Etude des flux de dioxyde de carbone et de radon dans l’Himalaya du Népal

Membres du jury : Rapporteurs : Pr. Jean-Philippe AVOUAC Dr. Alain BONNEVILLE Examinateurs : Pr. Jean BESSE Pr. Christian FRANCE-LANORD Directeur de thèse : Pr. Frédéric PERRIER Etude des flux de dioxyde de carbone et de radon dans l'Himalaya du Népal Depuis 2005, des dégazages secs de dioxyde de carbone (CO2) ont été observés dans l’Himalaya du Népal, sur le site de Syabru-Bensi (Népal central), situé le long du Main Central Thrust (MCT), au droit duquel se concentre une majeure partie de la microsismicité de la chaîne. Ce système géothermal est caractérisé par de forts flux de CO2 marqué en gaz radioactif radon-222. Ce travail de thèse, mené d’octobre 2008 à septembre 2011, a d’abord consisté en une étude systématique des décharges de gaz de ce système. En particulier, à l’aide de la méthode de la chambre d’accumulation, couplée à la technique des fioles scintillantes pour le radon, 1640 flux de CO2 et 876 flux de radon ont été mesurés sur le sol au niveau des différentes zones de dégazage sec. Les flux atteignent des valeurs moyennes maximales très élevées, supérieures respectivement à 100 kg m-2 jour-1 pour le CO2 et 12 Bq m-2 s-1 pour le radon. Forts de cette expérience, une recherche active de dégazages de CO2 a été entreprise le long du MCT. Du Népal de l’Ouest à l’est du Népal central, plus de 2700 flux de CO2 et plus de 1300 flux de radon ont été mesurés. Les décharges globales intégrées de CO2 varient entre des valeurs de l’ordre de 1 t an-1 (0,7×10-3 mol s-1) sur deux sites du Bas-Dolpo (Népal de l’Ouest) et sur trois sites du Népal du Centre-Ouest entre la chaîne du Dhaulagiri et l’Est de la chaîne des Annapurnas, et des valeurs comprises entre 500 et 2400 t an-1 (0,38 et 1,74 mol s-1) sur trois sites de la haute vallée de la Trisuli. Aucun dégazage sec de CO2 n’a été détecté plus à l’Est jusqu’à Kodari (vallée de la Bhote Kosi). La décharge de CO2 apparaît donc organisée de façon cohérente sur des sites séparés de plus de 10 km dans une région donnée et les forts dégazages de CO2 ont lieu entre la vallée de la Marsyandi à l’Est des Annapurnas, et la haute vallée de la Trisuli. Ce segment de l’arc himalayen concentre en outre une activité microsismique modérée et coïncide avec un segment de l’arc délimité par les extrémités des ruptures des séismes de 1505 à l’ouest et de 1833 à l’est. Aucun mégaséisme ne s’y est produit depuis 1800. La décharge de CO2 est associée à la décharge de radon, avec une relation qui dépend du site. Il a par conséquent été indispensable d’étudier le terme source radon ou concentration en radium effectif (ECRa). Des mesures d’ECRa sur plus de 1400 échantillons de roches et de sols ont été réalisées au laboratoire par des méthodes utilisant des fioles scintillantes et des films. De cette étude intensive, des résultats souvent inattendus ont été obtenus, à la fois dans la caractérisation des sols et dans celle des roches, ouvrant de nombreuses perspectives dans des domaines variés, intéressant tant la recherche fondamentale que des applications plus pratiques. Enfin, des modèles simples de transport des gaz et du dégazage ont été mis en place pour chercher à expliquer l’ensemble des observations obtenues sur ces sites variés. Parfois, on constate une forte décharge de radon associée à une faible décharge de CO2 lorsque le CO2 provient du dégazage d’une source chaude riche en radon, ou lorsque le sol montre une forte concentration en radium effectif. Les forts flux de radon associés aux forts flux de CO2 peuvent suggérer un dégazage d’une source thermale à débit important, mais peuvent aussi s’expliquer en l’absence de dégazage d’origine hydrothermale, en particulier si le CO2 est transporté de sa source profonde d’origine métamorphique vers la surface à travers un réseau de failles. Dans ce dernier cas, des vitesses de transport de gaz importantes sont envisageables, ce qui pourrait permettre un transfert rapide vers la surface des modifications profondes engendrées par la nucléation d’un séisme. Ce travail de thèse ouvre ainsi de nouvelles perspectives dans la relation entre les séismes et les fluides géologiques. Study of carbon dioxide and radon fluxes in the Nepal Himalayas Since 2005, dry carbon dioxide (CO2) degassing areas have been observed in the Nepal Himalayas, at the natural site of Syabru-Bensi (Central Nepal), located along the Main Central Thrust (MCT), below which most of the microseismic activity of the orogen is concentrated. This geothermal system is characterized by large CO2 fluxes marked with the radioactive gas radon-222. This thesis, carried out from October 2008 to September 2011, has dealt, first of all, with a systematic study of the gas discharge zones of the Syabru-Bensi geothermal system. Using the accumulation chamber method, coupled with the scintillation flasks technique for radon, 1640 CO2 fluxes and 876 radon fluxes were performed on the ground in the vicinity of the various dry gas discharge zones. Fluxes reach extremely high maximum average values, larger than 100 kg m-2 day-1 and larger than 12 Bq m-2 s-1 for CO2 and radon, respectively. Using this pilot study, active research in CO2 degassing occurrence has been carried out along the MCT. From Western Nepal to the Eastern part of Central Nepal, more than 2700 CO2 fluxes and more than 1300 radon fluxes have been measured. Integrated CO2 discharge varies from values of the order of 1 Ton yr-1 (0.7×10-3 mol s-1) at two locations in Lower Dolpo (Mid-Western Nepal) and three locations in Mid-Western Nepal between Dhaulagiri and Eastern Annapurna range, to values ranging from 500 to 2400 Ton yr-1 (0,38 et 1,74 mol s-1) at three locations in the Upper Trisuli Valley. No gas discharge could be detected further east till Kodari in the Bhote Kosi valley. CO2 discharge, thus, appears organized coherently in sites separated by more than 10 km in a given region and high discharges are observed restricted between the Marsyangdi valley, East of Annapurna, and the Upper Trisuli valley. This segment of the Himalayan arc is also characterized by moderate microseismic activity, and coincides with a segment of the arc, bordered to the east by the edge of the rupture of the 1505 earthquake and to the west by the edge of the rupture of the 1833 earthquake, which, thus, represents a segment where no large earthquake has been observed at least since 1800. CO2 discharge is also associated with radon-222 discharge, with a relationship depending on the site. It was thus essential to study the radon source term, or effective radium concentration (ECRa). ECRa from more than 1400 rock and soil samples were determined in the laboratory using both scintillation flask and film methods. Unexpected results were often deduced from this extensive study, in soil and rock characterization, opening new perspectives in various domains, from fundamentally researches to practical applications. Finally, simple gas and degassing transport models have been elaborated to explain the whole data set observed at these various sites. In some cases, high radon discharge is noticed in the presence of weak CO2 discharge, when the CO2 originates from the degassing of a radon-rich hot spring, or in the presence of near-surface anomalous radium-226 content. High radon flux associated with high CO2 flux can result from degassing from a thermal spring with high flow rate, but can also appear in the absence of degassing from hydrothermal spring, in particular if CO2 is transferred from metamorphic sources at depth through fault networks. In the latter case, high gas transport velocities are possible, leading to possible fast transfer to the surface of changes associated with the nucleation of an earthquake. This thesis, thus, opens new perspectives about the relationship between earthquakes and geological fluids.