Natural hydrogen potential and basaltic alteration in the Asal–Ghoubbet rift, Republic of Djibouti

Potentiel en hydrogène naturel et altération basaltique dans le rift d’Asal–Ghoubbet, République de Djibouti

¹ Université de Pau et des Pays de l’Adour, E2S UPPA, LFCR, Pau, France
² Office djiboutien de développement de l’énergie géothermique (ODDEG), Djibouti, Djibouti
³ Université de Pau et Pays de l’Adour, E2S UPPA, CNRS, IPREM, Pau, France
⁴ Université de Pau et Pays de l’Adour, E2S UPPA, LaTEP, Pau, France
⁵ Institut de chimie de la matière condensée de Bordeaux (ICMCB), Université de Bordeaux, UMR 5026, 33600 Pessac, France

^* Corresponding author: gabriel.pasquet@univ-pau.fr

Received: 7 December 2022
Accepted: 27 March 2023

Abstract

The Asal–Ghoubbet active rift in the Republic of Djibouti is a site of interest for geothermal energy and natural hydrogen, and previous studies have indicated that dihydrogen (H₂) emanates from this rift. However, the well-known serpentinization reaction does not appear to be the main mechanism generating H₂ at this site. Rather, the H₂ is generated as follows: (1) by alteration of basaltic lava at depth via reaction with seawater flowing from Ghoubbet Bay towards Lake Asal; (2) by simple degassing of the volcanic chamber located a few kilometers below the Fiale Caldera in the rift axis; or (3) as a result of pyritization processes via the oxidation of H₂S. Study of microorganisms did not indicate any production or consumption of H₂, CO₂, or CH₄; therefore, it is unlikely that microorganisms affected H₂ gas contents measured at the surface. However, air contamination at fumaroles is typically considerable and may limit interpretation of such processes. Drill cuttings from the Fiale 1 (F1) and Gale le Goma 1 (Glc1) wells (located on the inner and outer rift margins, respectively) were analyzed to determine where H₂ is generated. Total rock analyses indicated distinct zones at depths of 464 m and 280 m for F1 and Glc1, respectively, representing the boundary between the Asal and Stratoïd Basalts. ⁵⁷Fe Mössbauer analyses show a decrease in the percentage of Fe³⁺ at depth, indicating that Fe²⁺-rich minerals, particularly in the Stratoïd Basalts, may be a source of H₂. Based on well data from the rift center and the outer rift margin, it is evident that H₂ is present at the surface in the rift axis and that this area offers good remnant potential because of the presence of Fe-rich chlorite. Conversely, few H₂ emissions were measured at the surface on the outer rift margins, although well data showed some H₂ (∼0.25%) at depth. The presence of a cap rock in the rift axis has not yet been proven; however, the high loss on ignition and the mineralogy in well Glc1 may indicate that the rocks are sufficiently altered into clays to offer potential as a H₂ seal. If so, the rift margins would offer greater exploration potential than the rift center.

Résumé

Le rift actif d’Asal–Ghoubbet en République de Djibouti est un site d’intérêt pour l’énergie géothermique et l’hydrogène naturel, et des études précédentes ont indiqué que du dihydrogène (H₂) émane de ce rift. Cependant, la réaction de serpentinisation bien connue ne semble pas être le principal mécanisme de production de H₂ sur ce site. L’H₂ est plutôt généré de la manière suivante : (1) par altération de la lave basaltique en profondeur via une réaction avec l’eau de mer s’écoulant de la baie de Ghoubbet vers le lac Asal ; (2) par simple dégazage de la chambre volcanique située à quelques kilomètres sous la caldeira de Fiale dans l’axe du rift ; ou (3) à la suite de processus de pyritisation via l’oxydation de H₂S. L’étude des micro-organismes n’a pas indiqué de production ou de consommation de H₂, CO₂ ou CH₄ ; il est donc peu probable que les micro-organismes aient affecté les teneurs en gaz H₂ mesurées à la surface. Cependant, la contamination de l’air dans les fumerolles est généralement considérable et peut limiter l’interprétation de tels processus. Les déblais de forage des puits Fiale 1 (F1) et Gale le Goma 1 (Glc1) (situés respectivement sur les marges intérieure et extérieure du rift) ont été analysés pour déterminer où l’H₂ est généré. Les analyses de la roche totale ont indiqué des zones distinctes à des profondeurs de 464 m et 280 m pour F1 et Glc1, respectivement, représentant la limite entre les basaltes d’Asal et Stratoïd. Les analyses ⁵⁷Fe Mössbauer montrent une diminution du pourcentage de Fe³⁺ en profondeur, ce qui indique que les minéraux riches en Fe²⁺, notamment dans les basaltes Stratoïd, peuvent être une source de H₂. D’après les données des puits du centre du rift et de la marge externe du rift, il est évident que l’H₂ est présent à la surface dans l’axe du rift et que cette zone offre un bon potentiel rémanent en raison de la présence de chlorite riche en Fe. À l’inverse, peu d’émissions d’H₂ ont été mesurées à la surface sur les marges extérieures du rift, bien que les données de puits aient montré la présence d’H₂ (∼0,25 %) en profondeur. La présence d’une roche de couverture dans l’axe du rift n’a pas encore été prouvée ; cependant, la forte perte au feu et la minéralogie dans le puits Glc1 peuvent indiquer que les roches sont suffisamment altérées sous forme argileuse pour offrir un potentiel en tant que couverture à l’H₂. Si tel est le cas, les marges du rift offriraient un plus grand potentiel d’exploration que le centre du rift.