Hydrate de méthane, un matériau semblable à de la glace fait de gaz naturel comprimé, brûle lorsqu'il est allumé et peut être trouvé dans certaines régions du fond marin et dans le pergélisol arctique.

Considéré comme la plus grande source de gaz naturel au monde, l'hydrate de méthane est une source potentielle de combustible, et s'il « fond » et que du méthane est libéré dans l'atmosphère, c'est un puissant gaz à effet de serre. Pour ces raisons, savoir où peut se trouver l'hydrate de méthane, et combien est probable là-bas, est important.

Une équipe de chercheurs des Sandia National Laboratories et du U.S. Naval Research Laboratory a développé un nouveau système pour modéliser la probabilité de trouver de l'hydrate de méthane et du méthane gazeux qui a été testé dans une région du fond marin au large des côtes de la Caroline du Nord.

Bien que des dépôts d'hydrate de méthane aient été trouvés à divers endroits, il existe d'importantes inconnues quant à la quantité d'hydrate de méthane présente sur le fond marin et où. Il est difficile de prélever des échantillons du fond marin pour trouver des dépôts d'hydrate de méthane. C'est là qu'intervient l'expertise de Sandia en modélisation informatique.

"C'est la première fois que quelqu'un est capable d'aborder la distribution de l'hydrate de méthane de la même manière que nous abordons les prévisions météorologiques, " a déclaré Jennifer Frederick, un géoscientifique computationnel et chercheur principal sur le projet. « Quand vous entendez une prévision météorologique pour 60 % de chances de deux pouces de pluie, vous ne vous attendez pas nécessairement à exactement deux pouces. Vous comprenez qu'il y a de l'incertitude dans cette prévision, mais c'est quand même très utile. Dans la plupart des endroits du fond marin, nous n'avons pas assez d'informations pour produire une réponse exacte, mais nous avons encore besoin de savoir quelque chose sur le méthane et sa distribution. En utilisant une approche probabiliste, similaire à la prévision météorologique moderne, nous pouvons fournir des réponses utiles.

Le nouveau système combine l'expertise de longue date de Sandia en modélisation probabiliste avec des algorithmes d'apprentissage automatique du Naval Research Laboratory. Le système a été testé et affiné en modélisant la zone autour de Blake Ridge, une colline sur le fond marin de 90 à 230 miles au sud-est des Outer Banks de Caroline du Nord avec des gisements connus d'hydrate de méthane et de gaz méthane.

L'équipe a partagé son modèle pour Blake Ridge et l'a comparé aux données empiriques précédentes dans un article publié le 14 mars dans la revue scientifique Géochimie, Géophysique, Géosystèmes .

« Prévision » du méthane en combinant la modélisation de l'incertitude avec l'apprentissage automatique

Le modèle global prédictif du fond marin du Naval Research Laboratory fournit des détails spécifiques au site sur les propriétés du fond marin, comme la température, concentration et pression globales en carbone. Si des données sont manquantes pour une certaine région, le modèle du Naval Research Laboratory utilise des algorithmes avancés d'apprentissage automatique pour estimer la valeur manquante en fonction d'informations sur une autre zone qui peut être géographiquement éloignée mais similaire sur le plan géologique.

L'équipe de recherche a importé les données du modèle du Naval Research Laboratory dans le logiciel Sandia spécialisé dans l'échantillonnage et l'analyse statistiques, appelé Dakota. En utilisant Dakota, ils ont déterminé la valeur la plus probable pour les propriétés influentes du fond marin, ainsi que la variation naturelle des valeurs. Puis, de manière statistique, ils ont inséré une valeur de cette plage attendue pour chaque propriété dans PFLOTRAN, un autre logiciel maintenu et développé chez Sandia. PFLOTRAN modélise la façon dont les produits chimiques réagissent et les matériaux se déplacent sous terre ou sous le fond marin. L'équipe a mené des milliers de simulations de production de méthane dans la région de Blake Ridge. Tous les logiciels impliqués dans le système sont open source et seront disponibles pour d'autres chercheurs océanographiques.

"L'une des plus grandes choses que nous ayons trouvées est qu'il n'y a presque pas de formation d'hydrates de méthane à moins de 500 mètres de profondeur, ce qui est prévisible compte tenu de la température et de la pression nécessaires pour former l'hydrate de méthane, " dit William Eymold, stagiaire postdoctoral à Sandia et auteur principal de l'article. L'hydrate de méthane solide est connu pour se former à basse température, environnements à haute pression où les molécules de méthane sont piégées dans des molécules d'eau bien organisées.

L'équipe a également découvert que du méthane s'était formé plus près du rivage. Ils ont pu comparer leur modèle aux valeurs d'hydrate de méthane calculées par des études antérieures et des échantillons collectés il y a quelques décennies par l'Ocean Drilling Program de la National Science Foundation, il a dit. Par exemple, de l'hydrate de méthane a été détecté dans un échantillon de fond marin prélevé dans un trou foré sur Blake Ridge appelé Site 997.

"Le fait que nous ayons prédit la formation d'hydrate de méthane dans des quantités similaires aux études et observations passées a vraiment montré que le système semble fonctionner assez bien, et nous pourrons l'appliquer à d'autres emplacements géographiques qui peuvent avoir moins de données, " a déclaré Eymold.

Importance du méthane pour la Marine et prochaines étapes

L'emplacement des dépôts d'hydrate de méthane et de gaz méthane près du fond marin est important pour la Marine.

« Comprendre comment le son interagit avec le fond marin est vraiment important pour tout type d'opération navale, " a déclaré Frederick. " Le gaz méthane affecte considérablement l'acoustique. Même si seulement 1% ou 2% de l'espace poreux dans les sédiments du fond marin est rempli d'une bulle de gaz, la vitesse du son diminue au centuple, ou plus. C'est un très grand effet, et si vous ne le comptez pas correctement, alors vous n'obtiendrez pas une acoustique précise."

Frederick a comparé un sous-marin utilisant un sonar au premier jeu d'arcade Breakout, où un joueur déplace une pagaie horizontalement afin de faire rebondir une balle pour détruire un mur de briques. Dans cette analogie, le fond marin sert de "pagaie" pour réfléchir ou réfracter les ondes sonores, ou la "balle, " afin d'avoir une vue complète des obstacles dans l'océan. Si la pagaie a commencé à faire rebondir la balle différemment - ou a tenu la balle pendant des durées variables - en fonction de l'endroit où se trouvait la pagaie, le jeu deviendrait beaucoup plus difficile.

Jusque là, l'équipe a utilisé leur système pour créer des modèles d'une région de la mer de Norvège entre le Groenland et la Norvège et les eaux peu profondes de l'océan Arctique au large du versant nord de l'Alaska, deux domaines d'intérêt pour la Marine.

Frederick a également travaillé avec une grande équipe d'experts internationaux pour évaluer la quantité de méthane et de dioxyde de carbone stockée dans les fonds marins arctiques peu profonds, et à quel point ces dépôts seraient sensibles à la hausse des températures.

L'équipe a également créé un modèle beaucoup plus grossier du globe entier et a commencé à regarder le milieu de l'Atlantique, où du méthane a été aperçu en train de jaillir du fond marin il y a quelques années.

« Il sera intéressant de voir si notre modèle est capable de prédire ces régions de suintements de méthane sur le fond marin, " a déclaré Frederick. "Nous aimerions voir si nous pouvons prédire la distribution de ces suintements de méthane et s'ils sont compatibles avec les propriétés thermodynamiques de la stabilité de l'hydrate de méthane. Quand vous voyez un suintement, cela signifie qu'il y a beaucoup de gaz sous le fond marin. Cela aura un impact significatif sur la façon dont le son se propage à travers le fond marin, et donc sonar. Aussi, ces gisements pourraient être une source de gaz naturel pour la production d'énergie, aura un impact sur l'écologie océanique et les cycles des nutriments, et si ce gaz atteint l'atmosphère, cela aura des implications sur le changement climatique."