Évolution des gaz associés à l'ouverture des rifts, hydrogène naturel et autres. Cas du rift est-africain

Evolution of gases associated with rift opening, natural hydrogen and others. Case of the East African Rift

• Auteur / Autrice : Gabriel Pasquet
• Direction : Isabelle Moretti
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Géosciences
• Date : Soutenance le 20/12/2022
• Etablissement(s) : Pau
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences Exactes et leurs Applications
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des Fluides Complexes et leurs Réservoirs - Laboratoire des Fluides Complexes et leurs Réservoirs
• Jury : Président / Présidente : Jean-Paul Callot
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Isabelle Moretti, Fabrice Brunet, Alain Prinzhofer, Anne Battani, Raphaël Pick, Isabelle Martinez
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Fabrice Brunet, Alain Prinzhofer

Mots clés

Mots clés contrôlés

Teneur en hydrogène

Rift est-africain

Mots clés libres

Hydrogène

Gaz

Rift

Rift est-Africain

Hydrogen

Gas

Rift

East African Rift

Résumé

L'hydrogène occupe une place croissante dans le mix énergétique mondial, les recherches à son sujet progressent. Les techniques de production sont variées, des moyens polluants mais économiques, comme le vapocraquage du CH4, à propre mais couteux (électrolyse de l'eau) voire renouvelable et potentiellement moins cher avec l'hydrogène naturel (H2). Cette thèse s'inscrit dans un besoin premier d'alimenter une base de données mondiale des zones riches en H2 naturel et de comprendre son origine. La liaison entre le potentiel géothermique et les ressources en H2 sera aussi discutée.Les dorsales océaniques sont connues pour être des zones d'émissions d'H2 au niveau des vents hydrothermaux. Dans un contexte géologique proche, à terre, quelle est la génération d'H2 à l'initiation des rifts puis dorsales, comme en Islande où un point chaud participe à l'émersion de la ride médio-Atlantique. La dépression des Afars aussi marquée par la présence d'un point chaud, est composée de 3 branches en ouverture : le sud Mer Rouge, l'extrémité ouest du Golfe d'Aden et l'extrémité nord du rift Éthiopien. Ce grand système permet de comparer les gaz émis dans un rift encore continental (Sud Éthiopien) jusqu'à ceux d'une zone océanique (rift d'Asal en république de Djibouti). Lors de deux missions de terrain en république de Djibouti et en Éthiopie, de nombreux sites ont pu être échantillonnés - sites hydrothermaux, volcans, fumerolles ou encore failles actives - à la fois dans une croûte continentale au stade initial du rifting et dans une croûte océanique. La Covid et la guerre en Éthiopie ont malheureusement limité ces acquisitions de terrain.Nos résultats montrent une présence d'H2 en domaine océanique et continental, dans des pourcentages assez faibles (<3%). En surface, la concentration en H2 augmente en fonction de la proximité à la zone axiale du rift ou d'un centre volcanique actif. Les failles actives permettent un chemin de migration rapide entre chambre magmatique et surface. Ainsi, les fumerolles ont souvent une signature mantellique. Cette signature d'un dégazage est marquée en surface par une faible variation de la concentration en H2 à travers le temps au contraire des émissions décrites dans les cratons. Les micro-organismes échantillonnés et étudiés (collaboration avec l'IPREM), ne sont pas hydrogénotrophes et donc n'impactent pas les concentrations en H2 dans ces milieux volcaniques en raison des conditions de vie extrêmes.Dans notre zone d'étude : les sites au plus haut potentiel H2 sont le rift d'Asal (extrémité du golfe d'Aden), Dallol (Sud Mer Rouge), Tulu Moye (MER), puis le graben de Tendaho-Goba'ad (jonction des 3 systèmes). Des données de subsurface dans le rift d'Asal (collaboration avec l'ODDEG) nous a permis de proposer un modèle de génération pour cette zone. La serpentinisation observée sur les MORs est nulle et la production d'H2 par oxydo-réduction est ici limitée par la faible teneur des roches en olivine (<10%) et l'omniprésence des plagioclases. La forte teneur en aluminium implique la formation de smectite et de chlorite selon la profondeur d'altération géothermale. La cinétique de production d'H2 dans ces roches est plus lente que dans les roches ultrabasiques. Ces argiles contiennent majoritairement du Fe2+. D'après nos observations, le Fe3+ est concentré dans les oxydes de fer dont la ferrihydrite, l'hématite et la magnétite. En testant différentes réactions d'oxydo-réduction produisant de l'H2, le chlorite s'avère être le candidat au plus haut potentiel rémanent de production en raison de sa forte concentration en fer.Ainsi la source principale d'H2 dans l'EARS est le dégazage des chambres magmatiques et intrusions proximales puis les réactions d'oxydo-réductions entre argiles et fluides. La présence d'H2 en profondeur dans les puits géothermaux et ponctuellement en surface suggère que les potentielles roches couvertures (hyaloclastites, sel ou autres argiles) permettent une accumulation de l'H2.

Hydrogen is becoming an increasingly key part of the global energy mix, researches are progressing. The production techniques are diverse, ranging from polluting but economical means, such as the CH4 vapocracking, to the clean but expensive (water electrolysis) or even renewable and potentially cheaper natural hydrogen (H2). This thesis is based on the primary need to build a global database of natural H2 rich areas and to understand its origin. The link between geothermal potential and H2 resources will also be discussed.Oceanic ridges are known to host H2 emissions from hydrothermal vents. In a similar geological context, onshore, what is the generation of H2 at the initiation of rifts and then ridges, such as in Iceland where the presence of a plume lead to the emersion of the mid-Atlantic ridge. The Afar Depression, also marked by the presence of a hot spot, is composed of three opening branches: the southern Red Sea, the western end of the Gulf of Aden and the northern end of the Ethiopian Rift. This large system allows comparison of gases emitted from a rift that is still continental (Southern Ethiopian) to those from an oceanic zone (Asal Rift in the Republic of Djibouti).During two field missions in the Republic of Djibouti and Ethiopia, numerous sites were sampled - hydrothermal sites, volcanoes, fumaroles and active faults - both in continental crust at the initial stage of rifting and in oceanic crust. Unfortunately, Covid and the war in Ethiopia have limited these field acquisitions.Our results show the presence of H2 in both oceanic and continental domains, but in rather low percentages (< 3%). At the surface, H2 concentration increases with proximity to the axial zone of the rift or to an active volcanic centre. Active faults allow a rapid migration path between the magma chamber and the surface. Thus, fumaroles often have a mantle signature. This signature of degassing is marked at the surface by a small variation in H2 concentration over time, unlike the emissions described in cratons. The micro-organisms sampled and studied (collaboration with IPREM), are not hydrogenotrophic and therefore do not impact H2 concentrations in these volcanic environments due to the extreme living conditions.In our study area: the sites with the highest H2 potential are the Asal Rift (end of the Gulf of Aden), Dallol (Southern Red Sea), Tulu Moye (in the SEA), then the Tendaho-Goba'ad graben (junction of the 3 systems).Subsurface data in the Asal Rift (collaboration with ODDEG) allowed us to propose a generation model for this area. Serpentinisation observed on the MORs is absent and H2 production by redox is limited by the low olivine content of the rocks (<10%) and the omnipresence of plagioclases. The high aluminium content implies the formation of smectite and chlorite depending on the depth of geothermal alteration. The kinetics of H2 production in these rocks is slower than in ultrabasic rocks. These clays contain mostly Fe2+. According to our observations, Fe3+ is concentrated in iron oxides including ferrihydrite, hematite and magnetite. When testing different redox reactions producing H2, chlorite turns out to be the candidate with the highest remanent production potential due to its high iron concentration.Thus the main source of H2 in the EARS is the degassing of magma chambers and proximal intrusions followed by redox reactions between clays and fluids. The presence of H2 at depth in the geothermal wells and occasionally at the surface suggests that the potential cover rocks (hyaloclastite, salt or other clays) allow an accumulation of H2.