New exploration methods for natural hydrogen (H2): a study case of the western Pyrenean foothills
Description
The existence of H2-rich geological fluids rich rise the question about the energy potential of this carbon-free resource. For more than a century and throughout the world, numerous natural H2 seepages have been discovered. However, to date there is no exploration strategy based on robust methodologies and pathfinders. The detection of H2 seepages at the surface is probably the most efficient and straight forward approach to identify H2 flows. However, a gas flow does not necessarily constitute a resource, since to date, mankind only exploit reservoirs of fossil energy resources. Therefore, it is important to develop an exploration guide that is not only focused on surface gas monitoring, but also considered a deep geological settings integrating the entire hydrogen system from source to trap or leakage into the atmosphere. Here, we propose to use the geological framework of the North Pyrenean foothills as a case study to develop this exploration guide. A literature review of the area revealed a promising geological setting for a H2 system due to strong links between putative deep H2 sources, crustal-scale migration pathways, fluid circulation dynamics, and sedimentary traps. Indeed, the northwestern Pyrenees and particularly the Mauleon Basin is characterised by the presence of i) an ultramafic mantle body located less than 10 km depth and under pressure-temperature conditions favorable to serpentinization; ii) major faults such as the North Pyrenean Frontal Thrust (NPFT) constituting large-scale flow convergence and drainage, iii) hydraulic gradients due to the presence of strong reliefs, combined with temperature and pressure gradients that trigger fluids migration, and iv) impermeable sedimentary formations or caprocks such as evaporites or claystones overlying porous reservoir rocks that can constitute traps for accumulating H2. Following this preliminary geological survey, we set up a soil gas exploration campaign (H2, CO2, 222Rn, O2, CH4) at the regional scale. These field measurements, carried out over more than 7,500 km2, revealed several hotspots with very high H2, CO2 and 222Rn concentration anomalies around the Mauleon Basin. This discovery allowed us to refine the mesh of the prospecting grid to the northern part of the Mauleon Basin around the locality of Sauveterre-de-Bearn. Geochemical and geophysical measurements were carried out at Sauveterre-de-Bearn to determine the source and migration path of the gases at the origin of this anomaly. Based on soil gas analysis and electromagnetic surveys, we confirmed the existence of a fault draining deep fluids. In addition, the study of historical data from drilling carried out in the region more than fifty years ago, combined with the latest geological and geophysical knowledge of the region, enabled us to highlight zones where H2 could accumulate. Finally, an experimental part of quartz and rocks comminution was carried out in order to explore the reaction mechanisms of H2 production in active fault zones. We reveal the very strong influence of the water/rock ratio (W/R) and pH on H2 production. These findings shed new light on the mechano-radical mechanisms of H2 production where the efficiency of grinding as well as the speciation of mineral surface sites are key parameters controlling H2 production. We reveal for the first time that quartz grinding in the presence of carbonate solutions induces the formation of carboxylate species (formate, acetate, oxalate). In addition to producing H2, the mechano-radical mechanisms thus allow the production of reduced carbon species that can constitute an energy source for subsurface lithotrophic microbial ecosystems. (author)
Abstract (French)
L'existence de fluides geologiques riches en hydrogene (H2) doit necessairement faire l'objet de travaux d'exploration afin de statuer sur le potentiel energetique de cette eventuelle ressource decarbonee. Depuis plus d'un siecle, de nombreuses exhalations naturelles d'H2 ont ete mises en evidence. Or a ce jour, il n'existe aucun guide d'exploration base sur une methodologie et sur des indicateurs robustes. La detection d'occurrences gazeuses en surface correspond bien evidemment a l'approche la plus efficace et la plus rapide a mettre en oeuvre pour identifier des flux. Il n'en reste pas moins qu'un flux ne constitue pas une ressource pour autant, puisqu'a ce jour, l'homme n'exploite que les stocks de ressources energetiques fossiles. Il sera donc important de developper un guide d'exploration non pas oriente uniquement sur une problematique de surface, mais aussi sur des considerations geologiques profondes integrant le systeme hydrogene dans son entier de la source au piege ou a la fuite dans l'atmosphere. Au cours de ce travail de these, nous proposons d'utiliser le cadre geologique du piemont nord Pyreneen pour elaborer un guide d'exploration. La compilation des donnees bibliographiques a revele un contexte prometteur pour un systeme H2 du fait d'un lien entre sources profondes, chemins de migration crustale, dynamique de circulation de fluides, et pieges sedimentaires. En effet le nord-ouest des Pyrenees et plus particulierement le Bassin Mauleon est caracterise par la presence i) d'un corps mantellique (<10 km) ou les conditions pression-temperature sont favorables a la serpentinisation; ii) d'accidents structuraux majeurs tels que le Chevauchement Frontal Nord Pyreneens (CFNP) constituant des drains collecteurs de grande ampleur, iii) des gradients hydrauliques, conjugues a des gradients de temperature et de pressions qui permettent la mise en mouvement des fluides; iv) des formations sedimentaires impermeables ou de couvertures comme les evaporites ou les argiles constituant des pieges pour accumuler l'H2. Suite a cette etude prealable, nous avons mis en place une campagne d'analyse des gaz du sol (H2, CO2, 222Rn, O2, CH4) a l'echelle regionale. Cette campagne d'analyse realisee sur plus de 7500 km2 a tres vite permis de mettre en evidence une zone a tres fortes anomalies en H2, CO2, et 222Rn sur le pourtour du Bassin de Mauleon. Cette decouverte nous a permis de resserrer rapidement le maillage de prospection sur la partie nord du bassin de Mauleon. Une campagne d'analyses geochimiques et geophysiques a ete realisee a Sauveterre-de-Bearn afin de determiner l'origine et le parcours des gaz a l'origine de cette anomalie. Sur la base de l'analyse des gaz du sol et des leves electromagnetiques, nous avons confirme l'existence d'une faille drainant les fluides profonds. De plus, l'etude des donnees historiques des forages entrepris dans la region il y a plus de 50 ans, conjuguee a une mise en perspective des dernieres connaissances geologiques et geophysiques de la region, nous a permis de mettre en evidence des zones ou l'H2 pourrait s'accumuler. Enfin une partie experimentale de broyage de quartz et de roches de la region a ete menee afin d'explorer de nouveaux mecanismes de production d'H2 le long des failles. Nous avons mis en evidence une tres forte influence du rapport eau/roche (W/R) et du pH sur la production d'H2. Ces decouvertes apportent un eclairage nouveau sur les mecanismes mecano-radicalaires de production d'H2 ou la speciation des sites de surface des mineraux sont des parametres cles controlant la production d'H2. Nous revelons pour la premiere fois que le broyage du quartz en presence de solutions carbonatees induit la formation d'especes carboxylates (formate, acetate, oxalate). En plus de produire de l'H2, les mecanismes mecano-radicalaires permettent donc de produire des especes reduites du carbone pouvant constituer une source d'energie pour les ecosystemes microbiens lithotrophes de subsurface. (auteur)
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Additional details
Additional titles
- Original title (English)
- Nouvelles methodes d'exploration des ressources en hydrogene naturel (H2): Le cas d'ecole du piemont Pyreneen occidental
Publishing Information
- Imprint Pagination
- 192 p.
- Report number
- FRNC-TH--14743
INIS
- Country of Publication
- France
- Country of Input or Organization
- France
- INIS RN
- 54091857
- Subject category
- S58: GEOSCIENCES;
- Resource subtype / Literary indicator
- Thesis
- Descriptors DEI
- CARBON DIOXIDE; CARBOXYLIC ACID SALTS; CRUSHING; DRAINAGE; ELECTROMAGNETIC SURVEYS; GEOLOGIC FAULTS; GEOLOGIC TRAPS; GEOTHERMAL GRADIENTS; HYDROGEN PRODUCTION; METHANE; PH VALUE; PRESSURE GRADIENTS; PROSPECTING; QUARTZ; RADON 222; RESOURCE ASSESSMENT; ROCK-FLUID INTERACTIONS; SEEPS; SERPENTINITES
- Descriptors DEC
- ALKANES; ALPHA DECAY RADIOISOTOPES; CARBON COMPOUNDS; CARBON OXIDES; CHALCOGENIDES; COMMINUTION; DAYS LIVING RADIOISOTOPES; ELECTRICAL SURVEYS; EVEN-EVEN NUCLEI; GEOLOGIC FRACTURES; GEOLOGIC STRUCTURES; GEOLOGIC SURVEYS; GEOPHYSICAL SURVEYS; HEAVY NUCLEI; HYDROCARBONS; ISOTOPES; METAMORPHIC ROCKS; MINERALS; NUCLEI; ORGANIC COMPOUNDS; OXIDE MINERALS; OXIDES; OXYGEN COMPOUNDS; RADIOISOTOPES; RADON ISOTOPES; ROCKS; TEMPERATURE GRADIENTS
Optional Information
- Notes
- [410 refs.]; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the INIS website for current contact and E-mail addresses