Free Press

Comment le méthane finit dans l’océan

Les gens brûlent du charbon, du pétrole et du gaz naturel depuis plus de cent ans. Les hydrates de méthane, en revanche, n’ont que récemment fait l’objet de discussions controversées en tant que future source d’énergie potentielle provenant de l’océan

. Ils représentent un nouveau réservoir de combustible fossile totalement inexploité, car ils contiennent, comme leur nom l’indique, d’immenses quantités de méthane, qui est le principal composant du gaz naturel. Les hydrates de méthane appartiennent à un groupe de substances appelées clathrates – des substances dans lesquelles un type de molécule forme une structure en cage semblable à un cristal et enferme un autre type de molécule. Si la molécule formant la cage est de l’eau, il s’agit d’un hydrate. Si la molécule piégée dans la cage d’eau est un gaz, il s’agit d’un hydrate de gaz, en l’occurrence l’hydrate de méthane.
Les hydrates de méthane ne peuvent se former que dans des conditions physiques, chimiques et géologiques très spécifiques. Des pressions d’eau élevées et des températures basses offrent les meilleures conditions pour la formation d’hydrates de méthane

. En revanche, si l’eau est chaude, la pression de l’eau doit être très élevée afin de presser la molécule d’eau dans une cage de clathrate. Dans ce cas, l’hydrate ne se forme qu’à de grandes profondeurs. Si l’eau est très froide, les hydrates de méthane pourraient se former à des profondeurs moindres, voire à la pression atmosphérique. En pleine mer, où la température moyenne des eaux de fond est d’environ 2 à 4 degrés Celsius, les hydrates de méthane se forment à partir de 500 mètres de profondeur environ. 2.16 > L’hydrate de méthane ressemble à un morceau de glace lorsqu’il est remonté du fond de la mer. Ce morceau a été récupéré lors d’une expédition sur la « crête d’hydrates » au large de la côte de l’Oregon aux États-Unis.Étonnamment, il n’y a pas d’hydrate de méthane dans les régions océaniques les plus profondes, celles où les pressions sont les plus élevées, car il y a très peu de méthane disponible ici. La raison en est que le méthane dans l’océan est produit par des microbes au sein du fond marin qui décomposent la matière organique qui s’enfonce depuis la zone ensoleillée près de la surface.

La matière organique est composée, par exemple, des restes d’algues et d’animaux morts, ainsi que de leurs excréments. Dans les zones les plus profondes de l’océan, en dessous de 2000 à 3000 mètres environ, seule une très petite quantité de restes organiques atteint le fond car la plupart d’entre eux sont décomposés par d’autres organismes au cours de leur descente dans la colonne d’eau. En règle générale, on peut dire que seul 1 % environ de la matière organique produite à la surface aboutit en fait dans les profondeurs de la mer. Plus les fonds marins sont profonds, moins la matière organique se dépose sur le fond. Les hydrates de méthane se forment donc principalement sur les pentes continentales, c’est-à-dire les zones où les plaques continentales rencontrent les régions profondes. Là, il y a suffisamment de matière organique qui s’accumule sur le fond et la combinaison de la température et de la pression est favorable. Dans les régions très froides comme l’Arctique, les hydrates de méthane se produisent même sur le plateau continental peu profond (moins de 200 mètres de profondeur d’eau) ou sur la terre dans le permafrost, le sol arctique profondément gelé qui ne dégèle même pas en été. 2.17 > L’hydrate de méthane est présent dans tous les océans ainsi que sur terre. Les points verts montrent les occurrences dans les régions septentrionales du permafrost. Les occurrences identifiées par des méthodes géophysiques sont indiquées en rouge. Les occurrences indiquées par des points bleus ont été vérifiées par échantillonnage direct.On estime qu’il pourrait y avoir plus de combustible fossile potentiel contenu dans les hydrates de méthane que dans les réserves classiques de charbon, de pétrole et de gaz naturel. Selon le modèle mathématique employé, les calculs actuels de leur abondance se situent entre 100 et 530 000 gigatonnes de carbone. Des valeurs comprises entre 1000 et 5000 gigatonnes sont les plus probables. Cela représente environ 100 à 500 fois la quantité de carbone libérée chaque année dans l’atmosphère par la combustion du charbon, du pétrole et du gaz. Leur éventuelle exploitation future ne produirait vraisemblablement qu’une partie de cette quantité sous forme de combustible réellement utilisable, car de nombreux gisements sont inaccessibles, ou la production serait trop coûteuse ou demanderait trop d’efforts. Malgré cela, l’Inde, le Japon, la Corée et d’autres pays sont actuellement engagés dans le développement de techniques d’extraction afin de pouvoir utiliser les hydrates de méthane comme source d’énergie dans le futur (chapitre 7).

2.18 > Dans les hydrates, le gaz (grosse boule) est enfermé dans une cage formée par des molécules d’eau. Les scientifiques appellent ce type d’arrangement moléculaire un clathrate.

Hydrates de méthane et réchauffement climatique

Considérant que les hydrates de méthane ne se forment que dans des conditions très spécifiques, il est concevable que le réchauffement climatique, qui inclut de fait le réchauffement des océans, puisse affecter la stabilité des hydrates de gaz. Certains indices dans l’histoire de la Terre suggèrent que des changements climatiques dans le passé auraient pu conduire à la déstabilisation des hydrates de méthane et donc à la libération de méthane. Ces indications – y compris les mesures de la teneur en méthane dans les carottes de glace, par exemple – sont encore controversées. Pourtant, quoi qu’il en soit, la question est d’une grande actualité et présente un intérêt particulier pour les scientifiques soucieux de prévoir les impacts possibles d’une augmentation de la température sur les gisements actuels d’hydrates de méthane.
Le méthane est un puissant gaz à effet de serre, environ 20 fois plus efficace par molécule que le dioxyde de carbone. Une libération accrue de l’océan dans l’atmosphère pourrait intensifier encore l’effet de serre. Il est donc urgent d’étudier la stabilité des hydrates de méthane en fonction des fluctuations de température, ainsi que le comportement du méthane après sa libération.

2.19 > Les hydrates de gaz se produisent lorsqu’une quantité suffisante de méthane est produite par la dégradation de la matière organique dans le plancher océanique dans des conditions de basse température et de haute pression. Ces conditions se produisent principalement sur les marges continentales. Plus l’eau est chaude, plus les profondeurs d’eau doivent être importantes pour former l’hydrate. Au fond de la mer, cependant, la température est trop élevée pour la formation d’hydrates de méthane en raison de la chaleur interne de la Terre.

OxydationDe nombreuses bactéries utilisent le méthane pour fournir de l’énergie à leur métabolisme. Elles absorbent le méthane et le transforment chimiquement. Dans ce processus, le méthane libère des électrons et est ainsi oxydé. Certaines bactéries décomposent le méthane avec l’aide de l’oxygène. C’est ce qu’on appelle l’oxydation aérobie. D’autres bactéries n’ont pas besoin d’oxygène. Ce type d’oxydation est appelé anaérobie.

Diverses méthodes sont employées pour prédire l’évolution future. Elles comprennent notamment la modélisation mathématique. Les modèles informatiques calculent d’abord la quantité hypothétique d’hydrates de méthane dans les fonds marins à l’aide de données de base (teneur en matières organiques, pression, température). Ensuite, l’ordinateur simule le réchauffement de l’eau de mer, par exemple de 3 ou 5 degrés Celsius par 100 ans. De cette manière, il est possible de déterminer comment l’hydrate de méthane se comportera dans différentes régions. Les calculs des dépôts d’hydrates de méthane peuvent ensuite être couplés à des modèles mathématiques complexes du climat et de l’océan. Ces modèles informatiques permettent de se faire une idée générale de la force avec laquelle les hydrates de méthane se décomposeront selon les différents scénarios d’augmentation de la température. On suppose aujourd’hui que dans le pire des cas, avec un réchauffement constant de l’océan de 3 degrés Celsius, environ 85 % du méthane piégé dans les fonds marins pourrait être libéré dans la colonne d’eau.

D’autres modèles, plus sensibles, prévoient que les hydrates de méthane situés à de grandes profondeurs ne sont pas menacés par le réchauffement. Selon ces modèles, seuls les hydrates de méthane situés directement aux limites des zones de stabilité seraient principalement affectés. À ces endroits, une augmentation de la température de seulement 1 degré Celsius serait suffisante pour libérer de grandes quantités de méthane des hydrates. Les hydrates de méthane en haute mer, à environ 500 mètres de profondeur, et les dépôts dans les régions peu profondes de l’Arctique seraient principalement affectés.
Au cours du réchauffement de la Terre, on s’attend également à ce que le niveau de la mer augmente en raison de la fonte des calottes polaires et de la glace glaciaire. Il en résulte inévitablement une plus grande pression au niveau du fond de la mer. L’augmentation de la pression ne serait toutefois pas suffisante pour contrecarrer l’effet de l’augmentation de la température sur la dissolution des hydrates de méthane. Selon les derniers calculs, une élévation du niveau de la mer de dix mètres ne pourrait ralentir la dissolution des hydrates de méthane provoquée par un réchauffement d’un degré Celsius que de quelques décennies.
Un grand nombre de modèles mathématiques sont utilisés pour prévoir les conséquences du réchauffement climatique. Les résultats des simulations sont de même très variables. Il est donc difficile d’évaluer précisément les conséquences du réchauffement climatique sur les gisements d’hydrates de gaz, notamment en raison des grandes différences dans les calculs de la taille des gisements d’hydrates de gaz actuels. L’un des principaux objectifs de la recherche actuelle sur les hydrates de gaz est d’optimiser ces modèles en utilisant des paramètres d’entrée toujours plus précis. Pour y parvenir, de nouvelles mesures, expéditions, forages et analyses sont indispensables.

Extra InfoLes bactéries transforment le méthane

Que se passe-t-il lorsque l’hydrate de méthane fond ?

Tout le méthane libéré par les hydrates de méthane instables ne se retrouve pas dans l’atmosphère. La plus grande partie est susceptible d’être décomposée au cours de son ascension à travers les sédiments et dans la colonne d’eau. Cette décomposition est médiée par deux processus biologiques :

• l’oxydation anaérobie du méthane par des bactéries et des archées (anciennement appelées archéobactéries) au sein du plancher océanique ;
• l’oxydation anaérobie du méthane par des bactéries dans la colonne d’eau.

Lors de l’oxydation anaérobie du méthane dans les sédiments, les microbes utilisent le sulfate (SO42-), le sel de l’acide sulfurique présent en grande quantité dans l’eau de mer, pour la décomposition du méthane. Au cours de ce processus, le méthane est transformé en bicarbonate (HCO3-). Si le bicarbonate réagit ensuite avec les ions calcium (Ca2+) de l’eau de mer, il se forme du carbonate de calcium (CaCO3), qui reste stocké dans les fonds marins pendant de longues périodes. Ce serait la situation idéale, car elle rendrait inoffensif le puissant gaz à effet de serre qu’est le méthane (CH4). Dans le même temps, le sulfure d’hydrogène (H2S) est produit à partir du sulfate, ce qui fournit de l’énergie aux communautés chimiosynthétiques, dont les palourdes et les vers tubulaires symbiotiques. En revanche, lors de l’oxydation aérobie dans la colonne d’eau, les bactéries décomposent le méthane à l’aide d’oxygène (O2). Ce processus produit du dioxyde de carbone, qui se dissout dans l’eau. Le dioxyde de carbone contribue à l’acidification des océans. En outre, l’oxydation aérobie du méthane consomme de l’oxygène. L’épuisement de l’oxygène dans la colonne d’eau pourrait créer ou étendre des zones de minimum d’oxygène dans l’océan, ce qui constitue une menace pour les poissons et autres organismes sensibles. Selon des estimations approximatives, l’oxydation anaérobie et aérobie du méthane convertit actuellement ensemble environ 90 % du méthane produit dans les fonds marins avant qu’il ne puisse atteindre l’atmosphère. Plus le méthane migre lentement dans les fonds marins ou dans la colonne d’eau, plus les microbes sont efficaces pour le convertir. Une condition préalable à ce type de dégradation est que les molécules de méthane soient dissoutes dans l’eau. Le méthane ne peut être dégradé par les bactéries que sous cette forme. Si le méthane est libéré rapidement des hydrates, il pourrait s’élever sous forme de bulles de gaz qui ne sont pas accessibles aux micro-organismes. Le filtre microbien à méthane échouerait donc, au moins en partie, si les hydrates de méthane se décomposent très rapidement et que de grandes quantités de méthane sont libérées en une seule fois.
Il y a également un problème à faible profondeur, où les bulles de méthane ne peuvent pas se dissoudre complètement dans l’eau sur la courte distance entre le fond de la mer et l’atmosphère. Afin de mieux comprendre ces processus et de pouvoir faire des prédictions sur les fonctions des filtres microbiens, les chercheurs étudient actuellement les sources naturelles de méthane au fond de la mer, appelées suintements froids, qui libèrent constamment de plus grandes quantités de méthane. Il s’agit notamment des dépôts d’hydrates de gaz proches de la surface, des volcans de boue et des suintements de gaz naturel dans les régions marines peu profondes. Ces suintements constituent une sorte de modèle naturel permettant d’étudier le comportement du méthane dans l’océan. Si nous comprenons comment la nature réagit à ces suintements de méthane au fond de la mer, cela nous aidera à estimer les conséquences de rejets plus importants de méthane par les hydrates de gaz. Les données obtenues sur les suintements de méthane devraient également permettre d’améliorer la précision des simulations mathématiques des hydrates de méthane. 2.20 > De grandes quantités d’hydrates de méthane sont stockées non seulement dans les fonds marins, mais aussi sur terre, notamment dans le sol de pergélisol perpétuellement gelé de la toundra russe, comme ici dans la république russe de Komi. Les scientifiques craignent que les sols permafrost ne fondent en raison du réchauffement climatique et libèrent ainsi les hydrates de méthane.

La disparition des hydrates de méthane

pourraient avoir des conséquences fatales. Les hydrates de gaz agissent comme un ciment qui remplit les pores entre les fines particules de sédiments et stabilise les fonds marins. Si les hydrates de méthane se décomposent, la stabilité du fond marin est réduite en raison de l’absence de ciment et de la possible génération d’une surpression interstitielle. Dans le pire des cas, de grandes parties des marges continentales s’effondrent. Les glissements de terrain sous-marins qui en résultent peuvent provoquer de graves tsunamis.
Des mouvements de masse massifs se sont produits pendant la dernière période glaciaire et la déglaciation suivante. Le déclencheur n’a probablement pas toujours été le réchauffement de l’atmosphère, mais aussi l’inverse. Comme de grandes quantités d’eau étaient stockées dans la glace pendant la dernière période glaciaire, le niveau de la mer était environ 120 mètres plus bas qu’aujourd’hui. En particulier dans les régions océaniques peu profondes, la pression de l’eau était si faible que des quantités massives d’hydrates de méthane ont pu être déstabilisées. On n’a pas encore trouvé de preuves directes de telles ruptures de pente causées par la décomposition des hydrates de gaz. Il existe cependant des indices suggérant un processus dans le passé. On trouve presque toujours des signes de suintement de fluides à proximité des ruptures de pente. Ces pentes ont peut-être été déstabilisées par les gaz libérés par les hydrates de gaz et les liquides en décomposition. Toutefois, les chercheurs envisagent également la possibilité d’une relation inverse : il est concevable que les ruptures de pente et la réduction de la pression sur les sédiments sous-jacents qui en résulte aient provoqué la dissociation des hydrates de méthane sur les marges continentales, libérant ainsi de grandes quantités de gaz libre. Les effondrements auraient été la cause plutôt que le résultat de la fuite de gaz. Ces incertitudes soulignent la nécessité de poursuivre les recherches. Il est cependant à peu près certain que la disparition des hydrates de méthane pourrait entraîner de graves problèmes.

Les émissions de méthane de l’Arctique – un point de mire de la future recherche sur les hydrates de gaz

Dans le domaine de la recherche sur les émissions de méthane aujourd’hui, l’Arctique est l’une des régions les plus importantes au monde. On pense que le méthane y est présent à la fois sous forme d’hydrate de gaz dans la mer et sous forme de gaz libre piégé dans le permafrost profondément gelé. Les dépôts de méthane dans le pergélisol et les hydrates sont considérés comme très sensibles dans les régions expansives à plateau peu profond, car avec les pressions relativement faibles, il suffirait d’un petit changement de température pour libérer de grandes quantités de méthane. En outre, de nouvelles quantités de méthane sont produites en permanence car les régions arctiques sont riches en matières organiques qui sont décomposées par les microbes présents dans les sédiments. L’activité de ces microbes et donc les taux de libération biologique de méthane sont également stimulés par les augmentations de température. Les émissions de méthane dans l’Arctique ont donc des sources multiples. Des consortiums scientifiques internationaux réunissant des chercheurs de diverses disciplines – chimistes, biologistes, géologues, géophysiciens, météorologues – se penchent actuellement sur ce problème de manière intensive. Personne ne peut encore dire avec certitude comment la libération de méthane dans l’Arctique évoluera avec le réchauffement de la planète, que ce soit dans l’océan ou sur la terre. Cette recherche n’en est encore qu’à ses débuts.