Thèse de Valentine Combaudon : « Mécanismes et quantification de la génération d’hydrogène naturel en contexte intracratonique : le cas du Mid-Rift System (Kansas, USA) »
Depuis une dizaine d’années, l’hydrogène naturel (H2) émis au cœur des continents, les « cratons », est source de fascination pour de nombreux géologues. Si sa présence en subsurface a été caractérisée à de nombreux endroits de la planète, on ignore encore si l’utilisation de cette source d’énergie décarbonée est susceptible d’être économiquement viable. Afin de pouvoir répondre à cette question et d’identifier ensuite les sites de forage présentant le meilleur potentiel, la quantification à large échelle de cette ressource passe par des modélisations.
Par ailleurs, si l’origine et de la quantité d’H2 émis depuis le plancher océanique ne fait plus question depuis des décennies, le potentiel des différents minéraux des roches cratoniques à en produire, via des réactions d’interactions eau-roche, reste inconnu. Cette interrogation autour de la source d’H2 est néanmoins essentielle afin d’évaluer la ressource correspondante.
Ce travail de thèse s’est attaqué à la question avec comme objet d’étude le rift médio-continental Nord-Américain (MRS) composé de roches très anciennes (plus d’1 milliard d’années) s’étendant sur plusieurs milliers de km. L’étude de ces roches s’est fondée sur une approche multi-échelle (du nm au cm) pour laquelle un workflow analytique a été développé (Figure 1) autour de diverses techniques d’observation : la microscopie pour l’identification des phases, le synchrotron pour la spéciation chimique et la µ-tomographie pour l’estimation des volumes de minéraux altérés [1]. L’application de ces techniques d’imagerie à différentes roches du socle du Kansas, au Sud du rift, a permis de quantifier le potentiel des formations géologiques en place à produire de l’hydrogène naturel via la quantification du fer réduit dans les minéraux, ainsi qu’à estimer les ressources déjà produites via la quantification du fer oxydé.
à partir de l'étude multi-échelle d'une roche.
La mise en place de ce workflow a permis l’identification de la roche mère d’H2 et la caractérisation complète du « système hydrogène » au Sud du rift [2] a ensuite pu être menée à bien (Figure 2). Outre cette « roche mère » (generating rock), on y retrouve au-dessus d’elle la roche réservoir (reservoir rock) puis la roche couverture (cap rock) et il s’avère que la production de cette ressource décarbonée y semble encore active, bien que les roches en question soient bien plus anciennes que les réservoirs pétroliers, où sont exploités les hydrocarbures fossiles.
Enfin, la même caractérisation a été menée pour le Nord du rift, dans le Minnesota où une production active d’hydrogène a lieu en surface à l’affleurement des roches Précambriennes. Elle a permis d’identifier de nouveaux marqueurs de production et de consommation d’H2, sous la forme d’acides gras volatiles, dans des eaux hyper-basiques et chimiquement très réduites [3]. De tels composés résultent de la consommation biologique d’H2, ou de sa réactivité chimique avec du carbone inorganique tel que le CO2.
Les connaissances acquises au cours de cette thèse, ainsi que les protocoles d’analyse développés, ont été intégrés à l’offre commerciale d’IFPEN visant à identifier et caractériser les zones d’exploration. L’ensemble sert d’ores déjà à l’étude d’autres sites émetteurs, et permettra sous peu d’aboutir à des modèles numériques permettant de prédire les ressources potentielles présentes en subsurface.
References:
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Combaudon, V., Sissmann, O., Bernard, S., Viennet, J. C., Megevand, V., Le Guillou, C., Guélard, J., Martinez, I., Guyot, F., Derluyn, H. & Deville, E., Are the Fe-rich-clay veins in the igneous rock of the Kansas (USA) Precambrian crust of magmatic origin, (2024). Lithos, 474, 107583.
>> https://doi.org/10.1016/j.lithos.2024.107583
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Combaudon, V., Centrella S., Kularatne, K., Sissmann, O., Sénéchal, P., Deville, E. & Derluyn, H., Mass transfer study of a fayalite-bearing gabbro from the Kansas Precambrian basement (USA) and implications for natural hydrogen generation, in review at Chemical Geology.
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Combaudon, V., Sissmann, O., Guelard, J., Noirez, S., Derluyn, H., & Deville, E. Investigating reduced and alkaline fluids degassing CH4-H2-He with high concentrations of formate and acetate in iron-rich Precambrian shield rocks, in review at International Journal of Hydrogen Energy.
Scientific contact: olivier.sissmann@ifpen.fr