce qui correspond justement à ce dont une faille a besoin en moyenne pour se recharger.

 

"Des failles en milieu de cycle peuvent donc très bien être déclenchées par l'Homme, pour peu qu'elles soient très proches du lieu de l'installation", précise Pascal Bernard. Si l'Homme n'a qu'une pichenette à donner pour réveiller une faille endormie, il est donc à même de rivaliser avec les forces mises en œuvre par notre planète...

 

Ainsi, les activités humaines ont la capacité bien embarrassante de précipiter le déclenchement d'un séisme. Reste à savoir combien de temps l'Homme a fait "gagner" à la faille. Si on s'intéresse aux régions où la vitesse à laquelle la faille se rapproche du point de rupture est élevée, comme aux limites des plaques tectoniques (Ceinture de feu du Pacifique ou chaîne himalayenne, par exemple), la perturbation humaine va rapprocher la survenue du séisme de quelques années seulement. "Mais si l'on considère les zones où les failles se chargent extrêmement lentement, comme au milieu d'une plaque tectonique [telles que l'Afrique du Sud, l'Australie ou l'Europe du Nord...], l'anticipation peut être de mille ans ou de dizaines de milliers d'années ! précise Leonardo Seeber. Dans ce cas, on peut considérer que ce séisme ne serait jamais arrivé sans l'intervention de l'Homme." Face à cette situation dérangeante, une question se pose donc : connaissant les perturbations que l'être humain génère, peut-on prédire la date d'un tremblement de terre ? Malheureusement pas... "Qu'il soit naturel ou déclenché par l'homme, un séisme est impossible à prévoir, constate Jean-Robert Grasso. Pour la simple raison que l'état des contraintes dans la croûte terrestre n'est pas connu et n'est pas directement accessible à l'observation." C'est d'ailleurs un défi que tentent de relever les géologues américains depuis 2004 avec l'Observatoire de la faille de San Andréas (Safod).

 

CAS DES BARRAGES

 

Le barrage Hoover, situé à la frontière entre l'Arizona et le Nevada, a été, en 1945, le premier pointé du doigt pour avoir déclenché un séisme, dix ans plus tôt.

 

Au cours des années 1960, quatre séismes majeurs, de magnitude supérieure à 6, ont été enregistrés et, après coup, associés à des barrages : celui de Hsinfengkiang en Chine (1962), celui de Kariba en Zambie (1963), celui de Kremasta en Grèce (1967) et celui de Koyna en Inde (1967). Ce dernier barrage constitue un cas d'école, car il est lié au séisme le plus violent (magnitude 6,3) et le plus meurtrier (200 morts). Depuis sa mise en place, en 1962, la zone est le siège d'incessantes secousses : 170 séismes de magnitude supérieure à 4, dont 19 de magnitude supérieure à 5, y ont été mesurés ! Aujourd'hui, une centaine de barrages dans le monde sont reliés à des tremblements de terre, selon le recensement effectué par Harsh Gupta, spécialiste mondial de la sismicité induite par les barrages et membre de l'institut national de recherches géophysiques (Hyderabad, Inde). Parmi ces installations, dix ont déclenché des séismes de magnitudes comprises entre 5 et 5,9 et 28 autres, des séismes de magnitudes de 4 à 4,9.

 

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En octobre 2008, la Commission internationale des grands barrages (Paris), qui représente les constructeurs, a également publié un rapport consacré à ce phénomène. Ses auteurs estiment que 1 % des grands barrages dont la retenue d'eau dépasse 100 m de haut soit six ouvrages, sont associés à des séismes de magnitude supérieure à 5,7. Une part qualifiée de "non négligeable" dans le rapport, qui rappelle cependant que "la mise en eau d'un barrage ne peut déclencher une activité sismique qu'en conjonction avec des conditions tectoniques préexistantes favorables". Lesquelles ? Comme c'est presque toujours le cas en matière de séismes déclenchés par l'homme, l'existence, à l'aplomb de l'ouvrage, de failles prêtes à rompre. Failles que le barrage, et plus spécifiquement son lac de retenue, titillent de deux façons. La première est liée aux immenses quantités d'eau stockées qui pèsent sur le sol, augmentant, même faiblement, la contrainte verticale sur la faille. La seconde repose sur l'infiltration lente d'eau en profondeur qui va lubrifier la faille, et lui permettre de glisser plus facilement. L'existence de ces deux mécanismes explique pourquoi certains séismes apparaissent rapidement après la mise en eau du barrage tandis que d'autres, mettant en jeu des failles plus profondes, se manifestent des années après. Ainsi, le barrage d'Assouan, en Égypte, a-t-il été associé à un séisme de magnitude 5,3 survenu en novembre 1981; dix-sept ans après sa mise en eau. La multiplication des cas de sismicité induite par les barrages a aussi permis de montrer que la hauteur d'eau dans le barrage, ainsi que la vitesse à laquelle le lac de retenue est rempli ou vidé, influe significativement sur la survenue de tremblements de terre.

 

Pour une poignée de sismologues, le séisme du Sichuan a été déclenché par le barrage de Zipingpu. Si la thèse était confirmée, l'impact destructeur de l'Homme sur la planète devrait être reconsidéré… pour éviter le pire.

Plus de 88 000 morts ou disparus, près de 400 000 blessés, 5 millions de bâtiments détruits : le tremblement de terre qui a secoué la province du Sichuan (centre-ouest de la Chine) le 12 mai 2008 est l'un des plus dévastateurs enregistrés au cours des dernières décennies. Le tremblement de terre du Sichuan pourrait tout aussi bien devenir le symbole du potentiel destructeur de l'activité humaine ! Car, moins d'un an après sa survenue, une poignée de scientifiques n'hésitent pas à voir la marque de l'homme derrière ce séisme meurtrier...

L'accusé ? L'imposant barrage de Zipingpu, construit sur la rivière Min, et mis en eau en décembre 2004. Haut de 156 mètres, il peut retenir plus d'un milliard de mètres cubes d'eau. Il a surtout la particularité d'être installé à 500 mètres seulement du système de failles qui a joué lors du tremblement de terre et à quelques kilomètres de l'épicentre de la secousse principale de magnitude 7,9.

À la suite de Fan Xiao, ingénieur en chef du Bureau de géologie et de minéralogie du Sichuan, à Chengdu, qui a en effet émis publiquement l'hypothèse que le séisme ne soit en fait qu'un exemple supplémentaire, le plus spectaculaire jamais observé, de sismicité induite par les barrages de nombreux scientifiques ont pointé un doigt accusateur vers le barrage.

 

CAS DES MINES

 

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Plus de 6 milliards de tonnes de charbon, 1,6 milliard de tonnes de minerai de fer, 190 millions de tonnes de minerai d'aluminium, voici ce que l'homme extrait chaque année, entre autres matières premières, du sous-sol de la Terre. Une exploitation qui perturbe l'équilibre des forces dans la croûte terrestre et s'accompagne d'une intense activité sismique. Celle-ci, observée dès le début du XXe siècle dans les mines de charbon d'Allemagne et dans les mines d'or d'Afrique du Sud, est aujourd'hui constatée aux quatre coins du monde. Les séismes sont classés par les géophysiciens en deux catégories, selon qu'ils prennent naissance près de la mine ou à plusieurs kilomètres en dessous. Dans le premier cas, qui concerne surtout les mines profondes, c'est le vide laissé par l'extraction du minerai qui entraîne localement un déséquilibre des contraintes auxquelles sont soumises les roches.


Lorsque la pression exercée par les terrains adjacents ou surplombant la galerie dépasse la résistance de la roche, murs ou toits des galeries cèdent, produisant une onde sismique. Cette perturbation peut aussi faire jouer des failles à quelques dizaines ou centaines de mètres du front de mine. Ce premier type de sismicité s'observe en particulier dans les mines d'or d'Afrique du Sud, qui peuvent atteindre 4 km de profondeur. "Sur les 1000 séismes de magnitude supérieure à 2 enregistrés chaque année dans le pays, 900 sont directement liés aux exploitations minières", estime Kaymona Durrheim, du conseil pour la recherche scientifique et industrielle d'Afrique du Sud. Généralement, ce type de séismes ne dépasse pas la magnitude 5, hormis quelques événements exceptionnels comme celui de Volkershausen (Allemagne), où la rupture en série de 3 200 piliers de soutien dans une mine de potasse a engendré une secousse de magnitude 5,4 en 1989. En second lieu, les mines peuvent, à l'instar des barrages, avoir un effet à grande distance sur des failles prêtes à rompre : la soustraction d'une importante masse près de la surface va réduire la contrainte verticale sur la faille en profondeur, et la faire bouger. Christian Klose, de l'université Columbia, a par exemple démontré, en 2006, qu'on pouvait attribuer à l'exploitation d'une mine de charbon la responsabilité du tremblement de terre de magnitude 5,6 qui a secoué Newcastle (Australie) le 28 décembre 1989, faisant 13 morts et 3,5 milliards de dollars de dégâts.


Le géophysicien a calculé que l'extraction de 500 millions de tonnes de charbon entre 1801 et 1989, qui a aussi nécessité le pompage de 3 milliards de tonnes d'eau, a généré un changement de contrainte à 10 km de profondeur. Un allégement d'à peine 0,1 bar, mais suffisant pour précipiter la rupture d'une faille, Hormis ce cas, Christian KIose recense une vingtaine de mines dans le monde associées à des séismes de magnitude supérieure à 5. Et précise : "Le nombre de séismes induits par les mines a fortement augmenté au cours du XXe siècle. Ce qui s'explique par la hausse de la productivité des mines et de la profondeur à laquelle on les exploite". Un phénomène qui n'est pas près de s'achever...

 

CAS DES FORAGES

 

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C'est le gisement de Goose Creek, au Texas, qui est le premier associé à un séisme, en 1925. Aujourd'hui, plusieurs dizaines de champs d'hydrocarbures sont concernés dans le monde. "Chaque fois qu'on exploite des gisements un tant soit peu profonds, on sait qu'on va déclencher des séismes", déclare Jean-Robert Grasso, de l'université Joseph-Fourier (Grenoble). La raison ? La roche-réservoir se comporte comme une éponge : quand on pompe le pétrole, le gaz et l'eau qu'elle renferme dans ses pores, elle se contracte et le couches qui l'encadrent doivent faire face à ce changement de volume. Quand le gisement est superficiel, les terrains, plutôt meubles à cet endroit, réagissent en se déformant graduellement, sans secousses. Mais dès que l'on dépasse quelques kilomètres de profondeur, les terrains sont plus rétifs à la déformation et finissent par céder le long de failles préexistantes, déclenchant des séismes. C'est ce qui se passe par exemple à Lacq, dans les Pyrénées-Atlantiques, mais aussi dans le nord des Pays-Bas. Là, l'exploitation des champs de gaz naturel de Groningue a brisé le calme d'une zone jusqu'ici classée comme asismique... Entre 1986 et 2008, plus de 500 séismes de magnitude comprise entre 0,5 et 3,5 ont été dénombrés à proximité des sites d'extraction.


"A partir de l'analyse statistique de ce catalogue de séismes, il faut s'attendre au maximum à un séisme de magnitude 3,9 dans la zone", estime Bernard Dost, de l'Institut royal de météorologie des Pays-Bas qui surveille la zone. Une magnitude modérée si on la compare avec celle de 6,5 enregistrée en 1983 sous le gisement de pétrole de Coalinga, en Californie. Ou encore avec l'immense gisement de Gazii, en Ouzbékistan, à l'aplomb duquel trois tremblements de terre de magnitude supérieure à 7 ont été mesurés, en avril et mai 1976 et en mars 1984. Un cas de sismicité induite qui reste cependant encore très débattu, compte tenu de l'ampleur des secousses et de la profondeur à laquelle elles ont été déclenchées. Les forages pétroliers peuvent, outre les tremblements de terre, donner naissance à des volcans de boue. À l'image de celui qui sévit sur l'île de Java (Indonésie) depuis le 28 mai 2006 et qui déverse quotidiennement plus de 150 000 m3 de vase jaillissant de poches souterraines. Près de 40 000 personnes ont déjà dû abandonner leur logement. Et la situation ne s'améliore pas : comme pour les séismes, l'homme n'a toujours pas réussi à contenir ce qu'il a engendré.

 

Des capteurs ont été placés dans des forages à 3 km sous la surface pour mesurer les propriétés des roches et leur état de stress à cette profondeur.

 

Un terrain d'expérimentation inédit qui ne permet pas encore de dire quand la faille va se réveiller... Inutile donc d'espérer maîtriser les sautes d'humeur de la Terre suscitées par nos gratouillements. "On ne pourra jamais dire à coup sûr que si on construit dans une zone de failles, ça va casser, résume Jean-Robert Grasso. Mais il convient d'être alerté sur l'état de précarité de la croûte terrestre, qui est un système très hétérogène constitué de régions prêtes à ompre et d'autres, non. " Et les scientifiques ne sont toujours pas en mesure de dire lesquelles vont rompre...

 

CAS DE LA GÉOTHERMIE PROFONDE

 

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La géothermie profonde fait appel à la technique de fracturation hydraulique, qui consiste là injecter des fluides sous pression afin de fissurer la roche en sous-sol.

 

Forer un puits de 5000 m de profondeur et y injecter de l'eau sous très haute pression : voilà comment les ingénieurs transforment un massif granitique d'une température de près de 200°C en échangeur de chaleur naturel. Cette technique de géothermie profonde est appliquée dans une poignée de sites expérimentaux et s'accompagne de son lot de séismes : les pressions d'injection, d'une centaine de bars, ayant justement pour but de faire rejouer d'anciennes fractures afin de faciliter, dans un second temps, la remontée d'une eau réchauffée. Le projet de géothermie profonde près de Bâle, en Suisse, en a fait les frais : il a été arrêté après avoir engendré trois tremblements de terre de magnitude supérieure à 3 de décembre 2006 à janvier 2007. Des secousses sans conséquences, mais qui ont ravivé le spectre du séisme ayant rasé Bâte en 1356.


À 200 km de là, le site pilote français de Soultz-sous-Forêts, dans le Bas-Rhin, connaît aussi des pics de sismicité lors des tests de stimulation hydraulique. En juillet 2000,7500 séismes de magnitude supérieure à 0,2, dont une centaine supérieure à 2, ont ainsi été générés. En mai 2003, 4000 secousses ont été enregistrées, dont une de magnitude 2,9 qui a surpris les sismologues. "Cette année-là, nous avons non seulement induit des microséismes, mais aussi déclenché une petite crise sismique sur une faille passant à proximité du puits d'injection", explique Louis Dorbath, de l'Observatoire des sciences de la Terre à Strasbourg. Deux autres projets de géothermie profonde ont déclenché des tremblements lors d'opérations de stimulation hydraulique : un de magnitude 3,1 à Rosemanowes en Angleterre, et un de magnitude 3,7 à Copper Basin, en Australie. En outre, la géothermie s'accompagne parfois de mouvements de sol "au ralenti"! Comme à Staufen (Allemagne), où un forage a transpercé en 2008 une nappe d'eau souterraine. Depuis, les sols de la ville gonflent et se soulèvent...


CAS DES GAZ DE SCHISTE


Comme la géothermie profonde, la technique d'extraction des gaz de schiste fait appel à la technique de fracturation hydraulique qui pourrait être la cause de tremblements de terre. En effet, les cas de séismes possiblement associés à cette pratique se sont multipliés, particulièrement aux États-Unis, qui connaissent une ruée vers ces gaz non conventionnels.

 

Dernier exemple en date : un tremblement de terre de magnitude 4 a surpris les habitants de la ville de Youngstown, dans l'Ohio, le 31 décembre 201l. Annoncé par une dizaine d'autres de moindre ampleur au cours des mois précédents, ce séisme pourrait avoir été provoqué par un puits mis en service fin 2010, et dans lequel ont été injectées des tonnes d'eaux usées ayant servi à la fracturation hydraulique. Selon John Armbruster, de l'université Columbia (New York), "le séisme du 31 décembre a eu lieu à environ 1 km du fond du puits d'injection". Fin novembre, ce géologue avait installé quatre sismographes sur le site pour cerner l'origine de ces séismes survenus dans une zone historiquement inactive. La proximité entre le puits et la secousse est pour le moins troublante... Mais prouver le lien de cause à effet reste cependant délicat.

 

Un rapport du Bureau géologique américain, publié en août 2011, qui analysait cinquante séismes enregistrés dans une exploitation de gaz de schiste en Oklahoma, concluait ainsi : "La forte corrélation spatiale et temporelle suggère que ces séismes ont pu être déclenchés par l'activité de fracturation hydraulique, mais il est impossible de dire avec un haut degré de certitude si c'est le cas ou non." La société qui exploite le puits d'injection de Youngstown nie d'ailleurs toute implication. Au contraire de la compagnie Cuadrilla Resources qui a admis, en novembre dernier, être probablement à l'origine de deux séismes survenus en Angleterre, au mois d'avril et au mois de mai 2011.

 

Pour en savoir plus :


Bellanger B. (2009). – Quand l'homme fait trembler la terre Science & Vie avril 2009, n° 1099, pp. 44-59

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