À la recherche de la saumure industrielle, un excès de gouffres

Apr 02, 2023

En haut : En 2008, deux grands gouffres sont apparus sur des sites de puits de saumure distincts au Nouveau-Mexique. Visuel : Avec l'aimable autorisation de Lewis Land, National Cave and Karst Research Institute

Un matin de juillet 2008, le sol sous le sud-est du Nouveau-Mexique a commencé à se déplacer et à se fissurer, projetant un énorme panache de poussière dans les airs. En quelques minutes, un énorme gouffre a émergé, qui a finalement atteint environ 120 pieds de profondeur et 400 pieds de diamètre.

"À l'époque, c'était une situation malheureuse, mais la plupart des gens considéraient qu'il s'agissait d'une situation unique", explique Jim Griswold, chef de projet spécial au Département de l'énergie, des minéraux et des ressources naturelles du Nouveau-Mexique. Mais quelques mois plus tard, en novembre, la poussière a de nouveau coulé vers le ciel alors qu'un autre gouffre de taille similaire s'est ouvert, craquant une route à proximité.

Les deux trous – et plus tard, un troisième au Texas – ont émergé sur le site de puits de saumure, des puits industriels à travers lesquels l'eau douce est pompée dans une couche souterraine de sel. L'eau douce se mélange au sel, créant de la saumure, qui est ramenée à la surface à des fins industrielles ; dans ce cas, le forage pétrolier. Après l'émergence du deuxième gouffre, le chef du département de Griswold lui a confié une nouvelle tâche : caractériser la stabilité des 30 autres puits de saumure de l'État et faire rapport sur l'endroit où la prochaine crise pourrait survenir.

Ce qu'il a trouvé a été une source d'inquiétude quasi constante au cours de la dernière décennie. Alors que les deux premiers gouffres se sont ouverts dans des zones reculées, le suivant, a découvert Griswold, pourrait toucher la limite sud de Carlsbad : une ville de 30 000 habitants.

À cet endroit, le rôle du puits dans la dissolution du sel et son aspiration à la surface avait créé une cavité plus large que haute, une situation qui déstabilise le sol au-dessus. Et ce puits particulier était situé à proximité de deux autoroutes, d'une voie ferrée, d'un canal d'irrigation, d'un parc de maisons mobiles, d'une église, d'un magasin d'alimentation et de plusieurs stations-service. Si un gouffre aussi massif devait s'ouvrir, il pourrait mettre des vies en danger, arrêter le trafic routier et ferroviaire et polluer les eaux souterraines avec de l'essence provenant de tuyaux et de réservoirs de stockage rompus ou de l'eau salée du puits.

Les responsables de l'État se sont battus pour retarder ce sort, mais il a fallu une décennie pour rechercher le problème et trouver des fonds pour le résoudre. (Le propriétaire du puits, I&W Inc., a déposé son bilan en 2010 et les responsables ne poursuivent pas ses responsabilités potentielles.) L'année dernière, les pièces se sont finalement réunies et un effort de remédiation sans précédent a commencé. Mais les travaux ont dévoilé des secrets souterrains : la taille et la forme de la cavité ne sont pas ce que les études précédentes suggéraient, et cela signifie qu'il sera plus coûteux de remédier. Personne ne sait combien de temps il faudra avant que le sol ne cède.

L'enquête sur les puits de saumure à l'échelle de l'État du Nouveau-Mexique a donné aux scientifiques une chance rare d'identifier une zone en danger d'effondrement imminent. La plupart des autres régions du pays n'ont pas été étudiées d'aussi près, bien que le risque existe également là-bas. Environ 35 % des États-Unis reposent sur du karst, un paysage caractérisé par un réseau de gouffres et de cavernes créés lorsque les eaux souterraines - ou les produits chimiques qu'elles transportent - dissolvent les couches géologiques souterraines. Les États et le gouvernement fédéral ne suivent pas les dégâts, ce qui rend difficile la détermination de la fréquence et du coût des gouffres. Pourtant, le National Cave and Karst Research Institute, une organisation à but non lucratif soutenue par le gouvernement et dont le siège est à Carlsbad, a estimé de manière prudente les dommages dus aux gouffres à plus de 300 millions de dollars par an.

Carlsbad offre un exemple extrême et entièrement causé par l'homme du danger potentiel des gouffres et de la difficulté – et du coût – de les prévenir ou de les atténuer.

Un certain nombre d'activités humaines peuvent perturber le karst souterrain, explique Jim Goodbar, qui a travaillé pour le Bureau américain de la gestion des terres (BLM) en tant qu'expert en karst pendant 38 ans. Les gouttières et les tranchées de ruissellement des autoroutes peuvent acheminer l'eau à un endroit à plusieurs reprises, finissant par porter à travers la surface de la Terre ouverte aux cavités en dessous. Et le pompage de grandes quantités d'eau souterraine peut perturber la nappe phréatique, ce qui déstabilise le karst.

La Floride est considérée comme l'État américain le plus durement touché, mais d'autres États sujets aux gouffres sont le Texas, l'Alabama, le Missouri, le Kentucky, le Tennessee et la Pennsylvanie. En 2019, les scientifiques ont utilisé des relevés aériens pour trouver un groupe de 19 dolines géantes, la plupart d'entre elles de plus de 35 millions de pieds cubes, dans le sud de la Chine, probablement causées par des rivières souterraines dans le système karstique dans lequel elles se sont formées.

Les grands événements font la une des journaux, mais les événements d'affaissement mineurs, où le sol s'effondre lentement dans le vide, sont un problème plus courant, constant et négligé. Lorsque Goodbar était avec le BLM, il se souvient avoir reçu un ou deux appels par an au sujet de gouffres dans les routes ou à proximité de pipelines où l'eau était canalisée jusqu'à ce que le sol cède.

"C'est une catastrophe silencieuse que nous ne voyons tout simplement pas nous frapper tous en même temps au même endroit", déclare George Veni, directeur exécutif de l'Institut national de recherche sur les grottes et le karst et membre du groupe dirigé par l'État qui supervise le puits de saumure.

Carlsbad se trouve au bord du bassin permien, une formation géologique souterraine qui s'étend du sud-est du Nouveau-Mexique à l'ouest du Texas et représentait plus de 35 % de la production pétrolière nationale des États-Unis en 2019. Le désert environnant est bordé de rangées de pumpjacks et le tour blanche occasionnelle d'une plate-forme de forage. Les rues de Carlsbad, comme celles de Lubbock, Midland et Odessa, Texas, sont bondées d'entreprises auxiliaires qui approvisionnent cette industrie en eau, sable, produits chimiques et équipements.

La saumure est l'une de ces entreprises. Le forage d'un puits nécessite un fluide - généralement composé d'eau et d'additifs chimiques - pour lubrifier le trépan. Mais dans le Permien, une couche de sel, appelée la formation de Salado, repose entre la surface de la Terre et les réserves de combustibles fossiles souhaitées. Au lieu de rester en ligne avec le foret, l'eau s'imprégnera dans ce sel - à moins que l'eau ne soit déjà saline. Les puits de saumure de la région contribuent donc à répondre aux besoins de l'industrie pétrolière et gazière locale.

Les gens ont extrait du sel à travers des puits pendant des milliers d'années - une source note que le premier puits de saumure enregistré a été coulé en Chine il y a plus de 2 200 ans - et le font toujours sur des milliers de sites à travers le monde. Aux États-Unis, l'Environmental Protection Agency répertorie 165 sites « d'extraction par solution » autorisés, avec environ 18 500 puits en exploitation, dont la majorité extrait de l'uranium.

"Chaque fois que vous effectuez une opération de puits de saumure comme celle-ci, vous dissolvez le sel, vous créez une grotte artificielle dans le sous-sol qui pourrait devenir instable", explique Lewis Land, hydrogéologue au National Cave and Karst Research. Institute qui a mené certaines des premières études géophysiques sur le puits de saumure près de Carlsbad. "Partout où vous trouvez du sel dans le sous-sol, vous trouverez presque inévitablement des puits de saumure."

C'est le cas au-delà du bassin permien. En 2012, un dôme de sel en Louisiane exploité pour la saumure a percé jusqu'au bayou au-dessus, aspirant de l'eau et des cyprès et se propageant rapidement pour toucher 36 acres et forcer 350 personnes à évacuer leurs maisons pendant des années.

Les opérateurs ajoutent souvent une couche d'huile ou de carburant diesel qui flotte sur l'eau salée et tamponne le sol, l'empêchant de se dissoudre, dit Land. De cette façon, dit-il, "il est moins susceptible de s'effondrer. Cette méthodologie n'est pas pratiquée au Nouveau-Mexique".

En mars 2009, des régulateurs, des experts techniques et des représentants de l'industrie se sont réunis à Santa Fe et ont souscrit à la conclusion de Griswold : le puits I&W était susceptible de s'effondrer. En juin de cette année-là, l'État a installé un système d'alerte précoce. Sur l'autoroute, les conducteurs passent devant un panneau jaune et noir avertissant que la route devant eux est "sujet à un gouffre". Les capteurs sur place qui surveillent le site sont suffisamment sensibles pour enregistrer les tremblements de terre distants, le trafic local aux heures de pointe et, espérons-le, les chutes de pierres à l'intérieur de la cavité. Cela devrait donner des heures de préavis pour arrêter la circulation sur les autoroutes et évacuer la zone.

"Je connais des gens qui m'ont dit qu'ils ne conduiraient pas sur ce tronçon d'autoroute de peur d'être soudainement dans l'espace et de tomber dans un grand trou dans le sol", a déclaré Veni. "Je pense que les chances que cela soit incroyablement minces."

S'il devait s'effondrer, les coûts pour combler le trou et réparer les routes, la voie ferrée et les entreprises, ainsi que les affaires perdues, le trafic de marchandises, les cultures fournies par le canal d'irrigation, le tourisme dans les parcs nationaux voisins de Carlsbad Caverns et Guadalupe Mountains, et les recettes fiscales pourraient totaliser 1 milliard de dollars. Avant le début des travaux d'assainissement, les données géophysiques suggéraient que le sol pourrait échouer dès 2021.

"C'est un désastre silencieux que nous ne voyons tout simplement pas nous frapper tous en même temps au même endroit", déclare Veni.

Au cours des 12 dernières années, la recherche a travaillé pour illustrer ce qui est impossible à voir : la taille et la forme de la cavité elle-même. Une formule met en corrélation la quantité d'eau qui a été pompée à travers un puits de saumure avec le volume de la cavité souterraine, mais ne dit pas grand-chose sur la question de savoir si ce volume sera distribué dans un espace large et peu profond qui pourrait uniquement faire s'affaisser le sol s'il devait s'effondrer. , ou dans une cavité plus haute qui engloutirait l'autoroute et le canal d'irrigation.

L'État a mené des études de sonar, de sismique et de résistivité électrique à la recherche de réponses. Il y a probablement une chambre jonchée de gravats, en grande partie de la couleur crème de la formation de Salado, l'empreinte séchée d'une ancienne mer intérieure. Certaines roches peuvent s'être entassées pour créer des piliers et un enchevêtrement de coins. Des études de télédétection ont estimé que la cavité principale mesurait environ 350 pieds de large et 700 pieds de long, et 150 pieds de haut à son apogée.

Peu de temps après que Griswold ait reconnu son instabilité, le puits a été rempli de saumure et recouvert de ciment et de fonte. Cette saumure a soutenu le toit de la caverne. Mais la surface a coulé de manière mesurable lorsqu'un petit pourcentage de la saumure s'est écoulée et se déplace chaque été lorsque l'eau tombe dans le canal d'irrigation adjacent. Même dans les systèmes karstiques naturels, les changements dans les eaux souterraines environnantes peuvent modifier la pression qui aide à stabiliser le système. Le sol peut fluctuer pendant un certain temps, mais pour combien de temps, personne n'est tout à fait sûr.

"L'horloge tourne, mais vous ne savez pas sur quoi l'horloge est réglée", dit Veni.

Pourtant, certains habitants prennent les choses en main. "Peut-être que ce serait différent s'il s'agissait d'une maison permanente", explique Charlie Kiser, qui a quitté l'Oklahoma avec sa femme pour travailler dans les champs pétrolifères du Permien et a vécu pendant un certain temps dans une caravane à sellette garée en vue des travaux d'assainissement. "Mais si cette chose tombe," dit-il, désignant le camping-car, "j'ai une assurance. Je vais juste le prendre comme un signe de Dieu pour prendre ma retraite."

Lorsque I&W, qui a exploité le puits pendant 30 ans, a été pressée de payer pour le réparer, la société a déposé son bilan. Les actifs liquidés ont produit 3 millions de dollars, une petite tranche d'une facture désormais estimée à plus de 54 millions de dollars et en croissance. Mais l'idée de réparer une catastrophe potentielle invisible et indéterminée a frappé au milieu des pressions très réelles du ralentissement économique de 2008, lorsque les législateurs se sont précipités pour combler un écart budgétaire et ont pillé le fonds de récupération de l'État. Il leur a fallu une décennie pour trouver de l'argent pour s'attaquer à la tâche.

Griswold, dont le travail à plein temps se concentre désormais sur l'assainissement des puits de saumure, cherchait déjà quelqu'un pour prendre en charge le travail. Une conférence mondiale de "mineurs de solutions" spécialisés dans l'extraction de matériaux en les dissolvant s'est réunie à Albuquerque en 2017, et il a présenté le problème et proposé des solutions. Le groupe d'État supervisant les travaux d'assainissement s'est mis d'accord sur ce qu'ils croyaient être le plan le plus prometteur : ils foreraient dans la cavité et pomperaient la saumure, tout en remplissant la cavité avec du coulis, un mélange de ciment, d'argile et d'eau. . Les travailleurs devront veiller à ne pas déstabiliser le système. Sinon, toute la structure s'effondrerait.

"J'imagine que ce serait un peu comme essayer d'attacher ses lacets en faisant du jogging", déclare Land, du National Cave and Karst Research Institute. "C'est évidemment quelque chose qui peut être fait, et c'est ce que fait la société d'ingénierie qui a obtenu l'offre, mais c'est une tâche délicate."

L'activité bourdonne depuis septembre dernier. Initialement, l'objectif était d'avoir terminé l'été dernier, mais l'ouverture du puits pour y travailler offrait une chance de collecter de nouvelles données sur ses dimensions. La partie sud a été plus stable que prévu et s'est remplie rapidement. Cela a sécurisé la zone près du parc de maisons mobiles et du canal d'irrigation. Mais l'extrémité nord, dont une partie se trouve sous l'autoroute 285, s'est avérée plus grande que prévu.

Le coût d'un mélange de ciment supplémentaire casserait le budget de l'État, dit Veni. "Donc, ce qu'ils ont commencé à faire, c'est d'injecter du sable."

"L'horloge tourne, mais vous ne savez pas sur quoi l'horloge est réglée", dit Veni.

Ensuite, la cavité a avalé la quantité de sable prévue pour la remplir à 70 %, mais n'est restée remplie qu'à 20 %. Le sonar suggère que les deux tiers du sable ont dérivé dans les décombres d'un effondrement interne précédent, au lieu de remplir le vide. "Il va falloir beaucoup de sable pour faire ça", dit Veni - plus que le budget actuel de l'État ne peut couvrir.

C'est typique, dit Randall Orndorff, spécialiste du karst au US Geological Survey, même dans les nombreux cas où de plus petits gouffres s'ouvrent et que le travail remplit un trou visible.

"Sans être en mesure de voir ce qu'il y a sous terre, dans de nombreux cas, ils entreront en disant:" OK, nous pouvons injecter ceci ", et ils creuseront tout le sol autour de l'endroit où se trouve le gouffre, jusqu'au substratum rocheux. , puis ils commencent à jeter le coulis de béton dans le trou », dit-il. "Dans certains cas, ce sont des grottes énormes, énormes, et cela devient finalement trop cher et ils ne peuvent pas le faire."

Les travaux ont été interrompus juste avant le Memorial Day et le sonar a été exécuté pour voir combien de sable supplémentaire pourrait être nécessaire. Les travaux ont repris, puis ont été à nouveau suspendus fin juillet le temps que l'Etat recherche des financements.

Lors de l'injection, l'effort coûte plus de 3 millions de dollars par mois, a déclaré Griswold lors d'une réunion en septembre 2019, et, tout comme en 2009, l'État fait face à des finances serrées. Les taxes et redevances de l'industrie pétrolière et gazière fournissent jusqu'à 40% des revenus du fonds général du Nouveau-Mexique, et les législateurs ont dû réduire leurs dépenses après que les prix du pétrole ont atteint des niveaux sans précédent ce printemps.

Sarah Cottrell Propst, qui dirige le département de l'énergie, des minéraux et des ressources naturelles de l'État, a déclaré lors d'une réunion virtuelle de la Carlsbad Brine Well Remediation Authority en juillet qu'une option consiste à rechercher un financement en attente du Congrès pour récupérer une partie des 2,1 millions de personnes abandonnées du pays. puits de pétrole et de gaz. C'est, comme elle l'a dit, "la mère de tous les projets de remise en état".

Si le sol cède à tout moment entre maintenant et la fin des travaux, il pourrait encore s'ouvrir dans un gouffre, bien que probablement plus petit qu'il ne l'aurait été il y a un an, maintenant que la partie sud est remplie, dit Veni. Ce travail a peut-être également repoussé la chronologie de l'effondrement de l'année prochaine.

Mais "il n'y a aucune garantie", dit Griswold. "Nous devons terminer cette chose."