Surface displacements induced by underground activities from 2014 to 2019 in the former Lorraine coalfield, northeastern France

Déplacements de surface induits de 2014 à 2019 par les activités souterraines dans l’ancien bassin houiller lorrain

¹ GeoRessources, Université de Lorraine − CNRS, Campus Artem, BP14234, 54042 Nancy Cedex, France
² GEODERIS, 1 rue Claude Chappe, 57075 Metz Cedex 3, France

^* Correspondence: guillaume.pillot@geoderis.fr

Received: 16 August 2024
Accepted: 15 March 2025

Abstract

In the former Lorraine coalfield, northeastern France, mining subsidence has occurred over decades. After the end of coal mining in 2004, uplift started to be detected throughout the basin. In recent years, a coalbed methane (CBM) extraction project has been considered in the same region. This extraction project targets virgin coal layers at about 1 km depth, with production tests carried out between February 2017 and December 2019. Given this particular context, combination of historical and recent subsurface activities, it is useful to characterise the current induced surface displacements in the area. For this reason, PS-InSAR (Hooper A, Bekaert D, Spaans K, Arıkan M. 2012. Recent advances in SAR interferometry time series analysis for measuring crustal deformation. Tectonophysics 514-517: 1–13.) has been applied to Sentinel-1 SAR images over the period 2014-2019, covering the entire former coalfield. Our results confirm the occurrence of uplift movements above the abandoned mine panels, with a maximum mean velocity of +9 mm/yr in the LoS (Line of Sight) direction, over the whole period. This uplift decreases through time; its rate is more important over the first half of the study period. When comparisons are available, our results correlate well to on-ground levelling measurements. This phenomenon is related to the ongoing flooding of the mined-out panels in the coal basin. Due to the poor spatial coverage of the data above the CBM production test zone, no conclusion could be drawn regarding potential surface displacements associated with this activity, but this result may be viewed in light of the rare observations available in active CBM production in other regions around the world. We also found out that, since mid-2018, subsidence has been detected above an active anhydrite underground mine, with an absolute mean velocity approximately 4 mm/yr in the Line-of-Sight (LoS) velocity over the period January 2017 to December 2019. Further investigations are required to determine the origin of these displacements. In conclusion, the map of the current displacements in the study area reflects both past (mining) and present (quarrying) underground operations, and may also serve to inform discussions on possible future ones (CBM extraction).

Résumé

Dans l’ancien bassin houiller lorrain, situé au nord-est de la France, des affaissements miniers se sont produits pendant des décennies. Depuis la fin de l’exploitation minière en 2004, des soulèvements ont été détectés dans tout le bassin. Par ailleurs, une exploitation de gaz de couche de charbon (CBM) a été envisagée dans la région. Ce projet d’exploitation s’intéresse à des couches de charbon vierges, situées à environ 1 km de profondeur, dans lesquelles des essais de production ont été conduits de février 2017 à décembre 2019. Compte tenu de ce contexte, se pose la question de l’état actuel des déplacements de surface dans la zone. La méthode PS-InSAR (Hooper et al., 2012) a donc été appliquée aux images radar Sentinel-1 sur la période 2014-2019. En premier lieu, nos résultats confirment l’existence d’un mouvement de soulèvement au-dessus des anciennes mines, avec une vitesse maximale de l’ordre de +9 mm/an selon la ligne de visée du satellite, sur l’ensemble de la période. Ce soulèvement diminue au cours du temps ; il est plus important au cours de la première moitié de la période. Lorsque les comparaisons sont possibles, nos résultats sont bien corrélés aux mesures de nivellement réalisées au sol. Ce phénomène est attribué à l’ennoyage toujours en cours des travaux miniers. En second lieu, à cause de la faible couverture spatiale des données InSAR à la verticale de la zone de test de production de CBM, aucune relation n’a pu être établie entre cette activité et d’éventuels déplacements de surface. Nos résultats peuvent néanmoins être comparés avec les rares observations disponibles dans d’autres bassins de production de CBM à travers le monde. Incidemment, nous montrons que depuis mi-2018, un affaissement est détecté au-dessus d’une carrière d’anhydrite souterraine, avec une vitesse moyenne de l’ordre de −4 mm/an selon la ligne de visée du satellite, sur la période janvier 2017 à décembre 2019. Des investigations complémentaires seraient nécessaires pour déterminer l’origine exacte de ces déplacements. En conclusion, la carte des déplacements de surface actuels établie dans cette étude reflète tout à la fois les exploitations passées (minières) et actives (carrières) dans le bassin houiller lorrain, et permet de discuter les impacts d’éventuelles exploitations futures (extraction de CBM).