Thèse (H/F) - Caractérisation des systèmes producteurs d'hydrogène naturel par la sismologie et la modélisation numérique

Description du Poste

Sujet De Thèse

Ce projet vise à comprendre les systèmes d'hydrogène contrôlés par la déformation, en intégrant observations sismiques et modélisation physique THMC sur trois sites complémentaires : le Comminges (cible principale), l’Oman et la Nouvelle-Calédonie. L’hypothèse centrale est que la sismicité constitue un proxy observable des processus couplés reliant déformation, évolution de la perméabilité, circulation de fluides et génération d’hydrogène. La stratégie consiste à extraire des observables sismiques quantitatifs et à tester leur cohérence avec des modèles physiques concurrents.

Comminges (Occitanie) – cible applicative principale
Le prospect du Comminges constitue un laboratoire naturel unique, avec une forte pertinence industrielle. Un jeu de données étendu a été acquis au cours des trois dernières années, incluant données de sismique réflexion, forages, mesures de gaz dans les sols et expériences de sismique passive à grande échelle (HOREX® et Full-HOREX®). Ces déploiements, impliquant plus de 2 000 capteurs nodaux, offrent une imagerie haute résolution du sous-sol sur une zone de 80 × 80 km jusqu'à ~20 km de profondeur. Les résultats préliminaires révèlent un système complexe avec un corps à fortes vitesses sismiques interprété comme une zone potentielle de génération d'hydrogène (la « cuisine à hydrogène »), associé à des processus d’interaction fluide-roche, la serpentinisation, et de la sismicité. Toutefois, les mécanismes contrôlant la production de la sismicité et la migration de l'hydrogène restent incertains. La thèse de doctorat extraira des observables sismologiques diagnostiques, notamment : la distribution spatiale et la migration de la sismicité, les statistiques magnitude-fréquence et le groupement temporel, les propriétés de source (chute de contrainte, durée, mise à l'échelle moment-durée) et les anomalies de vitesse (Vp, Vp/Vs). Ces observations seront comparées quantitativement aux prédictions des modèles pour tester si le système est dominé par les interactions géométriques des failles, les propriétés rhéologiques de la zone de faille, ou les processus pilotés par les fluides et les réactions chimiques. L'objectif final est de réduire l'incertitude sur la présence, la géométrie et la dynamique des zones de génération d'hydrogène, et d'évaluer la valeur prédictive des observations sismiques pour l'exploration.

L’Oman - un système analogue contrôlé
L'ophiolite de Samail constitue un système simplifié et bien contraint où des roches mantelliques affleurent en surface et interagissent avec des fluides météoriques, permettant l'observation directe de la serpentinisation active et de la génération d'hydrogène. Une expérience de sismique active-passive conjointe, incluant une injection d'eau contrôlée en puits, permet de surveiller la réponse du système à une perturbation connue. Cela offre une opportunité unique d'établir des relations causales entre variations de pression de fluide, activation de fractures, sismicité, et génération d’H2. L'Oman servira de système de référence pour calibrer le lien entre observables sismiques et processus pilotés par les fluides, et pour distinguer les contrôles mécaniques et hydrauliques de la sismicité.

La Nouvelle-Calédonie - un système analogue intermédiaire
La Nouvelle-Calédonie offre un niveau de complexité intermédiaire, combinant serpentinisation active, déformation intense et conditions hydrologiques hybrides (tropical humide, océanique). Le système est caractérisé par des jeux de données existants étendus (géochimie, hydrogéologie, sismique, magnétotelluriques), complétés par de nouvelles acquisitions dans le cadre d’un projet de l’Ifremer INCOGNITO. Ce site permet d'étudier le couplage déformation-fluides à différentes échelles, du domaine continental au domaine offshore, et fournit des contraintes clés sur la structure de perméabilité et les chemins de migration de l'hydrogène.

Approche intégrée et cadre de modélisation
Le projet repose sur une stratégie d'observation multi-échelle combinant des réseaux sismiques nodaux denses, la mesure acoustique distribuée par fibre optique (DAS) et des données de sismique active, pour détecter et caractériser la sismicité sur l'ensemble du spectre de déformation (séismes, trémors, glissements lents). Ces observations seront interprétées dans un cadre de modélisation physique THMC, dans lequel la déformation contrôle l'évolution de la perméabilité, la pression de fluide évolue par écoulement poreux, et les réactions (serpentinisation) modifient les propriétés volumiques et mécaniques. L'objectif est de déterminer quelles combinaisons de processus peuvent reproduire les signatures sismiques observées. En comparant observations et prédictions de modèles sur les trois sites, le projet identifiera les mécanismes contrôlant la génération et la migration de l'hydrogène, quantifiera le rôle de la perméabilité induite par la déformation et évaluera la valeur diagnostique des observables sismiques. Cette approche vise à terme à développer des outils prédictifs pour l'exploration et la surveillance de l'hydrogène naturel, ancrés dans des modèles physiquement cohérents et validés par des observations multi-sites.

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Le GET est membre de la structure fédérative Observatoire des Sciences de l’Univers (OSU) « Observatoire Midi-Pyrénées » (OMP) à tutelle CNRS, CNES, IRD, Météo-France et Université de Toulouse. Il regroupe à ce jour un effectif de 226 personnes, incluant 156 permanents (52 CNRS, 55 UT/CNAP, 38 IRD, 11 CNES) et plus de 70 doctorants et chercheurs CDD.

Le GET est affilié aux domaines et instituts « Terre & Univers » (INSU) et « Écologie et Environnement » (INEE) du CNRS, au département « Dynamique Internes et de Surfaces des Continents » (DISCO) de l’IRD et du domaine « Terre – Océans – Surfaces Continentale – Atmosphère » (TOSCA) du CNES. Le GET est également depuis 2011, une unité affiliée et composante de l’Institut Carnot ISIFoR (Ingenierie durable des géoressources).

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