Méthane abiotique enflammé et serpentinite du site de la Chimère, Cirali, Turquie

Pierre Thomas

ENS Lyon - Laboratoire de Géologie de Lyon

Olivier Dequincey

ENS Lyon / DGESCO

27/01/2014

Résumé

Synthèse abiotique et dégagements de méthane dans un massif de serpentinite, ophiolites de Tekirova, Turquie.


Figure 1. Dégagement enflammé de méthane sur le site dit de la Chimère, Cirali, Sud de la Turquie

Ce dégagement de méthane est l'un des nombreux points de sortie de gaz inflammables qui brûlent spontanément (et qui sont rallumés par les touristes si un fort coup de vent venait à les éteindre) en sortant d'une fissure traversant la roche nue : une serpentinite, de couleur vert sombre et parcourue de nombreux filons carbonatés blancs.


Figure 2. Gros plan sur la serpentinite qui affleure autour de la sortie enflammée de méthane, Cirali, Turquie

On voit de façon spectaculaire le fond vert foncé de la roche qui semble être une brèche tectonique parcourue par de multiples filons de carbonates (de calcium et/ou de magnésium).


Figure 3. Vue d'ensemble des multiples sorties de méthane enflammé sur le site de la Chimère, Cirali, Turquie

Il y a en tout une cinquantaine de points de sortie répartis sur environ 5000 m2 et dont une vingtaine brûlent régulièrement. La masse totale de méthane s'échappant par les points de sorties est évaluée entre 150 et 200 tonnes/an. Un groupe de professeurs de SVT en excursion géologique donne l'échelle.


Les dégagements de méthane et autres gaz inflammables de la Chimère, près de Cirali, en Lycie, au Sud de la Turquie, sont connus et continus depuis l'Antiquité ; ils ont été décrits, entre autres, par Pline l'Ancien. Entre 150 et 200 tonnes de gaz inflammables s'échappent annuellement et brûlent sur un substrat rocheux dépourvu de sol, substrat formé de serpentinite. Les points de sortie de ces gaz sont dispersés sur une surface d'environ 5000 m2. D'autres sorties plus faibles, plus diffuses et non enflammées existent quelques kilomètres plus au Sud.

Les sources naturelles de méthane abondent à la surface de la Terre. Celles du Proche Orient et d'autres régions pétrolières ou gazières sont bien connues, comme celles sortant en plein Los Angeles (cf. Source d'hydrocarbures à La Brea Tar Pits en plein centre de Los Angeles (Californie) ). D'autres, françaises, sont moins connues (sans doute justement parce qu'elles sont en France et que les curiosités géologiques ne sont pas mises en valeur dans notre pays) comme les « Fontaines Ardentes » qui brûlent au pied du Vercors ou de la Chartreuse dans l'Isère (cf. La Fontaine Ardente du Dauphiné (Commune du Gua, Isère) : une source naturelle de méthane ). Tout le méthane de ces « sources usuelles » a la(les) même(s) origine(s) : il s'agit de méthane directement ou indirectement biogénique. Le méthane directement biogénique est issu de fermentation bactérienne de matière organique souterraine ; des "super feux follets" en quelque sorte. La majorité des sorties naturelles de méthane n'ont qu'une origine indirectement biogénique : le méthane provient de la diagenèse et du cracking thermique de kérogène, pétrole ou charbon, matières organiques d'origine biologique sédimentées, préservées de l'oxydation et subissant un enfouissement et donc une augmentation de pression et de température.

Est-ce là l'origine des dégagements de méthane de La Chimère ?

La Chimère se situe dans un massif ophiolitique, essentiellement péridotitique. Ces roches, non sédimentaires, ne contiennent pas, a priori , de matière organique fermentescible ou susceptible de donner du méthane par cracking thermique. Mais la Chimère est située juste à côté du contact tectonique séparant l'ophiolite de roches sédimentaires permo-triasiques (surtout triasiques dans les environs immédiats). Peut-être le méthane viendrait-il de ces roches sédimentaires et aurait de ce fait une origine "banale" ?

Figure 4. Contexte géologique du site de la Chimère, Cirali, Turquie

La zone sans sol par où s'échappe le méthane correspond à la petite tache blanche au bout de la flèche. Ces dégagement de méthane sont très près de la limite tectonique entre le massif péridotitique (à droite) et les roches sédimentaires carbonatées d'âge permo-triasique (à gauche).


Figure 5. Paysage caractéristique de la région de la Chimère (Sud de la Turquie)

Le site de la Chimère se situe juste derrière la crête formant l'avant-dernier plan de la photo.

On peut noter la patine rougeâtre des affleurements, tout à fait caractéristique de l'altération des péridotites sous climats tempérés et méditerranéens, ce qu'on peut voir par exemple dans les Pyrénées (à Lers), dans les Alpes là où affleurent des ophiolites quand elles sont situées à des altitudes pas trop élevées.


On peut avoir une idée de l'origine de ce gaz en étudiant sa composition : CH4≈87%, H2≈10 %, N2≈2%, CO2≈0,5% et autres hydrocarbures (de C2 à C6) ≈0,5%. L'abondance d'H2 et les proportions des différents hydrocarbures (de C1 à C6) sont inhabituelles pour du gaz biogénique. Le δ13C est élevé (≈-10), beaucoup plus élevé que celui de la matière organique d'origine biogénique (en général de -30 à -40).

Tout semble indiquer que ces gaz n'ont pas une origine biogénique.

On connaît aussi des dégagements de méthane abiotique, beaucoup moins nombreux, du moins à l'air libre. Les principaux sont situés sous les mers, au niveau de sources hydrothermales, surtout celles situées sur les fonds océaniques péridotitiques. Très souvent, du di-hydrogène est associé au méthane, ainsi qu'à d'autres hydrocarbures plus lourds. Ces dégagements étaient connus depuis longtemps (depuis la découverte des dorsales et de l'analyse des gaz dissous dans les eaux des environs), mais les géologues n'ont compris leur importance qu'avec la découverte (en décembre 2000) de Lost City , un champ hydrothermal actif sur le fond océanique péridotitique de l'Atlantique, champ hydrothermal situé à 15 km de l'axe de la dorsale (cf. Proskurowski et al. , 2008). Bien d'autres champs identiques ont été découverts depuis.

Quelles sont les réactions produisant méthane, autres hydrocarbures et hydrogène natif (H2) au niveau ou au voisinage des dorsales, surtout des dorsales sans magmatisme ? Ces réactions chimiques peuvent être décomposées en deux phases.

Il s'agit tout d'abord de l'action (à relativement haute température) de l'eau sur l'oxyde ferreux (FeO), ce qui produit de la magnétite (Fe3O4) et du di-hydrogène (H2) :

  • 3 FeO + H2O ➜ Fe3O4 + H2 .

Le FeO libre n'est pas un minéral naturel, mais il est présent dans les silicates contenant du fer, comme la fayalite :

  • 3 Fe2SiO4 (fayalite) + 2 H2O ➜ 2 Fe3O4 (magnétite) + 3 SiO2 (silice) + 2 H2 .

La fayalite "pure" (pôle ferreux des olivines) est très rare dans la nature, mais l'olivine "usuelle" en contient environ 10%, pour 90% de forstérite (pôle magnésien des olivines). La réaction de l'eau sur la forstérite produit de la serpentine et de l'hydroxyde de magnésium :

  • 2 Mg2SiO4 (forstérite) + 3 H2O ➜ Mg3Si2O5(OH)4 (serpentine) + Mg(OH)2 (brucite).

La réaction à haute température de l'eau sur l'olivine "usuelle", mélange de forstérite et de fayalite, peut donc s'écrire : olivine + eau ➜ serpentine + magnétite + brucite + di-hydrogène.

L'olivine est le minéral qui réagit le mieux avec l'eau et qui produit le plus de di-hydrogène. Mais tout minéral contenant du Fe2+ (pyroxène, amphibole, mica noir…) peut théoriquement réagir avec l'eau et donner de l'hydrogène natif.

Une deuxième classe de réactions s'enchaîne alors s'il y a du CO2 présent, qui fait réagir le di-hydrogène avec le CO2 :

  • CO2 + 4 H2 ➜ CH4 +2 H2O.

On peut aussi faire des hydrocarbures plus lourds, par exemple de l'éthane :

  • 2 CO2 + 7 H2 ➜ C2H6 + 4 H2O...

Il s'agit de réactions connues sous le nom de synthèses de type Ficher-Tropsch ( Fischer–Tropsch Type synthesis  = FTT, en anglais). Ce genre de réactions peut se faire de façon abiotique ; elles sont favorisées par certains catalyseurs comme la magnétite (magnétite justement produite lors de la serpentinisation). Elles peuvent aussi se faire de façon biologique par bon nombre de bactéries, dites méthanogènes, bactéries présentes par exemple dans l'estomac des ruminants. Cette réaction de méthanogenèse est d'ailleurs exothermique ; elle fournit de l'énergie "noble", énergie que savent utiliser certaines bactéries chimiolithotrophes pour effectuer leurs synthèses organiques.

Les analyses chimiques, isotopiques... effectuées à Cirali suggèrent fortement que le méthane de la Chimère soit issu de synthèses abiotiques de type Ficher-Tropsch (FTT). Ces mêmes études suggèrent fortement que serpentinisation et FTT aient lieu à température relativement peu élevée (80< T <100°C), soit vers 2 à 3 km de profondeur dans le sous-sol turc si le degré géothermique local est "normal". La proximité d'un massif carbonaté entraînerait l'abondance de CO2 dans les eaux circulant au sein du massif de péridotite et expliquerait pourquoi sa serpentinisation est accompagnée de FTT. Le résumé et les figures d'un article récent d'Etiope et al., 2011 (et pdf) décrivant tous ces résultats sont disponibles. Si les molécules les plus complexes s'échappant à la Chimère sont des hydrocarbures en C6, il peut théoriquement y avoir des synthèses de molécules plus complexes, avec plus de carbone ou intégrant d'autres atomes (O, N…).

Trois autres sites géologiques émergés équivalents à la Chimère existent sur Terre : en Oman, Nouvelle Zélande et Philippines. Le site turc est celui qui produit le plus de méthane.

On discute souvent de l'origine des molécules organiques (dites prébiotiques) qui ont précédé l'apparition de la vie sur Terre (cf. L'origine de la vie : les apports de la géologie et de l'astronomie ). L'origine atmosphérique fut la première à être proposée il y a 60 ans (Miller), puis fut abandonnée ou, du moins, fortement minimisée. Les analyses des météorites et des poussières cométaires montrent que comètes et météorites apportent sur Terre de telles molécules organiques. L'organosynthèse au sein de massifs péridotitiques nous montre qu'il existe une deuxième source possible, océanique ou intracontinentale, qui vient s'ajouter à l'origine extra-terrestre des molécules prébiotiques. L'étude des serpentinites, de la serpentinisation et des réactions associées est loin de nous avoir livré tous ses secrets, et a encore de beaux jours devant elle (cf. Serpentinisation océanique et vie primitive ).

Nous vous montrons, ci-dessous, 7 photographies supplémentaires pour illustrer ce site exceptionnel, qui est, peut-être, un analogue lointain de ce qui s'est passé il y a 4 à 3,5 Ga, et dont nous serions, pourquoi pas, les lointains descendants. Cela nous fait regarder ces flammes avec un certain respect. Une différence majeure tout de même entre la Chimère et ce qui pouvait se passer il y a 4 à 3,5 Ga : même s'il y avait méthanogenèse et autres organosynthèses en dehors des océans, les néo-molécules organiques ne brûlaient pas et étaient donc conservées tant qu'elles n'étaient pas détruites par les UV solaires, il n'y avait en effet pas d'O2 dans l'atmosphère de l'époque.

Figure 6. Source enflammée de méthane du site de la Chimère, Cirali, Sud de la Turquie

Image prise à la tombée de la nuit et mettant en valeur flammes et/ou substrat serpentineux.


Figure 7. Source enflammée de méthane du site de la Chimère, Cirali, Sud de la Turquie

Image prise à la tombée de la nuit et mettant en valeur flammes et/ou substrat serpentineux.


Figure 8. Source enflammée de méthane du site de la Chimère, Cirali, Sud de la Turquie

Image prise à la tombée de la nuit et mettant en valeur flammes et/ou substrat serpentineux.


Figure 9. Source enflammée de méthane du site de la Chimère, Cirali, Sud de la Turquie

Image prise à la tombée de la nuit et mettant en valeur flammes et/ou substrat serpentineux.


Figure 10. Source enflammée de méthane du site de la Chimère, Cirali, Sud de la Turquie

Image prise à la tombée de la nuit et mettant en valeur flammes et/ou substrat serpentineux.


Figure 11. Source enflammée de méthane du site de la Chimère, Cirali, Sud de la Turquie

Image prise à la tombée de la nuit et mettant en valeur flammes et/ou substrat serpentineux.


Figure 12. Source enflammée de méthane du site de la Chimère, Cirali, Sud de la Turquie

Image prise à la tombée de la nuit et mettant en valeur flammes et/ou substrat serpentineux.


Quand l'homme est face à un phénomène qu'il ne comprend pas, il a tendance à inventer et à créer un (des) mythe(s) ou un(des) dieu(x) pour l'expliquer. Les feux éternels de la Chimère ont bien sûr engendré de tels cultes et légendes. La Chimère correspond au site antique de Yarnatas, où s'élevait un temple dédié à Héphaïstos, dieu (en autres) du feu, temple dont il ne reste presque rien. Une légende expliquait l'origine de ces feux éternels, et est à l'origine de l'appellation actuelle du site. La Chimère était un être, hybride et malfaisant ; elle avait deux têtes (une de lion et une de chèvre) et une queue de serpent. C'était la fille de Thyphon et d'Echidna, et donc une sœur de Cerbère. Entre autres maléfices, elle crachait du feu. Elle fut vaincue par Bellérophon, qui chevauchait le cheval ailé Pégase. Et du site où elle mourut, en Lycie, continue de s'échapper le feu qu'elle crachait de son vivant.

Figure 13. Vue globale du site de la Chimère, Cirali, Sud de la Turquie

Au premier plan, on devine quelques grosses pierres manifestement taillées et aménagées, restes d'un ancien bâtiment complètement détruit, peut-être les derniers vestiges du temple dédié à Héphaïstos.


Figure 14. La Chimère tuée par Bellérophon chevauchant Pégase

Mosaïque romaine (restaurée) découverte à Autun (Saône et Loire) et conservée au musée de cette ville (musée Rolin).


Figure 15. Localisation du site de la Chimère (punaise jaune) en Lycie, Sud de la Turquie


Toutes les photographies de P. Thomas de cet article ont été prises lors d'une excursion géologique organisée par le CBGA (Centre briançonnais de géologie alpine) et encadrée par Thierry Juteau (Université de Brest).