Caractérisation géophysique des glissements et sorties de fluides pleistocènes-actuel de la province centrale de l'éventail profond du nil

II.2. Définition et identification des volcans de boue

Par définition, le volcan de boue ou << marée de boue » est une accumulation boueuse (contenant souvent de l'eau acide ou salée), de forme conique, engendré par une éruption des gaz (principalement du méthane, mais également du CO2 et de l'Azote) (fig. 6). Les volcans de boue peuvent être observés sur le continent et dans les fonds marins, surtout au niveau des zones tectoniquement actives, mais aussi dans des zones où l'on observe une accumulation importante de sédiments terrigènes (8-22 km d'épaisseur) présentant des niveaux plastiques sous compactés (Kvenvolden et al., 1993). Leur identification n'est pas facile et nécessite la combinaison des méthodes géophysiques et géologiques. Selon ce même auteur, on doit tenir compte de deux critères pour bien identifier les volcans de boues :

a. La topographie locale doit présenter un cratère et une ou des coulées de boue.

b. Les sédiments associés à ces volcans doivent être désorganisés, riches en clastes arrachés à l'encaissant et éventuelle empreints de traces de gaz (structure en << mousse », odeur de méthane).

Les plus grands volcans de boue peuvent atteindre 10 km de diamètre et atteignent 700 mètres de hauteur.

Depuis plus de trois siècles, le volcan de boue (Fig. 6) était le seul moyen permettant de comprendre le volcanisme d'origine géodynamique.

Figure 6 : Des volcans de boue

a - Eruption Du Volcan Merapi (île de Java, Indonosie) en Juin 2006

(De la boue à haute température jaillit du sol, accompagnée de gaz Toxiques)

b - Volcan de boue (Wyoming) (source : www.futura-sciences.com)

c - Volcan de boue d'Azeri, Azerbaijan (source : news.bbc.co.uk)

II.3. Définition et identification des hydrates de gaz ou clathrates

II.3.1 Les hydrates de gaz

Ce sont des molécules de gaz (comme le méthane) entourées par un réseau de molécules d'eau disposées en cage, d'où le nom de clathrate, du latin clatatrus qui veut dire encapsulé.

Les clathrates sont des structures solides, stables, ressemblant à de la glace et qui en fondant libèrent à la fois de l'eau et du méthane qui peut alors s'enflammer (fig. 7b). En d'autres termes, ce sont des composés de molécules de glace organisées en cages, qui piègent des molécules de gaz (Sloan, 1998). Sur cette photographie prise à bord de L'Atalante (campagne ZaïROV), on observe le 'dégel' de l'hydrate. A l'approche de l'allumette, le méthane libéré s'enflamme. Ces hydrates de gaz se forment sous forte pression et à basses températures. Ils pourraient notamment avoir été engendrés par la décomposition de matière organique enfouie dans les sédiments.

Figure 7 : Echantillons des hydrates de gaz

Dans la nature, les hydrates de gaz (HG) sont stables dans certaines conditions de température et de pression, qui sont celles de l'offshore profond (au-delà de 300 mètres de profondeur d'eau) pour les marges continentales situées à moyenne ou basse latitude, comme c'est le cas pour la marge atlantique de l'Europe ou de l'Afrique. Sous des conditions de pression et de température appropriées, ces molécules de méthane peuvent se trouver emprisonnées dans des cages cristallines de glace, et leur dissociation semble être à l'origine d'importants glissements sous-marins (Bouriak et al., 2000). D'importantes accumulations d'hydrates de gaz sous-marines ont été identifiées au large du Japon, dans la zone du Blake Ridge au large de la côte est des Etats-Unis, sur la marge continentale de Cascadia au large de Vancouver en ColombieBritannique au Canada, au large de la Nouvelle Zélande (Petersonn eet al., 2007) et dans la marge atlantique de l'Europe ou de l'Afrique (fig. 8). Les hydrates de gaz se forment également à proximité des terres, dans les zones de pergélisol en raison des températures dominantes très basses. Des gisements d'hydrates de gaz en pergélisol ont été découverts en Sibérie occidentale et sur le versant nord de l'Alaska (Sues et al., 1999).

Figure 8: Localisation des gisements d'hydrates de gaz dans le monde

La zone de stabilité des hydrates s'étend du fond de la mer à une profondeur maximale dans les sédiments qui est dictée principalement par les conditions de température ambiantes. Audelà d'une certaine profondeur, la température devient trop élevée. En pratique, les hydrates de gaz sont presque toujours rencontrés à partir des 300 premiers mètres sédimentaires sous le fond de la mer (sauf en Méditerranée où les températures de fond atteignent 13°C) et donc vers 2000 m de fond (fig. 9). Ils ont été mis en évidence lors de nombreux forages du programme de forage scientifique international ODP (Ocean Drilling program).

Figure 9: Domaine de stabilité des hydrates de gaz (le méthane) (source: www.ggl.ulaval.ca)

Deux modèles ont été proposés en ce qui concerne l'origine du gaz qui constitue les hydrates : - il est généré localement (in situ) ;

- il provient d'une zone plus profonde que la zone de stabilité des hydrates.

Dans la première hypothèse il est nécessaire qu'une quantité considérable de méthane biogénique soit produite pour atteindre la concentration minimale (85 à 90 mmoles/L) qui permet la formation des HG, ce qui implique la présence de gaz libre piégé sous la couche

d'hydrates. Dans la deuxième hypothèse des fluides (eau+gaz) migrent d'une zone plus profonde vers la zone de stabilité des hydrates, ce qui implique donc nécessairement la présence du gaz en dessous de la couche d'hydrates. En effet, le diagramme de phase des HG (fig. 7) permet de suivre la trajectoire d'un volume de fluides qui remontent et qui se transforment en HG sans passer par la phase gazeuse (Hyndman and Davis, 1992).

Figure 10 : Diagramme de phase des HG (Hyndman and Davis, 1992)

Sur ce diagramme, la ligne continue montre la trajectoire à pression constante (20 MPa) en utilisant l'équation d'état de Trebble-Bishnoi. La ligne en pointillée représente la décroissance de la solubilité du méthane à la température qui permet la formation des hydrates (18 °C environ).

Les critères de stabilité des hydrates de gaz se rencontrent théoriquement au niveau de la plupart des pentes continentales et rides sous-marines. Les hydrates de gaz, de par leurs conditions de stabilité (faibles températures, hautes pressions), sont les plus communs dans deux régions du globe : les régions polaires et les régions océaniques profondes.

Dans les premières, ils sont souvent associés aux pergélisols, dans les sédiments continentaux à terre et dans les sédiments des plateaux continentaux en mer. Dans les régions océaniques profondes, ils sont présents au niveau des marges continentales externes, dans les sédiments de pentes et de rides continentales où des eaux froides profondes sont présentes (Lafoy et Auzende, 2000).

Les hydrates de gaz ont en outre été décrits dans les sédiments marins depuis les années 1970 (Markl et al., 1970) par la présence d'un réflecteur sismique particulier, situé à distance constante du fond et parallèle et sous-jacent à ce dernier, appelé BSR (Bottom Simulating Reflector) (fig. 11). C'est un réflecteur qui marque la base du domaine de stabilité des hydrates de gaz. Il représente l'interface entre les sédiments contenant des gaz libres et l'hydrate de gaz. Il est aussi considéré comme le principal indicateur de la présence des hydrates de gaz sur les marges continentales. Sur un profil sismique, le BSR prend généralement l'allure du fond marin avec une distance généralement constante et coupe les réflecteurs sédimentaires (C. J. Peterson et al., 2007).

Figure 11: Identification d'un BSR sur un profil sismique
(source: woodshole.er.usgs.gov)

La signature sismique de la base de la zone des hydrates de gaz est caractéristique, avec une polarité inverse de réflexion (l'inverse de celle du fond de l'océan). Elle correspond à l'interface entre des formations à fortes vitesses qui en surmontent d'autres à faibles vitesses de propagation. Une quantité substantielle de gaz doit être présente sous les hydrates pour expliquer le contraste de vitesse à l'origine du BSR. Là où l'amplitude du BSR est faible, la zone d'accumulation de gaz sous-jacente est peu épaisse à absente. Parfois, la présence d'hydrates n'est pas soulignée par un BSR marqué, lorsqu'une quantité minimum de gaz est absente sous la base de la zone de stabilité des hydrates. Le BSR présente une forte discontinuité latérale. Si les BSR ont été observés sur beaucoup de marges continentales, les hydrates de gaz ont, par contre, rarement été échantillonnés (Lafoy et Auzende, 2000).

Il existe des cas où des BSR ne sont pas observés : dans de nombreux exemples d'hydrates prélevés lors de forages ou sur certains profils sismiques indiquant la présence des hydrates, par conséquent, on ne peut pas conclure que l'absence de BSR signifie l'absence d'hydrates. Lors de la campagne HYDRATECH en juin 2002 du navire océanographique « Le Suroît », la présence d'hydrates de gaz (hydrates de méthane) est révélée par l'observation de réflecteurs sismiques BSRs (Bottom Simulating Reflectors) caractéristiques du fort contraste d'impédance acoustique qui marque la limite hydrate solide (au-dessus) - méthane gazeux (endessous).