Sources, distribution et flux d’hydrogène (H2) et des gaz associés dans les complexes alcalins (exemple de Khibiny et Lovozero, péninsule de Kola, Russie): conséquences métallogéniques et environnementales – H2Kola

The research program of the H2Kola project will be structured around three complementary investigations (as detailed below), each of them divided into two to three tasks, as described in Fig. 5. The project objectives will be achieved by associating researchers with complementary skills in metallogeny, geochemistry, pedology, and geophysics from ISTerre (Grenoble, France), GET (Toulouse, France) and Kola Science Center (Apatity, Russia) and by actively interacting with external collaborators which will bring their expertise on noble gas geochemistry, spectroscopy and gas remote sensing. Two post-doctoral researchers and 2 Master students will be hired to reinforce the team. They will work in co-direction between our French-Russian laboratories to strengthen the scientific relationships and interdisciplinary work. A detailed description of the project members and their role is provided in section II. The scientific work is perfectly balanced in-between Russian and French partners. A particular attention has been paid to gender equity (7 women/15 permanent scientists, including one team leader and 3 task leaders) and to junior vs senior generational balance (8 scientists/15 are under 40) in the team building.

Deep crustal production of hydrogen (H2) is a potential source of primary energy if recoverable accumulations in geological formations are sufficiently large. We report direct measurements of an

elevated outgassing rate of 84% (by volume) of H2 from the deep underground Bulqizë chromite mine in Albania. A minimum of 200 tons of H2 is vented annually from the mine's galleries, making

it one of the largest recorded H2 flow rates to date. We cannot attribute the flux solely to the release of paleo-fluids trapped within the rocks or to present-day active and pervasive serpentinization of

ultramafic rocks; rather, our results demonstrate the presence of a faulted reservoir deeply rooted in the Jurassic ophiolite massif. This discovery suggests that certain ophiolites may host economically

useful accumulations of H2 gas.

Presque toutes les sources naturelles d’H2 identifiées au cours des 30 dernières années, sur les continents comme sur les fonds marins, sont associées à des environnements géologiques ultramafiques où la serpentinisation de l'olivine et du pyroxène est à l’origine de la production de ce gaz. Il existe cependant un autre contexte géologique très différent où des enrichissements spectaculaires d’H2 sont documentés, à la fois dans des inclusions fluides et sous forme libre dans les failles, les galeries de mine et les sols. Il s’agit d’intrusions peralkalines, parmi lesquelles celles de la péninsule de Kola en Russie (Khibiny et Lovozero) sont les plus grandes au monde. Ces plutons hébergent des gisements géants de métaux stratégiques (REE, Nb, Ta, Zr, Ti) où la migration de gaz explosifs (H2 et CH4) constituent un danger majeur pour les mineurs. À ce jour, les sources et les flux d’H2 et des gaz associés sont encore inconnus. De même, le rôle joué par ces espèces volatiles sur la genèse de ces gisements reste non documenté.
Ce projet vise à étudier le comportement d’H2, et d'autres gaz associés dans ces plutons, depuis leurs sources profondes jusqu'à leur échappement dans l'atmosphère. Les résultats obtenus ferront la lumière sur l'origine de ces gaz, leurs mode de migration, leurs relations avec les minéralisations, et leurs impacts environnementaux. Notre ambition, est de jeter les bases de l'exploration de l’H2 naturel, et de fournir une vue d'ensemble du cycle géochimique de cette molécule, depuis ses sources profondes jusqu’à son dégazage atmosphérique.
Pour atteindre cet objectif, nous combinerons :
1) des développements analytiques: i) calibration d’un spectromètre de masse portable pour la mesures sur site de la composition isotopique (C, O, H) du CH4, CO2, et de la pression partielle d'He; ii) développement d’un nouveau type de capteurs de gaz passifs par physisorption, et iii) déploiement d'un spectromètre CRDS sur un drone pour la télédétection du CH4.
2) une étude sur le terrain des migration de gaz: i) traçage de(s) source(s) et des chemins de migration d’H2 et des gaz associés (CH4, CO2, He, Rn, HCs); ii) mesure des variations spatiales et temporelles des flux de gaz en surface, et iii) mis en évidence des contrôles lithologiques et structuraux.
3) des investigations métallogéniques, pédologiques et énergétiques : i) évaluation du rôle d’H2 et des hydrocarbures sur les processus de formation des gisements; ii) identification des anomalies biogéochimiques dans les sols, et iii) mise en place d’un guide d'exploration d’H2 naturel dans une perspective énergétique.
Notre consortium regroupe les meilleurs spécialistes de ces objets géologiques et de la migration d’H2 dans la lithosphère. Toutes les compétences nécessaires sont réunis au sein d'une équipe interdisciplinaire capable de mener à bien ce projet de manière rapide et efficace. En Russie, les Drs. J.A. Mikhailova (PI Russie, minéralogie) et V.A. Nivin (géochimie des gaz), en collaboration avec de jeunes chercheurs du Centre Scientifique de Kola, dirigeront les investigations sur le terrain. En France, les Prs. L. Truche (PI France, géochimiste, membre IUF junior) et F-V. Donzé (géomécanicien) du laboratoire ISTerre (Univ. Grenoble) développeront les capteurs de terrains et étudieront le drainage des gaz dans les systèmes de failles. Ils connaissent très bien la Russie et ont déjà établi une collaboration avec le KSC-RAS grâce au soutien de l'INSU. Le Dr. S. Salvi (CNRS, métallogéniste), laboratoire GET (Univ. Toulouse, France), est un spécialiste des granites peralcalins et de leurs gisements associés. Son équipe, qui comprend également des experts en biogéochimie, fournira un savoir-faire important pour l'étude de l'impact de la migration des gaz sur les écosystèmes de surface. Enfin, 2 chercheurs post-doctorants et 2 étudiants en Master travailleront en cotutelle entre nos laboratoires, afin de renforcer les relations scientifiques entre les partenaires.