Physico-chimie d'hydrates de gaz sédimentaires reproduisant leur environnement géologique naturel. – HYDRACLAY

Les hydrates de méthane naturels - formés par la réaction de fluides interstitiels et de gaz dans les sédiments - s’accumulent au niveau des suintements froids des marges continentales et du permafrost des régions polaires. Ils représentent le plus grand réservoir de méthane sur Terre, et constituent une source d’énergie pour les communautés chimiosynthétiques qui se développent dans ces zones. Ils jouent également un rôle fondamental dans la stabilité des fonds marins. De nombreuses études évaluent la quantité de méthane piégé dans l'ensemble des dépôts entre 600 et 10 000 milliards de tonnes. On constate que la fourchette d’estimation est très large ; par conséquent, il est nécessaire de la réduire en proposant une méthodologie qui prend davantage en compte les propriétés des hydrates à petites échelles, ainsi que leurs interactions avec la matrice sédimentaire. Les retombées d’une telle étude permettront de mieux comprendre leur rôle dans le cycle du carbone océanique et les conséquences environnementales d'une libération prolongée de méthane issu de leur décomposition en raison de l'augmentation de la température due au changement climatique. Dans la nature, 90% des gisements d'hydrates sont caractérisés par des sédiments riches en grains fins argileux, et plusieurs études ont reconnu l'importance des minéraux sédimentaires sur le temps de nucléation, le taux de croissance, la morphologie et le champ de stabilité des hydrates de gaz naturel. Néanmoins, nous sommes loin d'avoir atteint une compréhension approfondie des mécanismes critiques qui contrôlent la cinétique de la formation des hydrates et l'occupation des cages qui en résulte, en particulier dans des milieux confinés tels que les minéraux argileux.
Une meilleure compréhension de l'influence des minéraux sur le mécanisme de formation et d'accumulation des hydrates dans les matrices géologiques représente une avancée majeure pour améliorer les méthodes d‘estimation de ces réserves naturelles, et apprécier quantitativement leur potentiel en termes d’aléas géologiques et leurs implications liées aux enjeux du changement climatique. Le projet HYDRACLAY est basé sur la reproduction de leurs conditions naturelles de formation en termes de thermodynamique, géochimie et minéralogie. Les objectifs scientifiques sont axés autour de trois défis physico-chimiques : (i) déterminer la localisation préférentielle de la formation des hydrates dans les argiles à l'échelle nanométrique, (ii) étudier le rôle potentiel des cations intercalaires (lorsqu'ils sont présents) et (iii) étudier l'influence du débit de gaz sur les taux d'occupation des cages.
Le programme de recherche (réunissant des physico-chimistes et des géoscientifiques) inclut l’étude d'hydrates de gaz sédimentaires - synthétiques et naturels de la région de la mer Noire. Le consortium bénéficie d’un accès unique aux hydrates naturels, aux eaux interstitielles et aux sédiments collectés lors d’une récente campagne IFREMER en mer Noire (sept. 2021). Le consortium adoptera une approche multi-échelle intégrant des études allant de l'échelle nanométrique à l'échelle microscopique - basées sur des techniques physico-chimiques avancées (spectroscopie, diffraction et tomographie) pour observer et décrire comment les hydrates se forment au sein de matrices riches en argile, étudier la cinétique de croissance et déterminer le taux d'occupation des cages en fonction de cette minéralogie. Ces résultats seront complétés par des études de la distribution des hydrates à l'échelle macro et géologique dans les sédiments riches en argile d’un site en Mer Noire.
Ainsi, le projet HYDRACLAY s'attaquera à un enjeu majeur visant à faire le lien entre les résultats physico-chimiques sur les mécanismes de formation des hydrates et leur accumulation dans les matrices géologiques naturelles - prérequis nécessaire pour développer une méthode fiable d'évaluation de la quantité de méthane dans les hydrates de gaz marins.