Dynamics of slope instability and of free-gas/hydrates system since the last glacial period in Black Sea
Dynamique des instabilités de pente et du système gaz-libre/hydrates depuis la dernière période glaciaire en mer Noire
Résumé
Understanding and quantifying the migration of free-gas in hydrate-bearing sediments through time is particularly compulsive along continental margins, where gas hydrate dissociation has been linked to several catastrophic events, including some of the largest submarine landslides on Earth and the massive release of greenhouse gases into the ocean. In the Romanian sector of the Black Sea, numerous head-scarps can be observed on the upper slope between 200 and 1000 m water depth. They initiated generally in an active gas-seep province, landward the upper limit of the current gas hydrates occurrence zone. Through new multi-resolution geophysical data, correlated with coring sediment record, we established a high-resolution mapping of mass transport deposits and proposed an age-depth model of successive sliding events that occurred since the Last Glacial Period in the western Black Sea (-34 ka). In parallel, the presence of a deeper double Bottom Simulating Reflectors (BSR) below the current and shallowest BSR on the high-resolution seismic data is a unique opportunity to obtain precious information about the hydrate's dynamics since the last glacial period. To further understand the occurrence of this double BSR in the area and the possible effect of gas hydrate dynamics on slope instability and free gas releases, we performed a numerical 2D transient modelling of the evolution of the thermodynamic stability of gas hydrates over time, integrating in-situ measured physical data recently acquired and indirect assessments of paleo-sea-bottom temperature, paleo-thermal gradient, paleo-salinity, and sea-level variations. Modelling results show that the gas hydrates stability zone has strongly fluctuated since the last glacial period, particularly in response to sea level fluctuations, warming and increasing salinity that occurred over the last 9000 years. These new constraints provide a new spatio-temporal framework of the free-gas/hydrate system evolution in the Black Sea at a finer time step, allowing to assess past positions of the base of the GHSZ through time. The thesis results evidence (1) a typical free-gas/hydrates biogenic system, showing very different sediment deformations from thermogenic system, (2) a slow kinetics of system equilibration in response the rapid environmental changes, due to slow gas diffusion process and long-lasting hydrates dissociation, and (3) an improved understanding of the sliding mechanisms on the romanian margin since the last glacial period supporting less catastrophic scenarios than those suggested previously in the case of massive gas hydrate dissociation.
Comprendre et quantifier la migration du gaz libre et des hydrates, forme solide du gaz sous forte pression et faible température, présents dans les sédiments au fil du temps est particulièrement important le long des marges continentales, où la dissociation des hydrates de gaz pourrait être associée à plusieurs événements catastrophiques, notamment au déclenchement de certains des plus grands glissements de terrain sous-marins survenus sur Terre et à la libération massive de gaz à effet de serre dans l'océan. Dans le secteur roumain de la mer Noire, de nombreux glissements de terrain peuvent être observés sur la pente continentale entre 200 et 1000 m de profondeur d'eau, dans une province active d'émission de gaz depuis le sous-sol vers la colonne d'eau, en amont de la zone de présence d'hydrates de gaz. Grâce à de nouvelles données géophysiques multi-résolution corrélées à des carottes sédimentaires, nous avons établi une cartographie à haute résolution des dépôts de masse transportés et daté des événements d'instabilités sédimentaires successifs qui se sont produits depuis la dernière période glaciaire (-34 ka). Parallèlement, la présence d'un second réflecteur sismique marquant la transition entre le gaz libre présent en profondeur dans les sédiments et les hydrates sus-jacents (double BSR), sous le BSR actuel, s'est avérée une opportunité unique pour étudier la dynamique des hydrates depuis la dernière période glaciaire. Pour mieux comprendre la présence de ce double BSR dans la région et l'effet possible des hydrates de gaz sur les instabilités de pente et les émissions de gaz en fond mer, nous avons effectué une modélisation numérique 2D de l'évolution de la stabilité thermodynamique des hydrates dans le temps. Cette étude multiparamétrique intègre des données physiques in situ mesurées récemment tels le gradient géothermique et la salinité ainsi que des données indirectes issues d'interprétation des données sismiques (profondeur du BSR, paléobathymétrie, …) ou de la littérature (paléo températures, variations du niveau de la mer). La modélisation montre que la zone de stabilité des hydrates de gaz a fortement fluctué face aux variations des conditions environnementales survenues en mer Noire depuis la fin de la dernière période glaciaire, notamment en réponse à la hausse du niveau marin, au réchauffement et à l'augmentation de la salinité de la mer Noire depuis les derniers 9000 ans. Ces nouvelles contraintes apportent ainsi un cadre spatio-temporel solide de l'évolution du système gaz-libre/hydrates en mer Noire à un pas de temps jusque-là jamais documenté sur la zone, en rendant compte des positions successives des bases de stabilité des hydrates prédites au cours du temps. Les résultats de la thèse mettent en avant (1) un système gaz libre/hydrates typiquement biogénique présentant des déformations sédimentaires très différentes des systèmes thermogéniques, (2) une cinétique très lente de mise à l'équilibre du système suite à des changements environnementaux plus rapides en raison des processus de diffusion du gaz suite à la dissociation des hydrates, et (3) une meilleure compréhension des mécanismes de glissement sur la marge roumaine depuis le dernier glaciaire excluant un rôle prépondérant des hydrates et soutenant un scénario moins catastrophique que ceux suggérés précédemment dans le cas d'une dissociation massive des hydrates de gaz.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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