Catégorie : Science

Histoire de gaz : des puits de pétrole à l’activité de l’Etna // A story of gas : from oil wells to activity on Mt Etna

Suite à ma note du 27 mars 2021 sur l’importance des gaz volcaniques dans le processus éruptif de l’Etna, un fidèle visiteur de mon blog a apporté des éclaircissements supplémentaires extrêmement intéressants.

Dans le courrier qu’il m’a obligeamment envoyé ces derniers jours, il fait référence « à la lointaine époque où il apprenait son métier dans une entreprise d’exploitation pétrolière. » Il a alors eu accès à un document décrivant diverses techniques d’extraction du pétrole et, parmi celles-ci, la technique dite du « gas-lift », ou « bubble-pump », qui consiste à rendre artificiellement éruptif un puits de pétrole qui ne l’est pas, ou qui ne l’est plus. Il « suffit » pour cela d’injecter au fond du puits, à la base de la colonne de remontée du pétrole, des bulles de gaz sous pression…
Le document fait toutefois remarquer qu’il ne faut pas voir dans cette technique le fait que les bulles, qui ont tendance à remonter spontanément vers la surface, entraînent dans leur remontée le pétrole dans lequel elles « baignent.» C’est leur présence au sein de la colonne de pétrole qui permet de l’alléger et facilite sa remontée.

Intuitivement, on comprend facilement que, pour faire remonter le liquide contenu dans une colonne verticale, il est nécessaire de vaincre le poids total du liquide contenu dans cette colonne ; or, si l’on parvient à y ajouter du gaz en quantité importante, sous forme de bulles, le poids total du liquide contenu dans la colonne diminue, et le liquide peut remonter sous l’action d’une poussée beaucoup plus faible. C’est ce qui permet l’extraction du pétrole d’un puits où la pression est insuffisante, ou bien de faire remonter l’eau d’une nappe captive dont la pression est trop faible.

On peut aussi voir le phénomène d’un point de vue différent, en considérant la pression. Si la colonne « allégée » par la présence de gaz est bloquée à son sommet, même partiellement, on observe que la pression intérieure au sommet de la colonne est beaucoup plus élevée qu’à l’extérieur. Pour faire le calcul intuitivement, on peut s’appuyer sur le fait que l’on aura la même différence de pression si toutes les bulles sont regroupées en une ou plusieurs poches de gaz de grande extension ; or on observe que la pression à l’intérieur d’une poche de gaz – à peu près immobile – est la même partout, et que si la poche a une grande extension verticale, la pression dans la partie supérieure est extrêmement proche de celle qui règne dans la partie inférieure ; on dit alors que le gaz transmet intégralement les pressions. En conséquence, si l’on a dans la colonne une succession de poches de gaz, la pression à la base de chaque poche est transmise à son sommet, et de proche en proche, cela peut conduire à une pression extrêmement élevée au sommet de la colonne.

A partir de ces constations dans l’univers du pétrole, on peut extrapoler et penser que l’ascension du magma dans la cheminée d’un volcan  peut être facilitée par un phénomène analogue, du fait de la présence de gaz dissous ou de vapeur d’eau sous forte pression. Une pression colossale en provenance des profondeurs expliquerait sur l’Etna l’apparition de ces fontaines de lave de plusieurs centaines de mètres de hauteur. Cela expliquerait sur d’autres volcans le risque d’explosion catastrophique d’un dôme formant un bouchon dans un cratère obstrué.

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Following my post of March 27th, 2021 on the importance of volcanic gases in Mt Etna’s eruptive process, a visitor to my blog has sent me some extremely interesting additional insight. In his kind letter to me over the past few days, he refers to « the distant days when he was learning his trade in an oil company. He then “had access to a document describing various oil extraction techniques and, among these, the technique known as » gas-lift « , or » bubble-pump « , which consists in artificially giving a new life to an oi well which was not, or no longer active. To reach this goal, it “suffices” to inject pressurized gas bubbles at the bottom of the well, at the base of the oil column.

The document points out, however, that this technique should not be understood as the fact that the bubbles, which tend to rise spontaneously to the surface, carry along as they rise the oil in which they « bathe. » It is their presence in the oil column that lightens it and facilitates its ascent.

Intuitively, it is easy to understand that, in order to bring up the liquid contained in a vertical column, it is necessary to overcome the total weight of the liquid contained in this column; however, if gas is successfully added to it in large quantities, in the form of bubbles, the total weight of the liquid in the column decreases, and the liquid can rise again under the action of a much lower thrust. This is what allows oil to be extracted from a well where the pressure is insufficient, or to raise water from a captive aquifer whose pressure is too low …

One can also see the phenomenon from a different point of view, looking at the pressure. If the column that is « lightened » by the presence of gas is blocked at its top, even partially, one can observe that the internal pressure at the top of the column is much higher than at the outside. To do the calculation intuitively, one can rely on the fact that there will be the same pressure difference if all the bubbles are grouped together in one or more large gas pockets; however, one can observe that the pressure inside a gas pocket – almost motionless – is the same everywhere, and that if the pocket has a large vertical extension, the pressure in the upper part is extremely close to that in the lower part; one can then say that the gas fully transmits the pressure. Consequently, if there is a succession of gas pockets in the column, the pressure at the base of each pocket is transmitted to its top, and step by step, this can lead to an extremely high pressure at the top of the column..

From these observations in the world of oil, one can extrapolate and think that the ascent of magma in the conduit of a volcano can be facilitated by a similar phenomenon, due to the presence of dissolved gas or vapour submitted to high pressure. A huge pressure from the depths would account for the lava fountains several hundred metres high on Mt Etna. This would also explain on other volcanoes the risk of a catastrophic explosion when a dome forming a plug is obstructing a crater.

Photo : C. Grandpey

Le système fissural sur la Péninsule de Reykjanes (Islande) // The fissure system on the Reykjanes Peninsule (Iceland)

Compte tenu de la situation éruptive actuelle sur la Péninsule de Reykjanes et de l’ouverture de plusieurs fissures éruptives, il est intéressant de jeter un œil aux cartes géologiques de la région. J’en ai choisi deux proposées par Dominik Pałgan du Département de géophysique de l’Institut d’océanographie de l’Université de Gdansk.

(A) La carte A propose la topographie de la péninsule basée sur le modèle numérique d’élévation (DEM) quadrillé à 100 m. La zone est un prolongement direct sur terre de la Dorsale de Reykjanes. Sept séismes majeurs (M l> 4) se sont produits dans la région entre 1950 et 2015 (points rouges). D’une manière générale, la Péninsule de Reykjanes possède 4 grands champs géothermiques à haute température (étoiles rouges) et 4 champs géothermiques beaucoup plus petits (étoiles orange). Les quatre champs à haute température sont: 1-Reykjanes, 2-Krýsuvík, 3-Brennisteinsfjöll et 4-Nesjavellir (Hengill).

(B) La carte B est une présentation géologique simplifiée de la péninsule basée sur les travaux de Saemundsson et al. (2010). La zone se caractérise par quatre essaims distinctifs survenus sur des fissures. Chaque site présente de multiples fissures éruptives, failles, fractures, édifices volcaniques, ainsi qu’un champ géothermique à haute température.

L’éruption actuelle se trouve sur le système volcanique de Krysuvik, au sud du mont Fagradalsfjall

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Considering the current eruptive situation on the Reykjanes Peninsula and the opening of several eruptive fissures, it is interesting to have a look at geological maps of the region. I have chosen two of them as suggested by Dominik Pałgan from the Department of Geophysics, Institute of Oceanography at the University of Gdansk.

(A) Map A shows the topography of the peninsula based on the Digital Elevation Model (DEM) gridded at 100 m. The area is a direct, onshore prolongation of the Reykjanes Ridge. Seven major earthquakes (M l >4) occurred here between 1950 and 2015 (red dots). In general, the Reykjanes Peninsula has 4 major high-temperature (red stars) and 4 much smaller geothermal fields (orange stars). The four high-temperature fields are: 1-Reykjanes, 2-Krýsuvík, 3-Brennisteinsfjöll and 4-Nesjavellir (Hengill). (B) Simplified geological map of the peninsula based on Saemundsson et al. (2010). The area is characterized by four distinctive fissure swarms (named underneath each swarm) each with multiple eruptive fissures, faults, fractures, volcanic edifices and an associated high-temperature geothermal field.

The current eruption is located on the Krysuvik volcanic system, south of Mt Fagradalsfjall.

Premiers signes de vie dans des lacs volcaniques acides ? // Early life signs in acidic volcanic lakes?

Une étude effectuée par une équipe de chercheurs de l’Université d’Akita (Japon) a révélé que peu de temps après avoir émergé de l’océan, la vie a pu s’adapter et s’installer dans des lacs volcaniques acides. L’étude, publiée dans la revue Earth and Planetary Science Letters, s’appuie sur une analyse géochimique de roches sédimentaires vieilles de trois milliards d’années prélevées dans le bassin de Witwatersrand en Afrique du Sud.

Les conclusions de l’étude japonaise ne sont pas vraiment un scoop. Des recherches antérieures ont déjà mis en évidence des signes de vie autour des «fumeurs noirs» au fond des océans, ou dans des mares de boue volcanique comme les celles qui mijotent dans la caldeira d’Uzon au Kamtchatka.

L’équipe japonaise a concentré son travail sur le Dominion Group, une formation rocheuse datant du Mésoarchéen et qui se trouve sur l’une des plus anciennes portions de la croûte terrestre – le craton du Kaapvaal – en Afrique australe. Bien que le Dominion Group se compose principalement de roches volcaniques, les chercheurs ont été plus intrigués par ses litages de roches sédimentaires, connus localement sous le nom de Wonderstone.

Dans trois carrières différentes, les chercheurs ont découvert des parois de Wonderstone, parfois hautes de plusieurs dizaines de mètres. Le matériau se compose principalement de grès et de schistes que les chercheurs ont interprété comme des débris provenant de l’érosion d’un volcan et qui auraient glissé dans un grand lac. Ce lac aurait existé à peine quelques dizaines de millions d’années après l’émergence du continent de l’océan.

La Wonderstone est une roche d’aspect sombre, presque noir et lisse. La couleur provient d’un matériau riche en carbone intercalé entre les grains de la roche. Bien que les mineurs exploitent les gisements de Wonderstone depuis des décennies, l’origine du carbone reste un mystère.

L’équipe scientifique japonaise a étudié les origines du matériau de couleur sombre en examinant la disposition des différentes formes de carbone dans la roche. Ils ont remarqué que la forme la plus lourde était rare, ce qui laisse supposer qu’elle provient d’êtres vivants tels que des micro-organismes morts. Les chercheurs ont également constaté que le profil du carbone correspondait à celui que l’on est censé trouver dans des organismes producteurs de méthane, ou méthanogènes. Ces organismes appartiennent à une ancienne famille de bactéries, les archées ou Archaea, connues pour leur capacité à survivre dans des conditions extrêmes.

En général, on pense que l’acidité n’est pas propice à la vie, mais elle a permis d’expulser des roches volcaniques les nutriments nécessaires à la vie. Ces nutriments ont pu également être fournis par une autre source. En observant les métaux présents dans la Wonderstone, les chercheurs sont arrivés à la conclusion que les fluides chauds présents dans les profondeurs avaient pu s’infiltrer dans l’ancien lac et y apporter des nutriments. Aujourd’hui, les colonies d’archées colonisent les bouches hydrothermales, elles aussi  riches en nutriments, au fond des océans.

Les chercheurs pensent que la Wonderstone pourrait permettre aux scientifiques de mieux comprendre les anciens environnements lacustres sur Mars et la vie qui a pu y élire domicile, à supposer qu’une telle vie ait jamais existé.

Source: Yahoo News / ABC News.

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 A team of researchers from Akita University in Japan has suggested that shortly after emerging from the sea, life may have adapted to survive in acidic volcanic lakes. Their research, published in the journal Earth and Planetary Science Letters, comes from a geochemical analysis of 3-billion-year-old sedimentary rocks in the Witwatersrand Basin of South Africa.

The findings are not really new. Previous studies evidenced signs of life in the “black smokers” at the bottom of the oceans, or at volcanic mud pools like the acidic thermal pools in the Uzon Caldera (Kamchatka).

The Japanese team focused their study on the Dominion Group, a formation of rocks assembled in the Mesoarchean on what is today some of the oldest crust on Earth – southern Africa’s Kaapvaal Craton. Though the Dominion Group consists mostly of volcanic rocks, the researchers were most intrigued by its beds of sedimentary rock, known by local miners as Wonderstone*.

In three different quarries, the researchers found walls of Wonderstone, sometimes tens of meters tall. It consisted mostly of sandstones and shales, which they interpreted as debris that eroded from a volcano and slid downhill into a large lake. This lake would have existed just tens of millions of years after the continent’s emergence from the sea.

The Wonderstone is dark, almost black, and soft. The colour comes from a carbon-rich material interspersed between the rock’s grains. Although miners have exploited the Wonderstone deposits for decades, the origins of the carbon had remained a mystery.

The scientific team decided to investigate the origins of the dark material by looking at the array of different forms of carbon in the rock. They found a scarcity of the heaviest form of the element, which suggested that it came from living things such as dead microorganisms.

The team also found that the carbon profile matched what would be expected of methane-producing organisms, called methanogens. These organisms belong to an ancient domain of microbes called Archaea, which are known for their ability to survive in extreme conditions.

In general, it is believed that acidity is not conducive for life. But it leached nutrients from the volcanic rocks, which were necessary for life. Sustenance may have also come from another source. Metals present in the Wonderstone hinted to the researchers that hot fluids from deep underground were likely seeping into the ancient lake and bringing nutrients with them. Today, colonies of Archaea cluster around similarly nutrient-rich vents on the seafloor.

The researchers believe the Wonderstone could help scientists better understand ancient lake environments on Mars. Moreover, the rocks could shed light on the environments Martian life might have inhabited, if it ever existed.

Source: Yahoo News / ABC News.

* Wonderstone est l’appellation commerciale de la pyrophyllite qui est extradite en plusieurs endroits de la planète, comme l’Inde et l’Afrique du Sud.

Carrière de Wonderstone en Afrique du Sud

Echantillon de Wonderstone noire car riche en carbone

( Photos : Wonderstone Ltd)

Les archées ont d’abord été découvertes dans les environnements extrêmes, comme les sources chaudes volcaniques (Photo : C. Grandpey)

Les Salinelle di Paternò et leur relation avec l’activité de l’Etna // The Salinelle di Paternò and their connection with Mt Etna’s activity

Un article récemment publié sur le site Focus Sicilia aborde le comportement des Salinelle di Paternò sur le flanc sud de l’Etna et leur relation avec l’activité éruptive du volcan. C’est un sujet qui a également été abordé avec Boris Behncke et Rosario Faraci lors de la conversation « Mamma mia » sur YouTube samedi.

Il y a quelques années, j’ai effectué des observations sur ce site où l’eau bouillonne et d’où s’échappent des gaz. Mon étude est intitulée « Les émanations gazeuses sur les basses pentes de l’Etna. » Vous pourrez en lire le résumé en cliquant sur ce lien :

https://claudegrandpeyvolcansetglaciers.com/les-emanations-gazeuses-sur-les-basses-pentes-de-letna/

Avant que je m’attarde sur le site – à l’époque très boueux – plusieurs études avaient déjà établi un lien entre le comportement des salinelle et l’activité éruptive sur l’Etna. On avait observé que lorsque les Salinelle di Paternò augmentaient leur bouillonnement, l’activité de l’Etna s’intensifiait généralement quelques semaines ou quelques mois plus tard, avec des éruptions, des explosions et des paroxysmes.

Cette relation entre les salinelle et le volcan a encore été observée ces derniers temps, comme l’a confirmé un géochimiste de l’INGV de Catane, spécialiste de l’étude géochimique des fluides, en particulier sur le site de Paterno. Le scientifique explique que la corrélation entre la Salinelle di Paternò et l’Etna est indirecte. Il explique que «le cratère le plus actif des Salinelle est entré dans une phase très dynamique en novembre 2020. Il montre un bouillonnement résultant principalement du dioxyde de carbone provenant du réservoir magmatique profond situé presque au niveau du manteau terrestre. Actuellement l’eau, très salée, présente en surface une température d’environ 40 degrés Celsius. Elle a même atteint 50°C dans le passé. On estime que la nappe phréatique qui alimente le site de Paterno se trouve à environ un kilomètre de profondeur, avec une température d’environ 120 degrés». Cette eau a un réel potentiel géothermique qui pourrait être exploité pour la production d’énergie. On parle depuis des décennies de l’utilisation de ce site unique au monde, mais ces dernières années, il a été abandonné et envahi par des déchets de toutes sortes. Les Salinelle di Paternò ont enfin été nettoyées et sont désormais protégées. Il existe un projet d’intensification de la surveillance scientifique par l’INGV et, une fois réhabilité, le site pourrait être ouvert au public en 2022.

Source: Focus Sicilia.

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An article recently published on the Focus Sicilia website deals with the behaviour of the Salinelle di Paternò on the southern flank of Mt Etna and their relationship to the eruptive activity of the volcano. A few years ago, I made observations on this site where the water is boiling and where gases are escaping. My study is entitled « Gaseous Emanations on the Low Slopes of M Etna. »You can read the summary by clicking on this link:

https://claudegrandpeyvolcansetglaciers.com/les-emanations-gazeuses-sur-les-basses-pentes-de-letna/

 Before I went to work on the site – at the time very muddy – several studies had already established a link between the behaviour of salt marshes and eruptive activity on Mt Etna. Observations showed that when the Salinelle di Paternò increased their bubbling, activity at Mt Etna usually intensified a few weeks or months later, with eruptions, explosions and paroxysms.

This relationship between the salinelle and the volcano has been observed again recently, as confirmed by a geochemist at the INGV of Catania, a specialist in the geochemical study of fluids, in particular at the Paterno site. The scientist explains that the correlation between the Salinelle di Paternò and Mt Etna is indirect. He explains that “the most active crater of the Salinelle entered a very dynamic phase in November 2020. It shows a bubbling resulting mainly from carbon dioxide coming from the deep magma reservoir located almost at the level of the Earth’s mantle. Currently the water, very salty, has a surface temperature of around 40 degrees Celsius. It even reached 50°C in the past. It is estimated that the water table that feeds the Paterno site is about one kilometre deep, with a temperature of around 120 degrees Celsius”. This water has a real geothermal potential which could be exploited for energy production. There has been talk for decades about the use of this unique site in the world, but in recent years it has been abandoned and invaded by waste of all kinds. The Salinelle di Paternò have finally been cleaned and are now protected. There is a plan to intensify scientific monitoring by INGV and, once rehabilitated, the site could be open to the public in 2022.

Source: Focus Sicilia.

Photos : C. Grandpey