Gaz de schiste - l'étude d'Entrekin et al des impacts sur les eaux de surface

Photo: Donald Gilliland

Voici une traduction libre d'une étude scientifique récente qui regarde les impacts potentiels des activités autour du gaz de schiste sur les eaux de surface, comme le fleuve, les rivières, les ruisseaux, les lacs, les étangs et les milieux humides.


Lien pour télécharger le dossier original en anglais et tous les tableaux, un pdf de 9 pages: http://faculty.uca.edu/sentrekin/Entrekin%20et%20al.%202011%20frontiers.pdf

L'expansion rapide du développement du gaz naturel est une menace pour les eaux de surface

Auteurs: Sally Entrekin, Michelle Evans-White, Brent Johnson et Elisabeth Hagenbuch

L'extraction du gaz naturel des réservoirs difficiles à atteindre a pris de l'expansion au travers le globe et présente de multiples menaces environnementales aux eaux de surface. Les technologies améliorées pour forer et l'extraire afin d'atteindre le gaz naturel dans des formations peu perméables utilisent des millions de litres d'eau et une variété de produits chimiques qui peuvent être toxiques à la vie aquatique. La communauté scientifique et le public en général éprouvent une préoccupation croissante que le développement rapide et important du gaz naturel aux États-Unis pourrait mener à une dégradation ds ressources naturelles. Les puits de gaz sont souvent près des eaux de surface qui pourraient être impactées par le ruissellement chargé de sédiments venant des gazoducs et routes d'accès en amont, des changements au volume d'écoulement résultant des prélèvements d'eau, et de la contamination par produits chimiques ajoutés ou les eaux usées générées. Toutefois, les données requises pour comprendre pleinement ces menaces potentielles nous manquent actuellement. Les scientifiques doivent donc étudier les changements de structures et de fonctionnement des écosystèmes causés par l'extraction du gaz naturel et utiliser de telles données pour aviser des politiques environnementales solides.

Encadré:

- La construction de gazoducs et de routes d'accès ajoutées à l'extraction du gaz naturel des formations de schistes pourraient s'avérer être des menaces environnementales

- Les ruisseaux et rivières près des puits de gaz nouvellement forés sont vulnérables, exposés au ruissellement de sédiments, de réduction d'écoulement et possiblement des contaminations causées par des produits chimiques et les eaux usées générées

-Les règlements environnementaux des états et du fédéral pourraient ne pas prévenir ou mitiger les effets nuisibles aux eaux de surface

- Des études scientifiques sont nécessaires pour comprendre les effets environnementaux possibles provoquées par les activités liées à l'extraction du gaz naturel

Les forages à la recherche du gaz naturel ont pris une ampleur dramatique grâce aux avancées technologiques et à cause du besoin d'avoir des sources d'énergie plus propres qui aideront à répondre aux demandes mondiales en énergie. Le gaz naturel est considéré comme un combustible qui sert de pont vers des ressources d'énergie renouvelable parce que le brûler génère moins de contaminants ( par exemple le dioxyde de carbone, l'azote, les oxydes d'azote) si on le compare au charbon ou à l'huile. Le forage horizontal et la fracturation hydraulique permettent maintenant d'extraire les vastes réserves de gaz du schiste que l'on croyait inaccessible ou non profitable auparavant. On prédit que la production du gaz de schiste aux État-Unis pourrait tripler et comptera pour presque la moitié de tout le gaz naturel produit d'ici l'an 2035. Cette prolifération à grande échelle de nouveaux puits de gaz et l'utilisation des nouvelles méthodes de forage et d'extraction sont maintenant perçues comme une question de conservation globale. Ici, nous décrivons les menaces aux eaux de surface qui viennent avec l'augmentation du développement du gaz naturel dans les régions de schiste et soulignons les ouvertures à la recherche pour se pencher sur ces menaces.

LE FORAGE HORIZONTAL ET LA FRACTURATION HYDRAULIQUE

Le forage des puits de gaz historiquement consistaient en un seul puits foré verticalement pour atteindre le gaz emprisonné dans des formations de roc perméables (le grès, par exemple) où le gaz circule librement au travers des pores espacées jusqu'au trou du puits. Contrairement à ces sources conventionnelles, les réservoirs de gaz non conventionnel sont des formations géologiques de faible perméabilité, comme les veines de charbon, les sables denses et le schiste, qui exigent que l'on fracture et utilise des "proppants" (agents de soutènement - du sable ou autre matériau granulaire en suspension dans les fluides de fracturation pour garder les fractures ouvertes) avant que le gaz puisse circuler librement vers le trou du puits. La fracturation hydraulique utilise des fluides de fracturation à grande pression faits de beaucoup d'eau et plusieurs additifs chimiques afin de créer des fractures, et des agents de soutènement, comme du sable, pour permettre au gaz de circuler. Bien que la fracturation hydraulique ait été utilisée pour la première fois dans les années 1940, la pratique n'a pas été utilisée à grande échelle avant les années 1990, quand le prix du gaz naturel a augmenté et les avancées du forage horizontal ont rendu la technique plus productive. Le forage horizontal permet d'augmenter le volume de roc accessible pour un seul puits, réduisant ainsi le nombre total de puits nécessaires de forer à la surface. Le prolongement horizontal d'un puits de gaz est fracturé en longueurs variant de 91 à 152 mètres, ce qui permet jusqu'à 15 hydrofractures séparées tout au long du forage horizontal. La profondeur de la fracturation dépend de la formation géologique mais varie de 150 mètres jusqu'à plus que 4,000 mètres pour les formations de schiste aux É.-U.

L'étendue de la ressource

Les États-Unis ont en ce moment 72 milles milliards de mètres cubes de gaz naturel potentiellement accessible: assez pour durer 110 ans, selon les taux de consommation de 2009. Environ 23 milles milliards de ce gaz se trouve dans les réservoirs gaziers non conventionnel; le développement de tels réservoirs ont augmenté de 65% depuis 1998. Il y a 29 formations de schiste connus qui s'étendent sous 20 états, que l'on prévoit fourniront 45% du gaz produit au total par les É.-U. d'ici 2035. De plus, les réserves des É.-U. représentent seulement une fraction de ce que l'on estime être le potentiel global, et à part de l'Amérique du Nord, seulement 11% a été exploité jusqu'à date. Le développement du gaz naturel potentiellement accessible pourrait augmenter avec la demande globale croissante et le transfert des technologies de forage outre-mer.

Les menaces aux eaux de surface

L'expansion rapide des développements de gaz naturel menace la qualité des eaux de surface de plusieurs façons, ce qui augmente le besoin d'évaluer et comprendre les coûts totaux et les avantages d'extraire cette ressource des schistes. Le développement des puits de gaz de n'importe quel type créent des dérangements à la surface à cause du déboisement et du nettoyage des lieux, du développement des infrastructures, et la relâche de contaminants produits par les eaux profondes (des saumures, par exemple). Toutefois, l'usage de la fracturation hydraulique est la source de menaces environnementales additionnelles à cause des prélèvements d'eau et les contaminations venant des produits chimiques des fluides de fracturation. L'extraction du gaz des formations de schiste pourrait aussi produire considérablement plus de méthane que les puits conventionnels et pourrait avoir une empreinte écologique de GES que les autres productions de combustibles fossiles. De plus, les puits gaziers sont souvent situés près des rivières et des ruisseaux et peuvent se retrouver nombreux et concentrés dans des bassins de schiste productifs, ce qui résulterait en impacts cumulatifs à l'intérieur des bassins versants des cours d'eau. Les préoccupations pour la santé de l'environnement et des humains associés avec la fracturation hydraulique ont provoqués beaucoup de débat, et la pratique a reçu beaucoup d'attention des médias et des chercheurs. La recherche qui se penche sur les préoccupations vis-à-vis l'augmentation des forages et des fracturations hydrauliques dans des régions de schiste s'est surtout concentrée sur les contaminants qui menacent l'eau potable et les eaux souterraines, tandis que la collection des données pour s'adresser aux préoccupations vis-à-vis les eaux de surface et les écosystèmes terrestres ont été négligées, en général.

Notre but ici est de fournir de l'information de base sur le développement du gaz de schiste aux É.-U. qui pourrait informer des études écologiques futures qui évalueraient le potentiel des impacts environnementaux. Nous utilisons des données des formations de schiste de Fayetteville et Marcellus afin de faire la démonstration des activités accélérées récentes, la proximité des ruisseaux aux puits et les relations de densification des puits avec la turbidité des ruisseaux. Nous révisons également d'autres menaces potentielles aux écosystèmes aquatiques d'eau douce résultant d'une croissance du développement du gaz naturel.

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Figure 1. (a) Carte nationale de toutes les régions reconnues qui ont un potentiel pour l'exploration du gaz naturel dans les États-Unis continental; (b) densité des puits dans les bassins de gaz naturel non conventionnel dans Fayetteville et Marcellus de 2005 à 2010; (c) nombre de puits de gaz installés dans les bassins Fayetteville et Marcellus de 2005 à 2010 et (d) densité des puits dans les bassins du Marcellus. Nous avons calculé les densités en utilisant l'outil "kernel density tool" dans ArcMap version 9.3.1.
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Les régions visées

Les bassins de schiste de Fayette et Marcellus sont parmi les plus productives aux É.-U. Le bassin de schiste de Fayetteville est sous plus de 23,000 kilomètres carrés de l'Arkansas et l'est de l'Oklahoma, à une profondeur de 300 à 2,000 mètres (voir figure 1(a). Le nombre de puits de gaz situés dans cette région ont multiplié par 50, passant de 60 à 2,834 puits depuis 2005, dans une région concentrée dans le centre-nord de l'Arkansas (figure 1(b) et (c)). Le bassin de schiste Marcellus s'étend sur 240,000 kilomètres carrés à une profondeur variant entre 1,200 et 2,500 mètres sous 6 états du côté mi-Atlantique du pays, incluant une grande partie de la région des Appalaches (figure 1d). Les prévisions indiquent que les réserves de gaz naturel dans le Marcellus autour de 14 milles milliards, ou 59% du total des réserves de gaz naturel non conventionnel du pays. À l'été de 2010, le Marcellus comptait 3,758 puits de gaz naturel, et on projetait la construction de jusqu'à 60,000 puits dans la région durant les 30 prochaines années. La formation Marcellus se trouve aussi sous des bassins versants fragiles, comme la rivière Delaware menacée, une rivière désignée sauvage et touristique qui fournit l'eau potable à plus de 15 millions de personnes. Le développement rapide des puits gaziers dans des régions relativement concentrées pourrait augmenter les possibilités d'impacts écologiques pour les forêts et ruisseaux avoisinants.

Proximité du développement des puits gaziers à la ressource en eau

Nous avons initialement évalué la proximité des puits de gaz en production aux ressources en eau en utilisant des données de l'état sur les sites de puits et les tracés des cours d'eau de National Hydrography Dataset (NHD) cartographiés avec les données hydrographiques 1:24 000 Digital Line Graph ). L'analyse spatiale indique que pour les deux formations de schiste Fayetteville et Marcellus, les puits de gaz étaient situés, en moyenne, à 300 mètres des ruisseaux, pourtant plusieurs centaines de puits étaient situés à moins de 100 mètres de la voie d'un cours d'eau (Table 1). Les puits de gaz étaient localisés, en moyenne, à 15 kilomètres des sources d'eau potable publiques de surface, et 37 kilomètres et 123 kilomètres de puits d'eau potable publiques dans les régions du Marcellus et de Fayetteville, respectivement. (table 1) Bien que les puits sont construits en général loin des sources d'eau potable pour le public, il y a une possibilité que les eaux usées parcourent de grandes distances, vue que plusieurs des composés des eaux usées (un mélange de fluides de fracturation et des eaux naturelles venant des géologiques qui remontent à la surface et sortent du puits) comme des saumures, ne se disperseront pas ou ne seront pas assimilées par la biomasse. De plus, le NHD sous-estime la densité des canaux des cours d'eau, alors nos mesures de proximité sous-estiment probablement la menace pour les cours d'eau. Nous avons donc utilisés des outils d'un système d'information géographique (GIS) afin de générer des réseaux détaillés de régions de drainage dans des parties de Fayetteville et Marcellus où les puits gaziers sont très nombreux et densifiés. Les outils dans ArcHydro Tools 9 version 1.3 (une extension de ArcGIS) ont été utilisés pour générer les lignes des régions de drainage à partir de modèles digitaux d'altitude de 10 mètres avec un sous-modèle de régions de drainage dans chaque bassin de schiste. Un seuil de cours d'eau de 500 (50,000 mètres carrés) a été utilisé pour définir les canaux des cours d'eau dans certaines parties des régions de schiste de Fayetteville et Marcellus où la densité des puits gaziers est élevée. Les outils pour évaluer le terrain sont ARchHydro Tools 9 version 1.3 (une extension de ArcGIS) on été utilisés pour faire les lignes de régions de drainages à partir de modèles d'élévation digitale de 10 mètres dans un sous-ensemble de régions de drainage dans chaque bassin de schiste. Un seuil de cours d'eau de 500 (50,000 mètres carrés) a été utilisé pour définir les canaux de cours d'eau dans le modèle. La proximité des puits gaziers a été analysée encore une fois avec un sous-ensemble de régions de drainage de cours d'eau et le même sous-ensemble de lignes d'écoulement NHD pour les comparer (figure 2; Table 2). Les puits gaziers en production étaient en moyenne de 130 mètres et 153 mètres des régions de drainage du modèle, à comparer avec 230 mètres et 252 mètres des lignes d'écoulement NHD pour les schistes de Fayetteville et du Marcellus respectivement. Plus de 80% des puits gaziers en production étaient situés à moins de 300 mètres des régions de drainage du modèle (Table 2). Parce que les régions de drainage du modèle prévoient des canaux intermittents et éphémères, la proximité des puits aux canaux des cours d'eau (et le potentiel des impacts en aval) sont plus élevés que ce qui est indiqué dans les données NHD. Ce procédé pourrait fournir une évaluation plus exacte des impacts potentiels sur les cours d'eau, surtout si le développement du gaz de schiste continue à la vitesse actuelle. Pendant que la densité des puits gaziers continue d'augmenter, la proximité des puits au canaux des cours d'eau pourrait aussi augmenter, et il en résulterait un risque plus élevé de voir des réductions d'écoulement de volume d'eau à cause des pompages, des contaminations causées par des fuites et des déversements accidentels d'eaux usées ou de fluides de fracturation, et de la sédimentation causée par le développement d'infrastructures (comme des gazoducs et des chemins d'accès).

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Table 1. Nombre de puits de gaz non conventionnel foré chaque année depuis 2005 au Arkansas, dans New York, en Ohio, en Pennsylvanie et en Virginie Occidentale.

Colonne 1: L'état
Colonne 2: Nombre total des puits
Colonne 3: Nombre total de compagnies qui opèrent les puits
Colonne 4: Distance avec les lignes d'écoulement NHD
Colonnes 5-6-7: Nombre total de puits (%) à moins de 100-200-300 mètres
Colonnes 8-9: Distance d'un puits d'eau potable public - prise d'eau potable de surface public
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Règlements environnementaux

La règlementation environnementale encadrant les forages pétroliers et gaziers est complexe et varie beaucoup d'un état à l'autre. La loi fédérale Safe Drinking Water Act (SDWA) inclut les lois qui protègent les eaux de surface et souterraines ainsi que la santé humaine, mais avec l'exception des injections de diesel, les opérations de fracturation hydraulique sont exemptées suite au Energy Policy Act de 2005. Les agences de l'état sont donc surtout responsables pour la règlementation et doivent voir au respect des questions environnementales liées au développement du gaz naturel. La croissance rapide et l'expansion des forages gaziers aux É.-U. ont rendu la règlementation difficile, et les infractions sont récurrentes; seulement en Pennsylvanie, il y a eu plus de 1,400 infractions de forages entre janvier 2008 et octobre 2010. De celles-là, presque la moitié étaient pour des contaminations d'eau de surface, dont des déversements directs de polluants, des mesures de contrôle d'érosion inadéquates, ou une perte de contrôle de retenue des déchets. Par contre, le Department of Environmental Quality de l'état de l'Arkansas a distribué seulement 15 avis d'infraction pour l'eau de surface dans la région du schiste de Fayetteville en 2010; toutefois, plus de la moitié de ceux-là avaient affaire avec des infractions de permis et de déversements liés liés au développement du gaz naturel. L'écart du nombre d'infractions entre les états démontre le degré variable de règlementation au niveau des états et s'explique probablement par les différences dans les règlements ainsi que les ressources disponibles pour les faire respecter. Le nombre et les proportions d'infractions associées avec le développement du gaz naturel indiquent que les sédiments et les contaminants causés par les forages se retrouvent dans les eaux de surface, mais pourtant il y a peu d'études qui se penchent sur leurs impacts écologiques. Les menaces primaires aux eaux de surface et les voies potentielles d'exposition (figure 3) incluent les sédiments, les prélèvements d'eau et les décharges d'eaux usées.
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Figure 2. La proximité des puits de gaz aux canaux de cours d'eau dans un sous-ensemble de réservoirs de gaz naturel non conventionnel de Fayetteville et du Marcellus. Les carrés bleus représentent les régions modélisées par GIS dans le schiste de Fayetteville ( a- région de drainage modélisé et représenté par le carré bleu était 5,809 kilomètres carrés et le schiste de Marcellus b- région de drainage modélisé et représenté par le carré bleu était 4,041 kilomètres carrés.) Les cartes topographiques sont des régions qui sont des exemples qui démontrent les différences entre le National Hydrography Dataset et les réseaux de régions de drainage modélisés.
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Table 2. La proximité des puits de gaz naturel aux canaux de cours d'eau modélisé par les outils de terrain de ArcHydro Tools 9 version 1.3 pour générer les lignes des régions de drainage à partir d'un modèle d'altitude digitale de 10 mètres à comparer avec la proximité de puits de National Hydrography Dataset flowlines.
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Sediments

Des quantités excessives de sédiments sont l'une des principales menaces aux eaux de surface des É.-U. et ont plusieurs impacts nuisibles sur la chaîne alimentaire des rivières, ruisseaux et sources. Les activités des installations de puits gaziers peuvent impacter négativement les écosystèmes limnologiques en augmentant les intrants de sédiments venant des sites de forages et leurs infrastructures attenantes (comme les routes d'accès, les gazoducs, les traverses de cours d'eau), ainsi qu'une perte de surface riveraine. Typiquement, au moins 1,5 à 3,0 hectares de terres agricoles doivent être dégagés pour chaque site de forage, dépendant du nombre de puits creusés sur chaque site; quand ils se retrouvent regroupés densément, les sites de forages peuvent cumulativement altérer le paysage. Le débroussaillage et les dérangements aux cours d'eau pendant les travaux d'érection du puits et de ses infrastructures peuvent augmenter la tenure de sédiments dans le ruissellement de l'eau de surface, et il en résulte une augmentation de sédiments en suspension dans l'eau et au fond du cours d'eau. Les nutriments comme le phosphore sont attachés à ces sédiments et peuvent avoir eux aussi des impacts nuisibles sur les eaux de surface en contribuant à leur eutrophisation. Nous avons identifié 7 cours d'eau dans la région du schiste de Fayetteville avec une variété de densité de puits à l'intérieur de leur région de drainage afin de tester la prédiction qui dit que la turbidité d'un cours d'au pourrait être liée positivement avec la densité des puits gaziers. Les 7 bassins versants de drainage de ces 7 cours d'eau ont été délimités par l'usage de l'outil ArcHydro de ArcMap, version 9.3.1 ERSI. En utilisant des données de localisation des puits gaziers obtenues de la commission Arkansas Oil and Gas Commission, nous avons quantifié la densité des puits à l'intérieur de chaque région de drainage, le nombre total de puits divisé par la surface de drainage. La turbidité a été mesurée avec un instrument Hach Lamotte 2020 en avril 2009 pendant la crue élevée du printemps. Des corrélations momentanées du produit Pearson ont identifié une corrélation positive entre la turbidité de l'eau du courant et la densité des puits (figure 4). La turbidité n'a pas été liée positivement avec d'autres variables à la surface, mais il y avait une corrélation négative importante entre la turbidité et le bassin de drainage et le pourcentage de couverture du pâturage dans le bassin versant (table 3). Ces données préliminaires laissent voir que les impacts cumulatifs venant des puits gaziers et le développement des infrastructures qui viennent avec peuvent être détectables à l'échelle du paysage.

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Figure 3. Un diagramme simplifié des menaces potentielles venant du développement du gaz naturel avec forage horizontal ainsi que la fracturation hydraulique avec fluides dans des formations de gaz naturel non conventionnel. Des voies exposées qui pourraient s'être formées dans les écosystèmes aquatiques pourraient les altérer dans leurs structure et leur fonctionnement de façons variées, dépendant de leur site géographique et le respect des meilleurs pratiques de gestion. UIC = contrôle d'injection souterraine; TDS = total des solides dissous; TENORM = matériaux naturellement radioactifs rehaussés technologiquement. Les lignes pointillées indiquent les effets secondaires du développement gazier. "Flowback" (reflux) est souligné pour indiquer qu'il peut être recyclé et réutilisé.

Première ligne: Activité: Infrastructures attenantes - Procédé de forage et de fracturation - Traitement et manutention des eaux usées.

Deuxième ligne: Source: Routes - Gazoducs - Sites de forage - Fluides de fracturation - Eau de source - Eaux de reflux - Stockage des déchets - Installations de traitement - UIC (Underground Injection Control - puits d'injection à grande profondeur)

Troisième ligne: Agents stresseurs et voies de passage: Altération au paysage+perte de rives+ruissellement - Volume d'écoulement - Déversements, fuites+Traitement inadéquat+Disposition directe - Épandage sur la surface, ensevelissement - Ruissellement, infiltration

Quatrième ligne: Matières organiques - Sédiments - Nutriments - TDS (Total de Solides Dissous) - Additifs chimiques - Métaux - Matières organiques - TENORM (matières naturellement radioactives)

Cinquième ligne: Terminus écologique - L'écosystème et les fonctions de l'écosystème du cours d'eau
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Les prélèvements d'eau peuvent altérer le volume d'écoulement d'un cours d'eau

Les eaux de surface peuvent servir comme sources d'eau nécessaire aux forages et au mélange de fluides de fracturation. Chaque puits a besoin de 2 à 7 millions de gallons (environ 7,5 à 26 millions de litres) d'eau de source. Plusieurs puits peuvent être fracturés à chaque site de forage pendant la vie utile de l'exploitation du puits, ce qui peut durer pendant plusieurs décennies. Cette concentration d'efforts de fracturer à l'intérieur d'une région pourrait augmenter la consommation d'eau. Plusieurs puits gaziers se trouvent dans des régions où l'eau est déjà puisée pour l'agriculture, et cela pourrait donc augmenter la demande de la ressource. Le volume d'écoulement d'un cours d'eau peut être impacté négativement si le cours d'eau a un barrage pour créer des bassins de rétention ou si l'eau est directement prélevée pour faire les fracturations. Les prélèvements d'eau rapides et concentrés pourraient provoquer des pénuries régionales pendant les périodes de sécheresse, ce qui résulterait en régimes d'écoulement altérés et la dégradation accélérée d'habitats critiques pour la vie aquatique, surtout si le petit ruisseau primaire (en amont) est une source principale. Une réduction du volume l'écoulement peut aussi avoir des effets secondaires, comme une augmentation des concentrations de contaminants et une qualité de l'eau à la baisse, parce qu'il y a moins d'eau disponible pour la dilution.
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Figure 4. Densité des puits et turbidité des cours d'eau mesurés en avril 2009 pendant des crues dans 7 cours d'eau de drainage. NTU = Unité de turbidité néphélométrique.
___________________________________________________Disposition d'eaux usées

Les contaminations des eaux de surface par des fluides de fracturation hydraulique et les eaux usées se dérouleront probablement durant les fracturations hydrauliques ou les procédures de traitement ou de disposition, quand le potentiel de déversements accidentels et les fuites est le plus grand. La contamination par les déchets de fracturation hydraulique peuvent aussi se produire lorsque les pratiques de traitement de déchets sont inadéquats, le stockage des déchets inappropriés, des constructions de bassins ou de coffrages défectueuses, et des dispositions inappropriés de déchets solides (dans des bassins mal imperméabilisés qui sont enterrés sur les sites mêmes) qui peuvent avoir des fuites et s'infiltrer dans des eaux de surface avoisinantes. Les bassins de décantation d'eaux usées peuvent donc être une menace pour la flore, la faune et le bétail.

Les fluides de fracturation contiennent habituellement un mélange d'additifs qui servent à réduire la friction, lier des molécules dissemblables, liquéfier, des surfactants, des biocides, des redresseurs de pH, des détartreurs et des gélifiants. La fonction des additifs sert à atteindre une viscosité idéale qui aide à fracturer le schiste et améliorer l'écoulement du gaz, mais décourage la prolifération des algues et la corrosion qui pourraient nuire à l'efficacité du recouvrement (du gaz). La composition des fluides de fracturation peut varier beaucoup d'un puits à l'autre et d'une formation géologique à l'autre. Le contenu spécifique est souvent considéré comme une propriété commerciale, bien que certains états exigent une divulgation des ingrédients et les compagnies peuvent enregistrer sur une base volontaire les produits chimiques qu'elles utilisent auprès des agences régulatrices. Une enquête récente du Congress a révélé que sur une période de 4 ans, 14 importantes compagnies gazières ont utilisé plus de 2,500 produits pour la fracturation qui contenaient 750 différents produits chimiques, desquels 29 sont très toxiques ou cancérigènes reconnus. Les fluides de fracturation utilisés durant cette période totalisaient 780 millions de gallons ou environ 2,9 milliards de litres (n'incluant pas l'eau de dilution), et avaient du plomb, du glycol éthylène, du diesel et du formaldéhyde, ainsi que du benzène, du toluène, de l'éthylbenzène et des composés de xylène. Le volume de fluides de fracturation récupérés varie aussi beaucoup, mais les quantités non récupérées peuvent être considérables. Seulement 10% à 30% des fluides de fracturation sont habituellement récupérées des puits dans certaines régions du schiste du Marcellus; actuellement, il n'y a pas d'information sur le sort et le transport que l'on réserve aux produits chimiques non récupérés.

Les eaux usées sont une menace aux eaux de surface parce qu'elles contiennent typiquement non seulement des additifs de fracturation mais aussi des concentrations élevées de métaux, de solides dissous (comme les saumures), des produits organiques et des radionucléides qui se retrouvent naturellement dans les eaux souterraines très profondes. Les bassins de décantation de déchets sur les sites ou les étangs d'évaporation peuvent déborder, on peut en renverser, ou il peut se produire des infiltrations vers les eaux souterraines et contaminer les cours d'eau avoisinants. Même après avoir été traitées, les solides dissous totaux (TDS) des eaux usées sont très élevés et les sels qui perdurent sont souvent disposés en les épandant sur les sols ou utilisés comme déglaçage de rues, alors qu'on sait qu'ils aboutissent dans les eaux de surface et contribuent à la salinisation des cours d'eau. Les eaux usées récupérées sont le plus souvent transportées hors du site de forage pour les injecter dans des puits vides à grande profondeur ou transportées vers une usine de traitement d'eaux usées domestiques (WWTP) et ou vers un site d'enfouissement de déchets conventionnel. Après la fracturation, le reflux initialement récupéré est parfois réutilisé comme fluide de fracturation pour d'autres puits. La réutilisation des fluides récupérés est maintenant une pratique plus fréquente, mais exige quand même une quantité importante d'eau douce parce que les volumes de récupération sont trop faibles et obligent qu'on diluent le reflux qui contient des concentrations élevées de chlorures, de sulfates, de baryum et d'autres substances potentiellement nuisibles. Les usines de traitement d'eaux usées domestiques ne sont pas capables de traiter les TDS (solides dissous totaux) qui se retrouvent typiquement dans les eaux usées récupérées. Plusieurs usines d'assainissement ont dû mettre une limite à la quantité d'eaux usées de fracturation qu'elles peuvent accepter de traiter afin de respecter les limites d'effluents. Les usines de traitement industrielles sont mieux équipées pour traiter les déchets récupérés en utilisant des technologies comme l'osmose, la filtration, ou la précipitation chimique, mais de telles installations sont coûteuses et pas disponibles partout. Par conséquent, bien que des milliards de litres d'eaux usées sont générées annuellement sur une échelle nationale à cause des fracturations hydrauliques, les choix de traitements des eaux sont limitées, et les impacts environnementaux potentiels des déchets sur les écosystèmes terrestres et aquatiques ne sont pas bien étudiés.
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Table 3. Les corrélations momentanées du produit Pearson et les valeurs P associées entre la turbidité (NTU) et d'autres variables au niveau du paysage, dont la couverture végétative du sol et les régions de drainage.

Corrélations avec la densité de puits, les régions de drainage, l'urbanité à faible impact, boisés-herbes hautes, forêts, pâturages.
_______________________________________________________Photo: ASRG Alberta Surface Rights Group

Les défis et le potentiel pour de la nouvelle recherche

Quantifier les effets du développement du gaz naturel sur les eaux de surface dans les régions de schiste est difficile parce que plusieurs compagnies travaillent souvent dans la même région géographique et utilisent différentes techniques de fracturation (des recettes marques déposées des fluides de fracturation, par exemple), résultant en du développement d'infrastructures et de fracturations de puits non coordonnés dans le temps. De plus, le degré avec lequel ces compagnies adhèrent aux meilleures pratiques de gestion, comme les zones tampons et les mécanismes de contrôle d'érosion, varient selon les compagnies à cause des différents règlements entre les agences et les états. De plus, les puits s'installent parmi des bassins versants déjà impactées par la présence humaine avec des caractéristiques qui pourraient brouiller notre capacité d'attribuer des effets aux développement des puits gaziers.

La plupart des études qui examinent les impacts des sédiments sur les communautés biologiques se concentrent sur les changements en abondance (du volume d'eau d'écoulement), la biomasse, la diversité ou la composition de la communauté; peu d'études ont analysé comment les sédiments altèrent les rôles des espèces et leurs interactions. De plus, les effets des contaminants sont souvent évalués grâce à des tests de toxicité aiguë et chronique chez une seule espèce en laboratoire avec des tests sur des organismes standardisés (comme des menés), et avec un seul contaminant. Des études sont donc nécessaires pour évaluer la toxicité des mélanges de contaminants (comme les eaux usées et les fluides de fracturation, par exemple), et leurs effets sur des communautés plus complexes et des écosystèmes afin de prédire les effets dans le vrai monde. Les sédiments et les contaminants associés avec les eaux usées récupérées vont probablement affecter les comportements d'organismes et changer les interactions écologiques à des niveaux sublétaux. Des réductions d'efficacité en alimentation peuvent encourir des effets nuisibles sur la reproduction et la croissance, et altérer la magnitude en plus ou en moins sur les impacts des espèces, provoquant des changements dans la structure d'une communauté. Les écologistes étudiant les effets environnementaux de l'exploitation du gaz naturel peuvent donc contribuer à la compréhension scientifique en examinant les effets des sédiments et des contaminants venant du développement du gaz naturel sur les interactions des espèces et des communautés.

En plus d'avoir besoin d'évaluations biologiques traditionnelles, les altérations inévitables des usages du terrain qui se produiront pendant les forages qui prennent de l'expansion rapidement nous présentent un modèle pour conduire des expériences novatrices dans un contexte d'écosystèmes. Les fonctions des écosystèmes, comme les taux de décomposition, sont affectées par plusieurs facteurs abiotiques et biotiques, ce qui les rend propices pour détecter les altérations à grande échelle. Par exemple, la réduction d'écoulement des cours d'eau,les contaminants des eaux usées et des fluides de fracturation, et des intrants importants de sédiments pourraient altérer les fonctions des écosystèmes, comme le métabolisme d'un cours d'eau dans son ensemble, la décomposition des matières organiques, et une comptabilité de la biomasse macro-invertébrée sur une période de temps. Toutefois, on ne sait pas comment le développement du gaz naturel pourrait influencer les taux du traitement biologique. Les effets potentiels pourraient stimuler ou gêner certaines fonctions d'écosystèmes spécifiques. Par exemple, la sédimentation excessive ou la contamination chimique due au développement des puits gaziers pourraient stimuler la production macro-invertébrée en agrandissant l'habitat des espèces qui ont plusieurs portées par saison ou mener à une baisse de production en éliminant les espèces sensibles qui représentent une majorité de croissance de communauté ou de biomasse. Un mouvement pour faire incorporer les fonctions d'écosystèmes dans les évaluations biologiques populaires et les protocoles de réhabilitation est en marche en ce moment, pourtant peu d'études ont été faites pour informer leur implantation et leur interprétation dans le contexte des changements structuraux concurrents. L'expansion rapide du développement du gaz au travers les É.-U. pourrait fournir une base de travail pour l'implantation d'expériences de structures et d'écosystèmes concurrents afin d'informer des évaluations écologiques basées sur les procédés. De plus, les études écologiques qui se penchent sur l'exploitation du gaz naturel pourraient être combinées avec des études semblables sur les mines à ciel ouvert afin d'atteindre une vue d'ensemble des coûts environnementaux liés à l'extraction des combustibles fossiles. La composition d'éléments distincts et les signatures isotopiques des eaux usées nous fournissent des occasions uniques pour faire des études de suivi qui pourraient indiquer des expositions des systèmes aquatiques. Des isotopes stables de strontium et de carbone ont été utilisés pour retracer l'eau venant des puits de production de gaz naturel dans des formations de charbon retrouvées dans des eaux de surface et des zones hyporhéiques. Osborn et compagnie ont utilisés des isotopes d'eau, de carbone, de boron et de radium pour tester des contaminations de fracturation hydraulique dans des aquifères peu profonds par dessus les formations de schiste du Marcellus et de l'Utica en Pennsylvanie et New York, et ont trouvé des changements importants dans les concentrations de CH4 dans les puits d'eau potable près des lieux où des puits gaziers avaient été forés. De la recherche sur le développement gazier limité et les eaux de surface a aussi laisser croire que le carbone dérivé du CH4 est assimilé dans la chaîne alimentaire du cours d'eau. Plusieurs formations géologiques contenant du gaz contiennent aussi des niveaux élevés de matériaux naturellement radioactifs, comme le radon (222Rn) et le radium (226Ra, 228Ra), qui peuvent servir de traceurs hydrologiques. L'ampleur que prendra la contamination de métaux, de matières organiques ou autres matières venant des procédés de forages et de fracturation hydraulique dans les chaînes alimentaires terrestres et aquatiques demeure inconnue. Photo: bctwa.org

Conclusions

L'exploration du gaz naturel continuera de prendre de l'ampleur au travers la planète. En plus des menaces potentielles aux eaux souterraines et les sources d'eau potable, le stress environnemental en croissance imposé aux écosystèmes des eaux de surface est sérieusement préoccupant. Davantage de données scientifiques sont nécessaires pour guider un développement écologiquement sain et des prises de décisions afin d'assurer une protection aux ressources de l'eau. Les ruissellements élevés de sédiments dans les cours d'eau, les réductions de volumes d'écoulement, les contaminations des cours d'eau à cause des déversements accidentels, et des pratiques de traitement inadéquates des eaux usées récupérées sont des menaces réalistes. Les puits de gaz sont souvent situés près des cours d'eau, ce qui augmente la probabilité de porter préjudice aux eaux de surface, et les données préliminaires laissent entrevoir un potentiel d'impacts détectables à cause de la sédimentation. Des règlements qui prennent en ligne de compte la proximité du développement du gaz naturel aux eaux de surface pourraient être donc être requis. Le manque de recherche écologique sur les impacts du développement des infrastructures entourant les puits gaziers est criant, car elle servirait à nourrir les stratégies règlementaires et améliorerait notre compréhension des facteurs qui impactent les structures des communautés et les fonctions des écosystèmes.

Remerciements

Nous remercions A. Bergdale, R. Adams, G. Adams, et L. Lewis pour nos conversations préliminaires qui nous ont aidé à s'intéresser à cette question. E. D'Amico nous a fourni de l'aide précieuse sur l'analyse spatiale du placement des puits et ses suggestions nous ont aidé à structurer ce manuscrit. A. Bergdale, W. Dodds, M. Drew, K. Fritz, et K. Larson ont commenté les premières jetées du manuscrit. L'EPA (US Environmental Protection Agency), par son bureau de recherche Office of Research and Development, a partiellement fournit un appui financier et a collaboré dans la recherche décrite ici selon les contrats EP-D-06-096 et EP-D-11-073 avec Dynamac Corporation. Les opinions exprimées ici dans ce texte sont celles des auteurs et ne reflètent pas nécessairement les opinions ou les politiques de l'EPA des États-Unis.
Photo: democratandchronicle.com