Mécanismes et quantification de la génération d'hydrogène naturel en contexte intracratonique : le cas du Mid-Rift System (Kansas, USA)

Mechanism and quantification of natural hydrogen generation within intracratonic areas : the case of the Mid-Rift System (Kansas, USA)

• Auteur / Autrice : Valentine Combaudon
• Direction : Hannelore Derluyn, Eric Deville
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Géosciences
• Date : Soutenance le 23/10/2023
• 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 : Isabelle Moretti
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Hannelore Derluyn, Eric Deville, Laurent Truche, Manuel Muñoz, Olivier Sissmann, Ema Frery, Barbara Sherwood-Lollar
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Laurent Truche, Manuel Muñoz

Mots clés

Mots clés contrôlés

Kansas (États-Unis)

Hydrogène

Mots clés libres

Hydrogène

Précambrien

Intracratonique

Mid-Rift System

Oxydation du fer

Microscopie

Hydrogen

Precambrian

Intracratonic

Mid-Rift System

Iron oxidation

Microscopy

Résumé

L'hydrogène naturel (H2) a longtemps été associé uniquement à la serpentinisation des roches ultrabasiques et basiques en contexte de limites de plaques lithosphériques (rides médio-océaniques ou massifs ophiolitiques). Un tel hydrogène a aussi été identifié au milieu des continents, dans des zones qualifiées d'intracratoniques, et caractérisées par une quasi-absence d'activité tectonique et magmatique depuis plusieurs millions d'années. L'exploitation de l'hydrogène généré au niveau de dorsales océaniques étant exclu, l'hydrogène continental, et plus particulièrement intracratonique, pourrait être considérer comme plus attractif. Cependant, l'état actuel des connaissances scientifiques sur cet hydrogène est relativement limité et ne permet pas d'assurer une production à moindres risques et moindres coûts.Le Kansas abrite d'actuels puits émetteurs d'hydrogène naturel. Cet H2 a été, lors de précédentes études, caractérisé comme un flux et associé aux roches sous-jacentes appartenant au socle Précambrien. Ce socle a été intrudé, il y a 1.1 milliards d'années, par le Mid-Rift System (MRS), un rift avorté associé à une accumulation kilométrique de roches riches en fer et potentiellement génératrices d'H2. Ce rift qui est enfoui sous des sédiments paléozoïques au Kansas, s'étend sur plus de 2000 km, jusqu'à la région des grands lacs (Minnesota) où les roches affleurent.Pour combler le déficit de connaissance concernant l'hydrogène intracratonique une étude minéralogique poussée des échantillons de roches provenant de la partie du rift situé au Kansas a été réalisée. L'objectif était d'identifier le mécanisme principal de génération d'H2. Ensuite, une méthodologie d'étude multi-échelle combinant données de microsonde, bilan de transfert de masse, et données de microtomographie par rayons X a été développée, dans le but de quantifier l'H2 généré. Enfin une mission d'échantillonnage d'eau et de gaz dans la zone nord du MRS (Minnesota) a été effectuée. L'objectif était d'acquérir des données additionnelles et de fournir des analyses géochimiques destinées à mieux comprendre le système H2 lié au MRS.Le socle Précambrien du Kansas, dans la zone des puits émetteurs d'H2, est composé de monzo-gabbros riches en fayalites portant des marques d'au moins deux évènements d'interactions eau-roche : (1) un épisode tardi-magmatique d'altération deutérique des fayalites, (2) un épisode tardif de circulation de fluide à plus basse température. Ces évènements pourraient avoir conduit, chacun, à une génération d'H2. Dans la partie du rift se situant au Minnesota, des quantités significatives de méthane (CH4), d'hélium (He), de dioxyde de carbone (CO2), d'hydrocarbures lourds, et d'H2 (jusqu'à 500 ppm) ont été mesurés dans des gaz dissous et des gaz libres. Leur signature isotopique est complexe et il est difficile de distinguer les différents pôles isotopiques. Il est important de noter que ces gaz sont associés, en partie, à des eaux réduites et basiques typiques des réactions eaux-roches comme la serpentinisation. Ainsi, ces résultats suggèrent qu'une partie de l'H2 est généré en subsurface par serpentinisation des roches riches en fer du rift puis consommé avec le CO2 présent pour produire du CH4.Ce travail de thèse a permis de produire de nouvelles données essentielles pour mieux comprendre la génération d'hydrogène dans le MRS mais aussi de manière plus générale dans les zones intracratoniques.

Natural hydrogen (H2) has been associated, for a long time, with the serpentinization of ultramafic and mafic rocks located at current lithospheric plate boundaries, in mid-oceanic ridges (MOR) and ophiolitic contexts. Such hydrogen is also found on the continent and is located within intracratonic areas that were not subjected to any significant magmatic or tectonic events over the last hundreds of millions of years. As the exploitation of hydrogen emitted at the MOR is excluded because of its location, intracratonic hydrogen could be considered more attractive. However, the lack of knowledge is still too high for this H2 to be considered a reliable energy source.Kansas (right in the middle of the USA) is home to H2-emitting wells where hydrogen was previously characterized as a flux and associated with the underlying Precambrian basement rocks. The Kansas Precambrian basement was intruded 1.1 Ga ago by the Mid-Rift System (MRS), an aborted rift with a kilometric-scale accumulation of iron-rich rocks being potential H2-generating rocks. The rift is buried below Paleozoic sediments in Kansas et extends over more than 2000 km, up to the Lake Superior Province (Minnesota, USA), where the basement rocks are outcropping.To overcome the global lack of knowledge on intracratonic H2, a mineralogy study on rock samples from the Kansas part of the MRS was conducted. The aim was to identify the potential mechanisms responsible for hydrogen generation. Subsequently, a multimodal and multiscale workflow to quantify hydrogen generation by combining EPMA analysis, a mass transfer evaluation, and X-ray microtomography was proposed. Finally, a field study was conducted in the Minnesota part of the MRS to acquire additional data, including the sampling of emitted gas and their associated waters on which geochemistry analyses were performed.Indeed, the Kansas Precambrian basement in the vicinity of the H2-emitting wells is made of fayalite-bearing monzo-gabbros with evidence of, at least, two events of water-rock interactions (WRI): (1) a deuteric alteration of fayalites during a late magmatic episode, (2) a late episode of fluid circulation at lower temperatures. They both could have led to hydrogen generation. In the Minnesota part of the MRS significant contents of methane (CH4), helium (He), carbon dioxide (CO2), heavier hydrocarbons, and H2 up to 500 ppm are found in dissolved gas and free-gas phases. They have complex isotopic signatures, and it is difficult to distinguish the different isotopic trends. They are, however, associated with reduced (negative Eh) and basic waters typical of WRI such as serpentinization. These results suggest that a part of this hydrogen is generated in the subsurface by serpentinization of the iron-rich rocks of the MRS and consumed with CO2 to produce CH4.This work provides new information on hydrogen related to the Mid-Rift System as well as key elements to better understand the more global subject of intracratonic hydrogen.