Méthane, principal composant du gaz naturel, est la combustion la plus propre de tous les combustibles fossiles, mais lorsqu'il est émis dans l'atmosphère, c'est un gaz à effet de serre beaucoup plus puissant que le dioxyde de carbone. Selon certaines estimations, le méthane des fonds marins contenu dans les formations gelées le long des marges continentales peut être égal ou supérieur à la quantité totale de charbon, huile, et du gaz dans tous les autres réservoirs du monde. Encore, la façon dont le méthane s'échappe de ces formations profondes est mal connue.

En particulier, les scientifiques ont été confrontés à une énigme. Des observations sur des sites du monde entier ont montré de vigoureuses colonnes de méthane bouillonnant de ces formations à certains endroits, pourtant, la haute pression et la basse température de ces environnements d'eau profonde devraient créer une couche gelée solide qui devrait agir comme une sorte de pierre angulaire, empêchant le gaz de s'échapper. Alors, comment sort le gaz ?

Une nouvelle étude permet d'expliquer comment et pourquoi des colonnes de gaz peuvent s'échapper de ces formations, appelés hydrates de méthane. En utilisant une combinaison d'observations en haute mer, expériences en laboratoire, et modélisation informatique, les chercheurs ont découvert des phénomènes qui expliquent et prédisent la façon dont le gaz se libère de l'emprise glacée d'un mélange gelé d'eau et de méthane. Les résultats sont rapportés aujourd'hui dans le journal PNAS , dans un article de Xiaojing (Ruby) Fu SM '15, doctorat '17, maintenant à l'Université de Californie à Berkeley; le professeur Ruben Juanes au MIT; et cinq autres en Suisse, Espagne, Nouveau Mexique, et la Californie.

Étonnamment, non seulement la formation d'hydrates gelés n'empêche pas le méthane de s'échapper dans la colonne océanique, mais dans certains cas, cela facilite en fait cette évasion.

Tôt, Fu a vu des photos et des vidéos montrant des panaches de méthane, prise d'un navire de recherche de la NOAA dans le golfe du Mexique, révélant le processus de formation de bulles au fond de la mer. Il était clair que les bulles elles-mêmes se formaient souvent avec une croûte gelée autour d'elles, et flotteraient vers le haut avec leurs coquilles glacées comme de minuscules ballons à l'hélium.

Plus tard, Fu a utilisé un sonar pour détecter des panaches de bulles similaires à partir d'un navire de recherche au large des côtes de Virginie. "Cette croisière à elle seule a détecté des milliers de ces panaches, " dit Fu, qui a dirigé le projet de recherche alors qu'il était étudiant diplômé et postdoctoral au MIT. "Nous pourrions suivre ces bulles de méthane incrustées de coquilles d'hydrates dans la colonne d'eau, " dit-elle. " C'est à ce moment-là que nous avons su pour la première fois que la formation d'hydrates sur ces interfaces gazeuses peut être un phénomène très courant. "

Mais ce qui se passait exactement sous le fond marin pour déclencher la libération de ces bulles restait inconnu. Grâce à une série d'expériences et de simulations en laboratoire, les mécanismes à l'œuvre sont progressivement apparus.

Les études sismiques du sous-sol du fond marin dans ces régions de ventilation montrent une série de conduits relativement étroits, ou cheminées, par lequel le gaz s'échappe. Mais la présence de morceaux d'hydrate de gaz provenant de ces mêmes formations a clairement montré que l'hydrate solide et le méthane gazeux pouvaient coexister, Fu explique. Pour simuler les conditions du laboratoire, les chercheurs ont utilisé une petite configuration bidimensionnelle, prise en sandwich d'une bulle de gaz dans une couche d'eau entre deux plaques de verre sous haute pression.

Alors qu'un gaz essaie de s'élever à travers le fond marin, Fu dit, s'il forme une couche d'hydrate lorsqu'il touche l'eau de mer froide, qui devrait bloquer sa progression :« Il se heurte à un mur. Alors, comment ce mur ne l'empêcherait-il pas de continuer à migrer ? En utilisant les expériences microfluidiques, ils ont découvert un phénomène jusqu'alors inconnu au travail, qu'ils ont surnommé le doigté crustal.

Si la bulle de gaz commence à se dilater, "Ce que nous avons vu, c'est que l'expansion du gaz a pu créer suffisamment de pression pour rompre essentiellement la coquille d'hydrate. Et c'est presque comme s'il sortait de sa propre coquille, " dit Fu. Mais au lieu de geler chaque rupture avec l'hydrate de reformage, la formation d'hydrate a lieu le long des côtés de la bulle montante, créant une sorte de tube autour de la bulle lorsqu'elle se déplace vers le haut. "C'est presque comme si la bulle de gaz était capable de se frayer un chemin, et ce chemin est muré par l'hydrate solide, " dit-elle. Ce phénomène qu'ils ont observé à petite échelle en laboratoire, leur analyse suggère, est également ce qui se produirait également à une échelle beaucoup plus grande dans le fond marin.

Cette observation, elle a dit, "C'était vraiment la première fois que nous étions conscients d'un phénomène comme celui-ci qui pourrait expliquer comment la formation d'hydrates n'inhibera pas le flux de gaz, mais plutôt dans ce cas, ça le faciliterait, " en fournissant un conduit et en dirigeant le flux. Sans cette focalisation, le flux de gaz serait beaucoup plus diffus et étalé.

Au fur et à mesure que la croûte d'hydrate se forme, il ralentit la formation de plus d'hydrate car il forme une barrière entre le gaz et l'eau de mer. Le méthane en dessous de la barrière peut donc persister dans son dégel, forme gazeuse pendant longtemps. La combinaison de ces deux phénomènes - l'effet de focalisation des canaux à paroi d'hydrate et la ségrégation du méthane gazeux de l'eau par une couche d'hydrate - " contribue grandement à expliquer pourquoi vous pouvez avoir une partie de cette ventilation vigoureuse, grâce à la formation d'hydrates, plutôt que d'en être empêché, " dit Juanes.

Une meilleure compréhension du processus pourrait aider à prédire où et quand de tels suintements de méthane seront trouvés, et comment les changements dans les conditions environnementales pourraient affecter la distribution et la production de ces suintements. Bien qu'il y ait eu des suggestions selon lesquelles un réchauffement climatique pourrait augmenter le taux d'une telle ventilation, Fu dit qu'il y a peu de preuves de cela jusqu'à présent. Elle note que les températures aux profondeurs où ces formations se produisent-600 mètres (1, 900 pieds) de profondeur ou plus - devraient connaître une augmentation de température plus faible que ce qui serait nécessaire pour déclencher une libération généralisée du gaz gelé.

Certains chercheurs ont suggéré que ces vastes formations de méthane sous-marine pourraient un jour être exploitées pour la production d'énergie. Bien qu'il y ait de grands obstacles techniques à une telle utilisation, Juanes dit, ces résultats pourraient aider à évaluer les possibilités.

"Le problème de la façon dont le gaz peut se déplacer à travers la zone de stabilité des hydrates, où l'on s'attendrait à ce que le gaz soit immobilisé en étant converti en hydrate, et au lieu de s'échapper au fond de la mer, n'est toujours pas bien compris, " dit Hugh Daigle, professeur agrégé d'ingénierie pétrolière et des géosystèmes à l'Université du Texas à Austin, qui n'a pas été associé à cette recherche. "Ce travail présente un nouveau mécanisme probable qui pourrait vraisemblablement permettre à ce processus de se produire, et intègre parfaitement les observations de laboratoire précédentes avec la modélisation à plus grande échelle. »

« D'un point de vue pratique, le travail ici prend un phénomène à petite échelle et nous permet de l'utiliser dans un modèle qui ne considère que des échelles plus grandes, et sera très utile pour la mise en œuvre dans les travaux futurs, " dit Daigle.