Un puits de carbone transformateur dans l’océan ?

Il y a plusieurs décennies, lorsque la concentration de dioxyde de carbone (CO₂) dans l’atmosphère était bien en dessous de 400 parties par million, les climatologues ont commencé à mettre en garde contre les conséquences négatives de la combustion de combustibles fossiles sur le climat terrestre.De ces premières alertes, un consensus a émergé selon lequel les émissions de carbone devraient être réduites (et finalement éliminées) pour éviter les conséquences dangereuses du réchauffement climatique telles que des chaleurs extrêmes, des tempêtes plus violentes et des inondations et des sécheresses plus intenses.

Aujourd'hui, le CO atmosphérique₂ concentration est bien supérieur à 400 parties par million et continue d'augmenter, et une pléthore de recherches et d'événements météorologiques violents récents soulignent le fait que ces conséquences dangereuses se produisent déjà.Les gouvernements ont fixé des objectifs ambitieux pour réduire les émissions, et certains progrès ont été réalisés, mais de sérieuses questions et préoccupations concernant les rythme lent de ces progrès abonder.

 Pour chaque approche d’élimination du dioxyde de carbone, des questions demeurent quant à l’ampleur de l’impact qu’elle peut avoir sur la réduction et le stockage en toute sécurité du carbone atmosphérique.

Réduire efficacement les niveaux de carbone atmosphérique nécessitera une série d’actions, allant de les individus prennent des décisions difficiles sur les changements de style de vie à la coopération internationale pour rechercher des solutions à partir d'un menu diversifié d'options.Parmi les options envisagées figurent des méthodes pour élimination délibérée du dioxyde de carbone (CDR) de l’atmosphère, autrefois considéré comme un dernier recours.De nombreuses approches du CDR, tant sur terre qu’en mer, en sont à divers stades de test et de développement.Chacune présente des avantages et des inconvénients, par exemple en ce qui concerne les coûts et les effets secondaires potentiellement négatifs.Et pour chacun d’eux, des questions demeurent quant à l’ampleur de l’impact que cela peut avoir sur la réduction et le stockage en toute sécurité du carbone atmosphérique.

Nous décrivons ici une approche alternative du CDR, inspirée d’un processus naturel de séquestration du carbone au fond de la mer, qui pourrait en théorie éliminer des quantités substantielles de carbone atmosphérique.Il faudrait également répondre à d’importantes questions et préoccupations concernant cette approche, mais compte tenu de son vaste potentiel, nous pensons qu’elle mérite d’être étudiée.

Le menu actuel des options d’élimination du dioxyde de carbone

Le domaine du CDR explose à mesure que demande de stratégies rentables dépasse l’offre.Les approches les plus connues visent à stocker le carbone organique dans la biomasse, sur terre et dans les océans.Les efforts visant à restaurer les habitats naturels dotés d’une capacité de stockage de carbone sont louables.Cependant, ce carbone organique est vulnérable à l’oxydation et à sa réémission dans l’atmosphère, notamment à cause de la combustion lors des incendies de forêt et de la décomposition de la végétation frappée par la sécheresse.En mer, de tels efforts se poursuivent par exemple par la culture d’algues et la fertilisation nutritive, même s’il est difficile de savoir quelle quantité de la nouvelle biomasse créée est finalement stockée ni pour combien de temps.

Le dioxyde de carbone peut également être capté en utilisant la chimie acido-basique, puis séquestré dans la roche (par exemple, des formations de réservoirs de pétrole épuisés) ou dans l'océan.Cependant, de telles approches se heurtent également à des difficultés pour parvenir à un stockage permanent, ce qui soulève des questions sur la sécurité et le potentiel de réémission du carbone séquestré dans l’atmosphère.

L’amélioration de l’alcalinité des océans est très prometteuse car la capacité de l’océan à stocker le bicarbonate est suffisante sur la période concernée.

Conversion du CO₂ au carbonate minéral offre un mécanisme de stockage permanent [Kelemen et la matière, 2008].Les réactions naturelles connues sous le nom de réactions d'Ebelmen-Urey [Pierrehumbert, 2010], dans lequel des minéraux silicatés tels que la forstérite (Mg₂SiO₄;une forme d'olivine) réagissent avec le CO₂ pour produire des minéraux carbonatés et de la silice (par exemple, Mg₂SiO₄ + 2CO₂ → 2MgCO₃ + SiO₂), sont considérés comme ayant agi comme un thermostat planétaire pendant la majeure partie de l’histoire de la Terre en raison de leur dépendance à la température et aux rétroactions associées.Ces réactions ont, dans le passé, progressivement sorti la Terre des climats chauds à effet de serre en réduisant le CO atmosphérique.₂, et ils finiront par effacer le pic de carbone anthropique, mais pas à une échelle de temps pertinente pour la civilisation humaine.

En attendant, l’humanité devra peut-être mettre en œuvre le CDR à grande échelle pour compenser l’extraction et la combustion de combustibles fossiles au cours du siècle dernier.Amélioration de l'alcalinité des océans (OAE), dans lequel l'ajout d'ions comme Mg²⁺ et Ca²⁺ (provenant de matériaux tels que l'olivine ou la chaux) vers l'océan entraîne une dissolution accrue du CO atmosphérique₂ pour former du bicarbonate (HCO₃^–), est très prometteur, car la capacité de l’océan à stocker du bicarbonate est suffisante sur la période concernée [Renforth et Henderson, 2017].En effet, les approches OAE – impliquant souvent des matériaux dispersés à la surface de l’océan – sont à l’étude, même si elles sont elles aussi confrontées à des questions quant à leur faisabilité à grande échelle.Existe-t-il d’autres contextes marins dans lesquels l’OAE pourrait être poursuivie à grande échelle et avec des résultats durables ?

Les défauts de transformation offrent une approche transformatrice

Le manteau terrestre, constituant plus de 80 % du volume de la planète, est un vaste réservoir de roches ultramafiques (à faible teneur en silice).En théorie, une petite fraction de cette roche – au minimum environ 600 kilomètres cubes si elle était entièrement convertie en carbonate – pourrait neutraliser la totalité du carbone fossile de l’ère industrielle présent dans l’atmosphère.

Les failles transformées océaniques et leurs extensions de zones de fracture présentent des contextes tectoniques où ces roches réactives du manteau, qui sont généralement enfouies sous des kilomètres de croûte, sont exposées à la surface de la Terre.La découverte de failles transformantes, qui relient les limites divergentes des plaques situées aux centres d'expansion médio-océaniques, a été la clé du déclenchement de la révolution tectonique des plaques dans les années 1960.Karson, 2020].Et aujourd’hui, la cooccurrence des bonnes roches et de la bathymétrie à haut relief présente une combinaison optimale de déséquilibres chimiques et gravitationnels, suggérant un potentiel de CDR à grande échelle que l’on ne trouve nulle part ailleurs sur Terre.

En particulier aux limites des plaques à propagation lente et pauvres en magma (<4 centimètres par an), les paramètres de failles transformées contiennent en abondance des minéraux de silicate de magnésium à réaction relativement rapide [Kelemen et coll., 2020].L'ampleur des vallées de failles transformantes éclipse celle des éléments d'érosion terrestre tels que le Grand Canyon.Les parois des vallées sous-marines sont sujettes à une perte de masse, ce qui expose de nouvelles surfaces de minéraux silicatés réactifs.Localement, le mouvement des failles de détachement presque horizontales entraîne le glissement de portions de croûte du manteau sous-jacent, permettant ainsi une exposition accrue de roches ultramafiques sur le fond marin.

La fracturation active, nécessaire aux réactions eau-roche pour produire des solutions alcalines, est très répandue.Les vitesses lentes des ondes sismiques observées le long des failles de transformation océaniques impliquent que l'eau pénètre à des profondeurs de plus de 30 kilomètres.Wang et coll., 2022].En raison du refroidissement différentiel de la roche du fond marin dans ces contextes, les extensions de zones de fracture des limites des plaques transformées continuent également de subir des mouvements verticaux différentiels et une nouvelle fracturation.De plus, des failles actives exposant des roches réactives du manteau sont présentes localement le long des crêtes des crêtes et le long des parois des tranchées.

Suburbaniser la Cité Perdue ?

Les failles de transformation océanique sont connues pour héberger des systèmes hydrothermaux à basse température qui séquestrent le CO dissous.₂ en précipitant le carbonate minéral [Kelley et coll., 2007].Un excellent exemple, le Champ hydrothermal de la Cité Perdue (LCHF), se situe à environ 30° de latitude nord et à 15 kilomètres à l'ouest de la dorsale médio-atlantique, sur le massif de l'Atlantide.Ici, les évents du fond marin libèrent des fluides alcalins à pH élevé qui réagissent avec l'eau de mer pour précipiter des tours de plus de 60 mètres de hauteur constituées de carbonate (par exemple, CaCO₃) et brucite (Mg[OH]₂).

Circulation hydrothermale basse température au LCHF est lié à l'hydratation exothermique de l'olivine et des minéraux associés par l'eau s'infiltrant sous le fond marin (par exemple, 2 Mg₂SiO₄ +H₂O + 2H⁺ → MG₃Si₂Ô₅(OH)₄ + mg²⁺).Cette réaction forme des minéraux du groupe serpentine (par exemple, Mg₃Si₂Ô₅(OH)₄), les principaux minéraux de la roche serpentinite.Les fluides hydrothermaux remontent ensuite à travers un système perméable de roches fracturées.Le mélange des fluides de ventilation chauds et alcalins (pH > 10) avec de l'eau de mer modifie localement les équilibres carbonatés pour favoriser la précipitation des carbonates.

Imaginez s'il était possible d'améliorer ce processus naturel de CDR en développant délibérément les systèmes hydrothermaux à basse température tels que Lost City et délivrer les fluides alcalins à la surface de l’océan pour inverser simultanément l’acidification anthropique des océans et réduire le CO atmosphérique₂.Cela peut sembler un exploit audacieux et techniquement exigeant, mais les technologies de base nécessaires sont déjà disponibles.

Le forage et l'hydrofracturation sur des sites de perte de masse active créeraient de nouvelles surfaces minérales réactives et favoriseraient la serpentinisation, la fissuration ultérieure et la production de plus grands volumes de fluides hydrothermaux alcalins à pH élevé.Ensuite, les fluides pourraient être soit pompés, soit dirigés vers une montée en flèche à travers des pipelines isolés pour augmenter l'alcalinité de la couche mélangée de l'océan en surface.En comparaison avec les infrastructures de combustibles fossiles existantes qui sillonnent les continents et les fonds marins, acheminer ces fluides vers la surface devrait être tout à fait réalisable.En ce qui concerne les infrastructures de surface, les flottes de porte-avions mises en veilleuse – vraisemblablement alimentées par des sources d’énergie non fossiles telles que le nucléaire ou l’éolien – pourraient servir de plates-formes de forage.Les escarpements de failles transformantes de la Terre couvrent environ 100 000 kilomètres carrés, une superficie probablement plus que suffisante pour cette approche du CDR [par exemple, Kelemen et coll., 2020].

Même si la technologie fondamentale et l’ampleur du matériau exposé du manteau sont disponibles, il reste néanmoins des questions scientifiques pratiques à résoudre.Par exemple, des recherches supplémentaires seraient nécessaires pour comprendre l’importance relative des rétroactions négatives et positives dans les contextes hydrothermaux à basse température.Kelemen et coll., 2020].Les rétroactions négatives peuvent inclure le « colmatage », où la précipitation de minéraux secondaires inhibe la perméabilité et la production de fluides alcalins.Les rétroactions positives qui maintiennent ces systèmes en fonctionnement sont mises en évidence à la fois par la longue durée de vie des évents et par l’omniprésence de roches fracturées et altérées.

Il existe également des problèmes cinétiques potentiels à résoudre, bien que la chimie favorise une consommation accrue de CO.₂ dans l’océan, le rythme des réactions peut être trop lent pour avoir une incidence sur les délais humains.Plusieurs options ont été explorées pour accélérer les taux de CO₂-réactions consommatrices.Kelemen et la matière [2008], par exemple, ont montré que le taux de carbonatation de l'olivine augmente un million de fois au-dessus des taux typiques à la température de réaction optimale de 185°C (365°F) et à des pressions partielles élevées de CO.₂.Des stratégies électrochimiques pour accélérer le processus ont également été explorées [par ex. Rau et coll., 2013].

Le problème avec le méthane

La notion d’expansion intentionnelle des systèmes hydrothermaux et de l’acheminement de fluides vers la surface de l’océan soulève des préoccupations distinctes.En tête de liste se trouve le méthane.

Au-delà des questions de faisabilité technique, la notion d’expansion intentionnelle des systèmes hydrothermaux et de l’acheminement de fluides vers la surface de l’océan soulève des préoccupations distinctes.En tête de liste se trouve le méthane, un puissant gaz à effet de serre, qui est un produit omniprésent de la serpentinisation.Quel rôle jouent les minéraux sans carbone dans la formation de méthane riche en carbone ?

Dans les réactions de serpentinisation, l'olivine du manteau, une solution solide contenant généralement 90 % de forstérite (Mg₂SiO₄) et 10% de fayalite (Fe₂SiO₄), libère du fer réduit (Fe²⁺), qui est le coupable.L'eau oxyde le fer réduit, formant de l'hydrogène moléculaire (H₂) dans le processus (c'est-à-dire 3Fe₂SiO₄ + 2H₂O → 2Fe₃Ô₄ + 3SiO₂ + 2H₂).Cet hydrogène convertit ensuite tout carbone oxydé (par exemple, CO₂) présent au méthane (c.-à-d. 4H₂ + CO₂ → CH₄ + 2H₂O).Il ne serait clairement pas souhaitable de créer ou d’augmenter les sources de méthane et de laisser le gaz se retrouver dans l’atmosphère.

Mais les nouvelles ne sont peut-être pas toutes mauvaises.L’hydrogène et le méthane sont tous deux des sources d’énergie, le premier étant une source d’énergie propre.La récolte des gaz pourrait contribuer à répondre à la demande continue d’énergie conventionnelle et à la demande croissante d’énergie propre, tout en contribuant également à financer les infrastructures de forage et de CDR.Dans un cadre alternatif, axé sur l’économie, l’objectif principal de l’expansion des systèmes de ventilation hydrothermale tel que décrit pourrait même être de produire et de commercialiser des sources d’hydrogène gazeux génératrices de revenus, le CDR étant un sous-produit bénéfique.

La récolte de ces gaz dans les profondeurs océaniques pourrait bien sûr s’avérer difficile.À Lost City, la roche carbonatée recouvrant le fond marin aide à concentrer les flux de fluides de ventilation.La question reste ouverte de savoir si une infrastructure artificielle permettrait de concentrer de la même manière les gaz produits sans fuite excessive.

Qu'est-ce qui pourrait mal se passer d'autre ?

D’autres préoccupations existent également, outre la fuite potentielle de l’excès de méthane.Les systèmes hydrothermaux à basse température tels que Lost City contrastent fortement avec les systèmes hydrothermaux à haute température, courants le long des dorsales médio-océaniques.Ces systèmes à haute température, dans lesquels le magnésium dissous est en fait échangé contre des protons (c'est-à-dire du Mg²⁺ → 2H⁺), évacuer des solutions acides qui soustraient le bilan d’alcalinité de l’océan, donc augmenter par inadvertance les flux de fluides de ces systèmes serait contre-productif.Il est évident que la proximité de sites à fort flux de chaleur est à éviter.

Le forage au-dessus des escarpements de failles pourrait également déclencher des phénomènes de perte de masse et des tsunamis, un danger potentiel qui a été étudié dans des régions tectoniquement actives telles que la tranchée de Porto Rico.

Les activités associées à l’approche CDR proposée pourraient également perturber les habitats des fonds marins et de la surface des océans.Une telle perturbation est un préoccupation majeure avec efforts d'exploitation minière des fonds marins, et des efforts substantiels seraient nécessaires pour éviter d’endommager les écosystèmes des fonds marins dans l’intérêt du CDR.Pour minimiser les perturbations dans les habitats océaniques de surface, un système de distribution pourrait être conçu pour éliminer les solutés problématiques et diluer les fluides alcalins d'évent avant qu'ils ne soient mélangés aux eaux de surface.

Dissiper un problème épineux

La boîte de Pandore de l’énergie fossile a créé le « méchant » problème du changement climatique, qui n’a pas de solution simple ou unique.Incropères, 2015].La transition vers les énergies fossiles est en cours, mais même si les émissions de carbone disparaissaient demain, un excès de CO₂ resterait longtemps dans nos cieux.

Le processus naturel CDR qui se produit dans les contextes de failles de transformation océaniques, s’il pouvait être exploité, représente une solution potentiellement transformatrice.

Il n’existe pas d’options parfaites pour éliminer l’excès de carbone : toutes les méthodes sont confrontées à des questions quant à leur sécurité, leur durabilité et leur efficacité à grande échelle.Le processus naturel CDR qui se produit dans les paramètres de faille de transformation océanique, s'il pouvait être exploité pour réduire le CO atmosphérique₂ et augmenter le pH de la surface des océans, représente une solution potentiellement transformatrice.Ces paramètres combinent des déséquilibres chimiques et gravitationnels optimaux à l’échelle nécessaire : les bonnes roches prêtes à se fracturer sont présentes en quantité effectivement illimitée.Si les gaz réduits comme l’hydrogène et le méthane pouvaient être exploités à des fins énergétiques sans crainte de fuite, l’approche pourrait être financièrement viable.

Solutions de géo-ingénierie peut avoir des conséquences inattendues, une approche prudente s’impose donc.Nous suggérons que des recherches supplémentaires soient nécessaires pour étudier la faisabilité technique de l'approche CDR décrite ici et identifier des sites de test possibles le long des failles transformées pour des expériences de forage pilotes.Un système de gouvernance pour surveiller et réglementer la recherche, les tests et le développement du CDR marin est également nécessaire.

Alors, est-ce une idée potentiellement susceptible de sauver la planète qui mérite d’être explorée, ou une idée intrigante mais distrayante ?Nous apprécions les commentaires de la communauté des sciences de la Terre et au-delà.Quelle que soit l’opinion de chacun, il devient de plus en plus clair que des idées ambitieuses sont nécessaires pour accélérer les progrès vers l’atténuation des effets du réchauffement climatique et dissiper le problème épineux auquel nous sommes confrontés.

Source : Éos