Étude géochimique d'hydrates de gaz sédimentaires : influence de la matrice sur les mécanismes de formation et sur la capacité de stockage de gaz, et application au système à hydrates du secteur Roumain de la mer Noire

Geochemical study of hydrate-bearing sediments : Impacts of the sediment on the formation mechanisms and the gas storage capacity, and application to the hydrate system of the Romanian sector of the Black Sea.

• Auteur / Autrice : Art-Clarie Constant Agnissan
• Direction : Arnaud Desmedt
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie Physique
• Date : Soutenance le 26/06/2023
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences chimiques (Talence, Gironde ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des Sciences Moléculaires (Bordeaux)
• Jury : Président / Présidente : Laurent Michot
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Livio Ruffine, Emmanuelle Ducassou, Olivia Fandino
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Anh-Minh Tang, Ana Alexandra Dos Santos Nicolau Esteves Cameirão

Mots clés

Mots clés contrôlés

Spectroscopie Raman

Sédiments marins -- Teneur en composés organiques

Mer Noire

Hydrates de gaz naturel

Mots clés libres

Hydrates de méthane

Sédiment/argiles

Expérimentations haute-pression

Capacité de stockage

Analyses géochimiques

Spectroscopie Raman

Mer Noire

Methane hydrates

Sediment/Clays

High pressure experiments

Storage capacity

Geochemical analysis

Raman Spectroscopy

Black Sea

Résumé

Les hydrates de gaz naturels se trouvent dans le pergélisol des régions polaires et dans les sédiments marins le long des marges continentales. Ils représentent le plus important réservoir de méthane sur terre en raison de leur grande capacité de stockage en gaz. Les préoccupations environnementales concernant ces composés naturels ont trait à la quantité de méthane qu'ils peuvent libérer et à son devenir. Une connaissance approfondie des processus de formation des hydrates dans leurs environnements sédimentaires naturels, est essentielle pour apporter des réponses fiables à cet enjeu. A l’instar de la majorité des systèmes naturels, les hydrates de la marge continentale Roumaine de la mer Noire sont contenus dans des sédiments argileux. Cependant, les mécanismes de formation des hydrates dans ces matrices complexes restent encore mal compris. Par ailleurs, les récentes études dans ce secteur ont montré que la décomposition actuelle des hydrates entraine l’émission de méthane dans la colonne d’eau.Ce projet doctoral propose d’améliorer notre compréhension sur les processus de distribution des hydrates de gaz dans les sédiments argileux du secteur Roumain, et d’évaluer la quantité de méthane stocké dans ces accumulations. Pour cela, il se base sur une approche pluridisciplinaire et multi-échelles. La formation d’hydrates de méthane a été réalisée en laboratoire en reproduisant au mieux les conditions naturelles de la Mer Noire. Les résultats ont montré que la teneur en argile et sa nature affectent de manière significative la cinétique de formation des hydrates ainsi que leur morphologie. Des analyses fines par spectroscopie Raman, d'échantillons d'hydrates synthétiques et naturels collectés en mer Noire, ont mis en évidence l'influence de la minéralogie des sédiments sur le taux de remplissage du méthane dans les cages des hydrates, et donc sur la capacité de ces derniers à stocker du gaz. De plus, des analyses géochimiques réalisées sur les eaux interstitielles prélevées sur des carottes de la zone d’étude, ont permis d’étudier les processus géochimiques impliquant le méthane et leurs relations avec la distribution des hydrates de gaz. La synthèse de tous ces résultats ont conduit à une meilleure compréhension de la dynamique du système étudié et à l’estimation du volume de gaz piégé dans les hydrates du secteur Roumain.

Natural gas hydrates are widely distributed in both permafrost regions and marine sediments along the continental margins. They represent the largest methane reservoir on earth because of their high gas storage capacity. Societal and environmental concerns surrounding these natural compounds pertain to the amount of methane they may release and its fate. In-depth knowledge of hydrate formation processes in their natural sedimentary environment are essential to provide reliable answers to these questions. Like most of natural systems, hydrates deposits of the Romanian margin of the Black Sea are encountered in clayey sediments. However, the mechanisms of hydrate formation in such complex matrices are still poorly understood. Moreover, recent studies in this area showed that a progressive influx of salt water into the sediments triggered the destabilization of shallow gas hydrates, releasing methane in the water column.This PhD project proposes to improve our understanding of the distribution processes of gas hydrates in the clayey sediments of the Romanian sector, and to assess the amount of methane stored in these accumulations. It is based on a multidisciplinary and multiscale approach. Methane hydrates formation was carried out in laboratory by reproducing as well as possible natural conditions of the Black Sea (sediment mineralogy and water saturation). The results showed that clay content and clay mineralogy significantly affect the kinetics of hydrate formation as well as the hydrate morphology. Fine micro-scale analyses by Raman spectroscopy, of both synthetic and natural hydrate samples collected in the Black Sea, highlighted the influence of sediment mineralogy on the cage occupancy of hydrates, and thus on their gas storage capacity. In addition, geochemical analyses of pore waters collected from cores in the study area, have allowed the study of geochemical processes involving methane and their interplays with the distribution of gas hydrates. The synthesis of all these results led to a better understanding of the dynamics of the studied system and to the estimation of the volume of gas trapped in hydrates deposit of the Romanian sector.