Space and time distribution of subsurface H₂ concentration in so-called “fairy circles”: Insight from a conceptual 2-D transport model

Variabilité dans le temps et l’espace dans le sol des structures émettrices dits « ronds de sorcières » : apport d’un modèle conceptuel de transport 2D

¹ Univ. Grenoble Alpes, Univ. Savoie Mont Blanc, CNRS, IRD, IFSTTAR, ISTerre, Grenoble, France
² Engie SA, Courbevoie, France
³ Storengy, Bois-Colombes, France
⁴ E2S UPPA, Pau, France

^* Corresponding author: isabelle.moretti@univ-pau.fr

Received: 7 December 2019
Accepted: 15 April 2020

Abstract

Natural H₂ emissions from the ground have now been measured in many places worldwide. These emissions can be localized on faults or be more diffuse in some sedimentary basins, usually of Proterozoic age. In such a case, emanation zones are often visible from aerial images or on high-resolution topographic maps since they correspond to slight depressions of circular to elliptic shape. Furthermore, the rounded depressions are covered with a scrubby vegetation which often contrasts with the surrounding vegetation. Although the emission structure displays a very regular shape, the distribution of H₂ concentration in the first meter of soil in such a structure does show a clear pattern. For example, the maximum concentration is almost never measured in the center of the structure and the few time-resolved data show that the soil H₂ concentration is variable with time. Here, the time and space evolution of H₂ concentration is simulated using a 2-D advective-diffusive model of H₂ transport in porous media. Several parameters have been tested as the depth and periodicity of the H₂ point source (pulsed), bacterial H₂ consumption and permeability heterogeneities of the soil. The radius of the structure is linked to the time spent by the H₂ in the soil that depends on the soil permeability, the depth of the gas leakage point and the pressure of the bubble. To account for field observations, the case of a shaly, less permeable, heterogeneity in the center of the structures has been modeled. It resulted in an increase of the concentration toward the rim of the structure and a close to zero signal in its center. If the deep signal is periodic with a frequency smaller than a few hours, H₂ concentration within the soil is almost constant; in other cases, the near surface concentration wave reflects the concentration periodicity of the source with a delay (in the range of 12 h for 30 m of soil) and so the near surface H₂ concentration values will be highly dependent on the time at which the measurement is performed. H₂ monitoring through a sensor network is thus mandatory to characterize the H₂ dynamics in the soil of fairy circles.

Résumé

Des émissions de H₂ du sol ont maintenant été notées à de nombreux endroits, elles peuvent être localisées sur des failles ou plus diffuses dans certains bassins sédimentaires, généralement Protérozoïques. Dans ce dernier cas, les émanations sont souvent visibles à partir d’images satellites ou de cartes topographiques à haute résolution puisqu’elles correspondent à de légères dépressions ; la végétation est affectée, souvent détruite et la forme de la structure est circulaire ou elliptique. Les mesures de la concentration de H₂ dans le sol, lorsque le dihydrogène s’échappe des bassins sédimentaires, semblent aléatoires. Le maximum n’est presque jamais localisé au centre de la structure, les quelques données continues en temps montrent que la concentration en H₂ du sol y est variable. Sur la base d’une modélisation du transport de H₂ dans le sol, nous proposons une explication à ces données, les caractéristiques de cette concentration qui pourrait paraître aléatoire sont principalement dues à l’émission non constante de H₂, la consommation de H₂ dans le sol et aux hétérogénéités du sol. La taille de la structure émettrice est liée au temps passé par le l’hydrogène dans le sol, qui est influencé à la fois par la perméabilité du sol, par la profondeur de la fuite initiale de gaz et par la pression de la bulle. L’hétérogénéité des perméabilités des sols y entraîne une distribution non homogène de la concentration d’H₂. Les parties particulièrement moins perméables situées au centre des structures entraînent une augmentation de la concentration vers les limites de la structure et un signal proche de zéro au centre, comme observé sur le terrain. Si le signal source est régulier avec une fréquence horaire inférieure à quelques heures, un signal quasi constant peut être atteint. Dans les autres cas, le signal proche de la surface reflète le signal source en profondeur avec un retard (d’environ 12 h pour 30 m de sol) et les valeurs proches de la surface dépendent donc beaucoup de l’heure des mesures. Une surveillance permanente, de même que la connaissance de la perméabilité du sol, sont indispensables pour interpréter les données proches de la surface en termes de débit.