Le mystère des cratères explosifs de Sibérie

Sur une péninsule isolée du cercle arctique, d’énormes blessures apparaissent dans le permafrost – alors que quelque chose d’inquiétant pour les scientifiques éclate sous terre, rapporte BBC.

Il est apparu soudainement et de manière explosive, laissant une marque trouée dans le paysage.

Au bord du cratère, la terre est un enchevêtrement gris et déchiré de glace et de mottes de permafrost. Les racines des plantes – nouvellement exposées sur le pourtour – montrent des signes de brûlure. Cela donne une idée de la violence avec laquelle ce trou au milieu de l’Arctique sibérien s’est matérialisé.

De l’air, la terre fraîchement exposée se détache sur la toundra verte et les lacs sombres qui l’entourent. Les couches de terre et de roche exposées plus loin à l’intérieur du trou cylindrique sont presque noires et une mare d’eau se forme déjà au fond lorsque les scientifiques y parviennent.

Parmi eux se trouve Evgeny Chuvilin, géologue à l’Institut des sciences et technologies Skolkovo, basé à Moscou, en Russie, qui s’est rendu en avion dans ce coin reculé de la péninsule de Yamal, au nord-ouest de la Sibérie, pour y jeter un coup d’œil. Ce trou de 50 mètres de profondeur pourrait contenir les pièces clés d’un puzzle qui le dérange depuis six ans, depuis que le premier de ces mystérieux trous a été découvert ailleurs sur la péninsule de Yamal.

Ce trou, d’environ 20 mètres de large et 52 mètres de profondeur, a été découvert en 2014 par des pilotes d’hélicoptères qui passaient au-dessus de lui, à environ 42 km du gisement de gaz de Bovanenkovo, sur la péninsule de Yamal. Les scientifiques qui l’ont visité – dont Mariana Leibman, responsable scientifique de l’Institut de la cryosphère de la Terre, qui étudie le permafrost en Sibérie depuis plus de 40 ans – l’ont décrit comme une caractéristique entièrement nouvelle du permafrost. L’analyse d’images satellites a révélé par la suite que le cratère – désormais connu sous le nom de GEC-1 – s’est formé entre le 9 octobre et le 1er novembre 2013.

Le dernier cratère a été repéré en août de cette année par une équipe de télévision alors qu’elle passait devant avec une équipe de scientifiques de l’Académie des sciences de Russie lors d’une expédition avec les autorités locales à Yamal. Cela porte à 17 le nombre total de cratères dont la découverte a été confirmée à Yamal et dans la péninsule voisine de Gydan.

Mais la cause exacte de l’apparition de ces énormes trous dans le permafrost et de la soudaineté de leur formation reste en grande partie une énigme. Des questions restent également sans réponse sur ce qu’elles signifient pour l’avenir de l’Arctique, ainsi que pour les personnes qui y vivent et y travaillent. Pour beaucoup de ceux qui étudient l’Arctique, elles sont un signe inquiétant que ce paysage froid et largement inhabité du nord de notre planète subit des changements radicaux.

Cependant, des recherches récentes commencent à fournir des indices sur ce qui pourrait se passer. Ce qui est clair, c’est que ces trous ne se forment pas en raison d’un certain affaissement graduel à mesure que le permafrost fond et se déplace sous la surface. Ils explosent pour devenir réalité.

« Lorsque l’explosion se produit, des blocs de terre et de glace sont projetés à des centaines de mètres de l’épicentre », explique M. Chuvilin. « Nous sommes confrontés ici à une force colossale, créée par une très haute pression. La raison pour laquelle elle est si élevée reste encore un mystère ».

Chuvilin fait partie d’un groupe de scientifiques russes – collaborant avec des collègues du monde entier – qui ont visité ces cratères pour prendre des échantillons et des mesures dans l’espoir de mieux comprendre ce qui se passe sous la toundra.

Il est prouvé que le cycle de vie d’un cratère d’émission de gaz peut être très court, allant de 3 à 5 ans – Alexander Kizyakov

Certains scientifiques ont comparé les cratères à des cryovolcans – des volcans qui crachent de la glace au lieu de la lave – dont on pense qu’ils existent dans certaines parties éloignées de notre système solaire, sur Pluton, la lune de Saturne Titan et la planète naine Ceres. Mais comme d’autres cratères arctiques ont été étudiés à différents stades de leur évolution, on les appelle désormais « cratères d’émission de gaz ». Ce nom donne une idée de la façon dont on pense qu’ils se forment.

« L’analyse basée sur les images satellites montre qu’une explosion fait un trou géant à la place d’un pingo, ou d’un monticule« , explique M. Chuvilin. Les pingos sont des collines en forme de dôme qui se forment lorsqu’une couche de sol gelé est poussée vers le haut par de l’eau qui a réussi à couler en dessous d’elle et a commencé à geler. Lorsque l’eau gèle, elle se dilate pour créer un monticule. Également connus en Russie sous le nom local de Yakut « bulgunnyakhs« , ils ont tendance à s’élever et à s’abaisser avec les saisons. Au Canada, on a découvert que certains d’entre eux avaient jusqu’à 1 200 ans. Dans la plupart des régions de l’Arctique, cependant, ces monticules ont tendance à s’effondrer sur eux-mêmes plutôt que d’exploser.

Il est clair que les monticules du nord-ouest de la Sibérie se comportent différemment. Ils gonflent « très rapidement, atteignant plusieurs mètres » avant de faire sauter leur sommet soudainement, explique Chuvilin. Et au lieu de geler l’eau, le soulèvement semble être causé par une accumulation de gaz sous le sol.

« Les pingos mettent des décennies à se former et durent longtemps », explique Sue Natali, écologiste arctique qui étudie le permafrost et directrice du programme arctique au Woodwell Climate Research Center de Woods Hole, dans le Massachusetts. « Ces monticules remplis de gaz se forment dans l’ordre des années ».

Une étude des cernes des arbres dans les arbustes de saules trouvés parmi les débris jetés par l’explosion qui a créé le premier cratère découvert en 2014 suggère que les plantes subissaient un stress depuis les années 1940. Les chercheurs affirment que cela pourrait être dû à une déformation du sol.

« Cependant, il est prouvé que le cycle de vie des cratères d’émission de gaz peut être très court, allant de 3 à 5 ans », explique Alexander Kizyakov, cryolithologue à l’université d’État Lomonosov de Moscou, en Russie. Un cratère qui s’est formé au début de l’été 2017, connu sous le nom de SeYkhGEC, a été trouvé sur des images satellite et a commencé à déformer le sol en 2015.

Des cicatrices et des monticules similaires liés à des émissions de poches de gaz ont été trouvés au fond de la mer de Kara, juste au large de la péninsule de Yamal, et d’autres ont été trouvés dans la mer de Barents. Mais jusqu’à présent, dit Natali, rien de similaire n’a été trouvé sur terre ailleurs dans l’Arctique.

Quelque chose dans le permafrost de Yamal et de Gydan les rend vulnérables à ces monticules qui explosent. « Il y a là des caractéristiques du paysage », dit-elle. « C’est une zone où il y a une très épaisse couche de glace, appelée glace tabulaire, qui forme une calotte à travers le permafrost. C’est aussi une zone où il y a beaucoup de caractéristiques connues sous le nom de cryope, qui sont des zones de sol non gelé entourées de permafrost – une sorte de sandwich de permafrost. La troisième caractéristique est la présence de gisements très profonds de gaz et de pétrole ».

Un cratère récemment examiné par Chuvilin – un trou de 20 m de large connu sous le nom de cratère d’Erkuta d’après la rivière sur laquelle il est apparu – semble s’être formé sur l’emplacement d’un lac en arc de cercle asséché. Lorsque le lac a disparu, il a laissé derrière lui un morceau de sol non gelé, appelé talik, sous lequel du gaz s’est alors accumulé. Mais, selon M. Chauvilin, la source exacte reste encore largement incertaine. « La question clé dans la recherche sur les cratères est d’identifier la source du gaz qui s’accumule sous la surface du permafrost », explique M. Chuvilin. « Une fois que le cratère est là, le gaz est déjà parti. »

Des éleveurs de rennes locaux ont rapporté avoir vu des flammes et de la fumée après l’explosion d’un cratère en juin 2017

Retracer l’évolution de ces monticules et la façon dont le gaz s’y rend est maintenant une source d’étude intense. « Il est intrigant de voir qu’il pourrait se produire un processus géochimique nouveau ou inconnu jusqu’alors, que nous n’aurions jamais imaginé », déclare Natali.

Des chercheurs assez courageux pour descendre en rappel dans les cratères ont trouvé des niveaux élevés de méthane dans l’eau qui s’accumule au fond, ce qui suggère que le gaz pourrait remonter par le bas. L’une des principales théories est que ces dépôts profonds de méthane sous le permafrost remontent jusqu’à la poche de terre non gelée sous la calotte glaciaire. Une autre idée est que les niveaux élevés de dioxyde de carbone dissous dans l’eau de ces poches non gelées commencent à sortir en bulles lorsque l’eau commence à geler, et que l’eau restante ne peut pas retenir le gaz dissous.

Une autre source de méthane et de dioxyde de carbone pourrait être les microorganismes qui se développent dans la poche de sol non gelée en décomposant la matière organique et en libérant les gaz, explique M. Chuvilin. L’analyse isotopique du méthane dans un cratère particulièrement spectaculaire semble le confirmer, mais on a constaté que l’activité des microbes producteurs de méthane est particulièrement faible dans les lacs au fond des cratères récemment formés – même dans les conditions de froid où ils se trouvent.

Mais du méthane pourrait également s’échapper de la glace elle-même. Les gaz peuvent être piégés dans les cristaux d’eau du permafrost pour former un étrange matériau gelé appelé hydrate de gaz. En fondant, le gaz est libéré.

« On pense qu’il peut y avoir différents mécanismes de formation qui peuvent difficilement être décrits par un seul modèle », explique M. Chuvilin. « Beaucoup dépend de l’environnement et du paysage. » Au moins un cratère a été trouvé dans le lit d’une rivière, souligne-t-il.

Quelle que soit la source, on pense que le gaz s’accumule dans la poche de terre non gelée, poussant la calotte glaciaire tabulaire solide vers le haut de 5 à 6 m jusqu’à ce qu’elle se rompe comme un furoncle (bien que graphique, l’analogie avec le furoncle n’est pas mauvaise – tout comme les internautes sont fascinés par les vidéos de boutons qui éclatent, certains scientifiques se retrouvent donc attirés par les cratères de Yamal. « C’est la combinaison de l’inconnu et du risque lié à ces cratères qui m’a attiré », admet Natali).

Lorsqu’ils éclatent enfin, ils apparaissent certainement spectaculaires. La boue et la glace au-dessus de la poche remplie de gaz, ainsi qu’une grande partie des matériaux dans la section non gelée elle-même, sont projetés vers l’extérieur jusqu’à 300 m (980 ft) de distance. La force est si grande que des blocs de terre d’un mètre de diamètre sont projetés vers l’extérieur, laissant derrière eux un cratère avec un parapet surélevé, une large ouverture et un trou cylindrique plus étroit – que l’on pense être la poche non gelée -. Des éleveurs de rennes locaux ont rapporté avoir vu des flammes et de la fumée après l’explosion d’un cratère en juin 2017 sur les rives de la rivière Myudriyakha. Les villageois de Seyakha, un village situé à environ 33 km au sud du cratère, ont déclaré que le gaz avait continué à brûler pendant environ 90 minutes et que les flammes atteignaient une hauteur de 4 à 5 mètres.

En un an ou deux, les bords de la plaie sombre et furieuse s’érodent et se remplissent d’eau

Dans cette région peu peuplée du monde, le fait que l’un d’entre eux se produise si près d’un établissement a suscité des inquiétudes. La région est également parsemée de pipelines pour les infrastructures pétrolières et gazières qui tentent d’atteindre les gisements de combustibles fossiles enfouis sous le permafrost.

« Nous ne savons pas encore s’il s’agit de quelque chose qui pourrait représenter un risque pour les habitants de l’Arctique », déclare Natali. Elle et ses collègues ont essayé de répondre à cette question particulière en cherchant des signes d’autres cratères sur des images satellites à haute résolution.

« Lorsque nous trouvons quelque chose qui ressemble à un cratère, nous utilisons alors des séries chronologiques d’images à très haute résolution [images satellites du même endroit prises à des moments différents] pour essayer de déterminer quand ils se sont formés », dit-elle. Leur travail semble suggérer qu’il y a plus de cratères qu’on ne le pensait auparavant. « Nous avons jusqu’à présent confirmé et validé deux nouveaux emplacements de cratères. Si l’on considère qu’en 2013, nous ne savions rien de ces cratères, il est très probable qu’il y en ait d’autres.

L’équipe de Natali a également trouvé 17 autres cratères possibles au début de l’année, mais l’analyse d’images haute résolution les a amenés à conclure qu’ils ne se sont peut-être pas formés à partir d’émissions de gaz explosifs. être des cratères d’émissions de gaz. « Il est difficile de valider complètement tant que nous ne pouvons pas être sur le terrain », ajoute Natali.

A terme, elle et son équipe espèrent recueillir suffisamment de données pour pouvoir automatiser le processus de recherche. Leur objectif est de créer un algorithme capable de prévoir les cratères avant qu’ils ne se forment en observant les monticules d’émissions de gaz probables sur les images satellite.

« Nous espérons arriver à un point où nous pourrons les voir avant qu’ils ne se forment », dit Natali. « C’est le genre d’informations que vous souhaitez particulièrement connaître lorsque ces événements se produisent dans une région où il y a des gens qui vivent, des pipelines et d’autres infrastructures gazières et pétrolières ».

L’élucidation de la fréquence exacte de ces cratères est actuellement un processus lent. Après leur naissance violente, la plupart semblent disparaître dans le paysage presque aussi rapidement – le vide laissé par l’explosion près de Seyakha – qui mesurait 70m de large par endroits et plus de 50m de profondeur – a été inondé d’eau en quatre jours seulement en raison de sa proximité avec la rivière. Cette transition du trou au lac semble être une fin plutôt inoffensive à un événement dramatique.

D’autres cratères mettent plus de temps à être inondés, mais en un an ou deux, les bords de la plaie sombre et furieuse s’érodent et se remplissent d’eau pour devenir presque impossibles à distinguer des milliers d’autres petits lacs ronds – appelés lacs thermokarstiques – qui parsèment le paysage. On ne sait pas encore exactement combien de ces lacs sont les cicatrices de cratères d’émission de gaz.

« Il est probable que certains des lacs du permafrost soient des cratères d’émission de gaz inondés », dit Kizyakov. « Il est trop tôt pour dire à quel point c’est un mécanisme de formation de lacs. »

Certains chercheurs ont essayé d’identifier d’anciens cratères d’émission de gaz en mesurant les produits chimiques dissous dans des lacs caractéristiques, mais n’ont pu identifier aucun modèle.

Découvrir à quel point ces événements sont fréquents est plus qu’une simple curiosité. On craint de plus en plus que l’apparition des cratères dans le nord-ouest de la Sibérie ne soit liée à des changements plus vastes qui se produisent dans l’Arctique en raison du changement climatique.

Les cratères sont un indicateur très choquant de ce qui se passe dans l’Arctique en général – Sue Natali

Les températures de l’air en surface dans l’Arctique se réchauffent deux fois plus vite que la moyenne mondiale, ce qui augmente la quantité de dégel du permafrost pendant les mois d’été.

Cette situation transforme le paysage arctique, entraînant des affaissements et des glissements de terrain appelés « dégel« . La Sibérie s’enorgueillit d’avoir peut-être le plus grand effondrement de dégel de la planète – le mégaslump de Batagaika, qui est passé d’un simple ravin dans les années 1960 à une largeur de près de 900 mètres (3 000 pieds). (En savoir plus sur le mégaslump que les locaux appellent « la porte de l’enfer »).

« Je ne connais aucun autre endroit sur la planète où le changement climatique entraîne une modification de la structure physique du sol », déclare Natali.

Le permafrost de l’Arctique recèle d’énormes quantités de carbone, environ deux fois plus que la quantité actuellement présente dans l’atmosphère. Il se trouve principalement sous la forme de restes gelés de plantes et d’autres matières organiques, ainsi que de méthane qui a été piégé dans les cristaux de glace – les hydrates de gaz que Chuvilin mentionne plus tôt. Lorsque le sol dégèle, il permet aux microorganismes de décomposer la matière organique, libérant du méthane et du dioxyde de carbone comme sous-produits, tandis que le méthane emprisonné dans la glace se libère également.

En tant que puissant gaz à effet de serre, ce méthane qui s’échappe du permafrost a le potentiel d’accélérer le réchauffement climatique et donc de faire fondre encore plus.

Mais à Yamal, les cratères ont fait naître la perspective d’un autre processus qui ajoute encore plus d’incertitude à la boucle de rétroaction complexe entre la hausse des températures, le dégel du permafrost et la libération des gaz à effet de serre. S’il s’avère que les dépôts de méthane piégés dans le sous-sol par le permafrost commencent à s’infiltrer vers le haut à travers les couches de permafrost normalement impénétrables, cela pourrait être le signe que la calotte glaciaire gelée au-dessus de la toundra devient plus perméable. Cela pourrait introduire de nouveaux niveaux d’incertitude sur la façon dont les changements dans l’Arctique sont susceptibles d’avoir un impact plus large sur le réchauffement climatique de la planète.

« Les cratères sont un indicateur très choquant de ce qui se passe dans l’Arctique en général », déclare Natali. « Lorsque vous regardez les changements qui se produisent dans ce paysage, certains se produisent progressivement et d’autres brusquement. Très peu se produisent de manière explosive, mais cela attire l’attention sur la façon dont tous ces changements contribuent aux gaz à effet de serre dans l’atmosphère ».

Si le mystère des cratères de Yamal n’est pas encore complètement résolu, ce qui a été élucidé jusqu’à présent suggère que nous devrions peut-être les observer attentivement à l’avenir.

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