Évolutions actuelles et passées du méthane et des clathrates

Les variations de la teneur en CH₄ mesurées dans la carotte de glace EPICA Dôme-C en Antarctique permettent de remonter jusqu’à 800 000 ans BP. Les fluctuations à long terme peuvent s’expliquer par la superposition des composantes cycliques correspondant aux paramètres de l’orbite terrestre (précession, obliquité et excentricité). Le forçage astronomique a fait varier l’insolation saisonnière aux différentes latitudes ce qui a conduit à des migrations de la zone de convergence intertropicale et des changements dans les systèmes de mousson. Ces variations climatiques ont influencé les sources et les puits de méthane de la zone intertropicale.

En soustrayant la composante cyclique de l’enregistrement brut de pCH₄, on peut extraire une composante de haute fréquence. Celle-ci est manifestement en corrélation avec les variations rapides de température observées dans l’hémisphère nord (événements de Dansgaard-Oeschger (DO) identifiés dans les glaces du Groenland). Cette variabilité rapide du CH₄ est aussi corrélée aux changements de la mousson asiatique enregistrée dans les stalagmites chinois. L’événement DO le plus récent (DO1 ou Bölling-Alleröd) permet d’étudier avec grande précision le déphasage entre le CH₄ atmosphérique et la température du Groenland. Les résultats montrent que les deux paramètres ont évolué de façon quasiment synchrone avec un décalage inférieur à 25 ans.

En considérant le gradient interhémisphérique de pCH₄ sur la même période (différence entre les enregistrements du Groenland et de l’Antarctique), il est possible de proposer des scénarios d’émissions du CH₄ faisant intervenir à la fois des sources boréales liées au réchauffement, ainsi que des sources tropicales liées à la réactivation des zones humides. Pour aller plus loin dans la discrimination des sources, le rapport ¹³C/¹²C a été mesuré en parallèle à la pCH₄ pour la dernière période glaciaire. De façon surprenante, les variations du ¹³C/¹²C du CH₄ ne sont pas corrélées avec celles de la pCH₄, mais elles suivent les fluctuations de la pCO₂ atmosphérique. Il y aurait donc aussi un contrôle par le CO₂ sur les écosystèmes tropicaux produisant le CH₄, notamment sur les rapports entre plantes en C3 et C4, les premières étant favorisées par les hausses de la pCO₂.

En contrepoint à ces mécanismes impliquant des sources continentales, le paléocéanographe Jim Kennett a proposé une hypothèse alternative faisant intervenir des hydrates de CH₄ marins. Cette suggestion est fondée sur des observations régionales dans les sédiments au large de la Californie. Les enregistrements sédimentaires montrent des anomalies du ¹³C/¹²C et la présence de certains traceurs moléculaires (diplopterol par exemple) qui sont des signatures de relargages de CH₄ marin pendant les phases chaudes de la variabilité DO caractérisées par des maxima de pCH₄.

Dans un clathrate (ou hydrate de gaz), le CH₄ est piégé dans une structure cristalline avec des molécules d’eau formant une cageentourant les molécules de gaz. Le méthane formé par méthanogénèse dans le sédiment est stabilisé sous forme d’hydrates à basse température et à haute pression (par exemple 0 °C et 30 bars). Les clathrates étant moins denses que l’eau, ils ne peuvent être préservés que dans le sédiment. Néanmoins, la température augmentant avec la profondeur (gradient géothermique général), les clathrates ne sont plus stables à partir d’une certaine profondeur dans le sédiment (< 1 km). Il se forme donc une couche de clathrates qui peut être localisée et cartographiée par analyse sismique du réflecteur lié au contraste solide-gaz. Les clathrates marins sont localisés majoritairement sur les marges continentales à des profondeurs supérieures à 500 m. L’inventaire actuel des hydrates de CH₄ est approximativement de 1 800 Gt de carbone, ce qui est énorme en comparaison avec le stock atmosphérique de CH₄ (≈ 4 GtC).

Le rapport D/H du CH₄ des clathrates marins est beaucoup plus élevé que celui des sources provenant des zones humides continentales. Le D/H du CH₄ des bulles d’air des glaces polaires a donc été mesuré pour tester l’hypothèse de la responsabilité des clathrates marins pour expliquer la variabilité glaciaire du CH₄ atmosphérique. On enregistre en fait des baisses du D/H pendant les événements DO, ce qui est incompatible avec une source marine. Cette conclusion est confirmée par les teneurs en ¹⁴C du CH₄ des bulles d’air occluses dans les glaces du Groenland, qui ont été analysées pour la dernière transition tardiglaciaire (Dryas récent-Préboréal). Au lieu de diminuer fortement pendant la transition, le ¹⁴CH₄ reste stable, ce qui est compatible avec du CH₄ en provenance des zones humides continentales.

Même si les clathrates ne semblent pas responsables de la variabilité climatique DO, il est important de poursuivre l’étude de leurs mécanismes de déstabilisation qui pourrait augmenter la pCH₄ atmosphérique dans le futur.

Il faut d’abord souligner que, après destabilisation des clathrates, le CH₄ qui diffuse dans la colonne d’eau est progressivement réoxydé en CO₂par des bactéries méthanotrophes. C’est notamment le cas du CH₄ provenant des suintements froids (cold seeps) qui sont des lieux sous-marins profonds d’émanation à basse température (< 40 °C) de nombreux gaz comme l’hydrogène sulfuré (H₂S) et des hydrocarbures. Pour que le CH₄ atteigne l’atmosphère, il faut que les hydrates déstabilisés soient localisés dans des sédiments peu profonds. Néanmoins, ceux-ci sont généralement pauvres en clathrates : seulement quelques pourcents du stock global se trouvent à des profondeurs inférieures à 500 m.

En lien direct avec le réchauffement mondial actuel, l’océan absorbe une part prépondérante de la chaleur qui diffuse peu à peu en profondeur. Il est donc légitime de se soucier du devenir des clathrates piégés dans les sédiments océaniques. La déstabilisation des hydrates de CH₄ est un phénomène lent car la chaleur progresse lentement dans les sédiments. Une perturbation de température à la surface des sédiments mettra environ un millénaire pour parvenir, atténuée de moitié, à 200 m de profondeur.

Plusieurs cas ont été abordés quant à la pénétration d’un changement de température dans les sédiments sous des hauteurs d’eau variées. Pour un réchauffement théorique de 1 °C pendant un siècle, la déstabilisation serait minime pour des clathrates situés à plus d’un km de profondeur. Seuls les rares hydrates situés à moins de 500 m seraient affectés. Un cas de relargage de CH₄ océanique a été mis en évidence au large du Spitzberg à des profondeurs de quelques centaines de mètres qui se sont réchauffées au cours des dernières décennies.

En plus des clathrates océaniques, il existe aussi des hydrates de CH₄ continentaux situés sous le pergélisol (ou permafrost) aux hautes latitudes de l’hémisphère nord. Ces clathrates représenteraient environ 1 % de l’inventaire des hydrates de CH₄. Même avec des températures froides en surface, le pergélisol a une épaisseur limitée à quelques dizaines ou centaines de mètres à cause du gradient géothermique.

En phase avec le réchauffement de la zone arctique, des évidences de fonte du pergélisol ont été observées avec formation de lacs thermokarstiques. Plusieurs études de la fermentation de la matière organique et du relargage de CH₄ dans les lacs arctiques permettent de distinguer plusieurs types de suintements de CH₄ superficiels ou profonds (subcap seeps). Des analyses isotopiques du CH₄ (D, ¹³C et ¹⁴C) sont utilisées pour distinguer les différentes origines du carbone.

Des flux systématiques de CH₄ vers l’atmosphère ont été observés en mer de Laptev et une grande partie des eaux côtières de la Sibérie est sursaturée en CH₄. Il ne s’agit pas de déstabilisation de clathrates marins, mais du relargage d’hydrates situés sous le permafrost qui a été inondé lors de la dernière transgression marine postglaciaire. À cause de ce phénomène, un fort changement de température s’est propagé dans le permafrost recouvert aujourd’hui d’une faible tranche d’eau marine.

Même si cette contribution des hydrates au CH₄ atmosphérique n’est encore que la réponse naturelle au réchauffement postglaciaire, cela ne doit pas nous faire oublier que le réchauffement global est amplifié en zone polaire. Ceci devrait accélérer le phénomène de déstabilisation des hydrates continentaux qui pourrait contribuer à l’augmentation de la teneur atmosphérique de CH₄. Néanmoins, le flux actuel de CH₄ lié aux hydrates en général semble encore très faible (≈ 1 %) par rapport aux autres sources de CH₄ naturelles et anthropiques.