Travaux réalisés depuis le navire

Cartographie : Géologie à l'échelle régionale.

La campagne HERMINE a permis de compléter les acquisitions acoustiques réalisées lors de campagnes précédentes (BICOSE2014, LEVE-SMF 2016)  L'expertise géologique acquise sur les autres sites de l'Atlantique, couplée à l'analyse géologique (tectonique, volcanisme, affleurement de roches mantelliques) des données bathymétriques et de réflectivité du fond, ont permis de déterminer à bord une vingtaine de cibles d'exploration sur l'ensemble du permis. Plusieurs de ces cibles étaient suffisamment précises pour être déjà abordées et échantillonnées pendant des opérations de plongée Nautile.

Bathysonde /rosette : détection de panaches et quantification des exports

A l'échelle régionale. La localisation des sites actifs à partir de leur panache est une méthode d'exploration qui a fait ses preuves. Une partie de la campagne HERMINE sera donc dédiée à la détection et l'étude des panaches à l'échelle régionale sur l'ensemble du permis. Cette approche implique la caractérisation chimique (gaz, minérale, organique, isotopique) des panaches hydrothermaux, des fluides (purs et dilués) à différentes échelles de temps et d'espace afin de mieux contraindre les processus géochimiques contrôlant la composition des minéralisations et de comprendre leur(s) rôle(s) dans les cycles biogéochimiques globaux des métaux.

A l'échelle locale. L'échantillonnage du panache proximal de TAG par sous-marin sera couplé à un maillage de prélèvement par CTD-rosette sur une échelle de 0 à 50 km pour étudier la distribution des espèces chimiques (métaux, gaz, DOC et POC) sur le continuum spatial sortie de fluides/panache distal. Un mouillage associant piège à particules et mesures de courant par effet Doppler (ADCP) permettront par ailleurs de mieux appréhender l'hydrodynamisme local et quantifier l'export des particules du panache et leur influence à l'échelle régionale. En association avec le LEMAR, GET, LEGOS et MIO, cette étude a obtenu la labellisation Geotraces Process Studies et s'intègre parfaitement dans la thématique du programme d'étude des grands cycles biogéochimiques mondiaux et de la caractérisation des sources et puits d'espèces métalliques dans l'océan ouvert.

Ces études constituent un maillon important de connaissance des panaches naturels qui servira pour mieux contraindre les études d'impact de panaches anthropiques qui seraient générés par des exploitations minières.

Détection acoustique des panaches hydrothermaux :

Depuis des nombreuses années, l'Ifremer utilise les données d'amplitude rétrodiffusée de la colonne d'eau, délivrées par les sondeurs multifaisceaux installés sur les navires et/ou sur les engins sous-marins, pour la détection des émissions de fluides en fond de mer. Sur les zones de dorsales ou de bassins arrière-arc, cette approche a été utilisée lors des campagnes BIG, FUTUNA, COLMEIA, BICOSE 2014, STORM et LEVE_SMF. En fonction de la profondeur, les données issues des sondeurs coque permettent d'identifier les sites actifs et de localiser avec précision la position des sources hydrothermales au fond. Les données issues de capteurs installés sur les engins sous-marins évoluant près du fond, tels que l'AUV ou le ROV, permettent en plus d'identifier certains sites fossiles par la détection de structures morphologiques comme les cheminées et monts hydrothermaux inactifs. La campagne LEVE_SMF (2016), a été effectuée avec le sondeur multifaisceaux Kongsberg EM122 (12 kHz) du N.O. L'Atalante. Les résultats ont permis de valider la faisabilité de la détection acoustique, à partir du navire, des émissions de fluides à des profondeurs avoisinant les 3700 m. Cette approche à été utilisé avec succès lors de la campagne CHUBACARC en 2019 pour découvrir le site hydrothermal la Scala dans le bassin de Woodlark. Pendant la campagne HERMINE, les données acoustiques colonne d'eau ont été enregistrées de façon continue sur tous les transits, profils et stations. Ces données ont été acquises avec le sondeur multifaisceaux RESON 7150 avec la fréquence de 12 kHz selon différentes configurations en fonction des objectifs des opérations. Ce nouveau jeu de données devait permettre d'évaluer la capacité du SMF du Pourquoi Pas ? à détecter des emissions hydrothermales et potentiellement de l'appliquer pour l'identification de nouveaux sites hydrothermaux dans la zone d'étude.

Dragages : nature et extension des laves et roches mantelliques

Afin de cartographier la géologie des zones explorées et de contraindre l'environnement géologique des minéralisations, il est nécessaire de connaitre la nature et la composition des roches volcaniques et ultrabasiques. Ces roches sont la source des métaux et constituent le substrat des minéralisations étudiées. La connaissance de l'origine de ces roches et des anomalies géochimiques locales peut apporter des contraintes sur la connaissance des systèmes en trois dimensions et sur la nature des métaux mineurs qui peuvent être concentrés dans les minéralisations sulfurées. Les roches de la croute océaniques ont donc été échantillonées par dragage et étudiées au laboratoire LGO (UBO-IUEM, Brest)

Pompe à larves Salsa : Connectivité, cycle de vie et dispersion larvaire.

L'objectif était de récolter les formes larvaires présentes dans la colonne d'eau, en analysant en particulier leur distribution dans le panache hydrothermal des sites actifs. Les prélèvements réalisés en 2014 (BICOSE) à l'aide de la pompe à larve SALSA (Serial Autonomous Larval Sampler, McLane, USA, sous licence Ifremer) avaient permis d'identifier la présence de larves de plusieurs espèces hydrothermales, dont des larves de la crevette R. exoculata, à quelques dizaines de mètres du mont actif TAG. Au cours de la campagne HERMINE, des zones à distance croissante du mont actif ont été échantillonnées, suivant la dispersion du panache hydrothermal. Ceci devait permettre de mieux caractériser l'interaction larve-panache hydrothermal. L'utilisation de pièges à particules mouillés à court (15 jours) et long (1 an) termes autour du site TAG permet également de caractériser la variabilité temporelle de la présence de certaines larves (en particulier celles descendant vers le fond juste avant leur recrutement) dans le panache via ses retombées.

Enfin, la prise en compte des paramètres environnementaux était nécessaire pour mieux déterminer l'interaction des larves avec leur environnement : courantomètres long terme pour l'hydrodynamique générale et la modélisation des flux ; données géochimiques des masse d'eau et du panache proximal et distal via les prélèvements CTD ; utilisation de capteurs (pH, T°C, Sulfures, Oxygène, néphélomètre) sur la pompe SALSA.

Mouillages

Deux lignes de mouillage comportant des pièges à particules et des courantomètres ont été déployées à TAG au cours de la mission HERMINE. L'une de ces lignes était équipée d'un piège à particule à large ouverture (PPS5) d'un courantomètre Doppler (Aquadopp) et d'un accéléromètre de l'INSU (CNRS/DT INSU). La deuxième était plus complexe incluant des profileurs de vitesse (ADCP). Le déploiement de ces deux lignes sur le site de TAG s'est faite en fin de campagne, afin d'obtenir des données de courant robustes à l'échelle annuelle ainsi qu'une première estimation de la variabilité spatio-temporelle de l'objet que constitue le panache hydrothermal de TAG. Les mouillages ont été récupérés lors de la campagne BICOSE2 (2018) et les données acquises doivent nourrir des modèles numériques qui permettront aussi de prédire, entre autres, les trajectoires de dispersion des larves ou les exports élémentaires (dissous et particulaires) associés au panache naturel.

Voici les caractéristiques des deux lignes de mouillage déployées sur le site TAG :

1^ère ligne de mouillage déployée à 100m au sud-sud-ouest des fumeurs noirs.

• Env. 500 mètres de ligne de mouillage au total positionnés env. 50 m en aval du panache principal.
• Un piège à sédiment à large ouverture (PPS3/4, de la marque Technitrade) équipé de 24 godets de prélèvement avec une fréquence d'échantillonnage d'1/15 jours. Un godet sur deux sera conditionné pour la mesure des métaux traces (remplissage avec une solution hypersaline avec ajout de fixateur), les autres étant conditionnés classiquement dans une solution de formol (env. 10%) pour analyse de la matière organique et organismes biologiques après récupération du piège. Le piège sera situé à environ 50m du fond afin de récolter un maximum des larves dispersées et des particules exportées du panaches.
• Un ADCP 300 kHz (Teledyne RDI) situé à 30 m au-dessus du piège à sédiment (env. à 80m du fond) permet la caractérisation fine des courants proches du fond, vecteurs majeurs de la dispersion larvaire en contexte hydrothermal (Kim&Mullineaux, 1998 ; Marsh et al, 2001). Afin d'appréhender au mieux l'hydrodynamique locale et sa variabilité, notamment les courants de marée, la fréquence d'échantillonnage sera au minimum de 1.1 10^-3 Hz (i.e. 1/15 min).
• 2 ADCP 300 kHz positionnés tête bêche au milieu du panache (à env. 400m du fond) permettent la mesure haute résolution des conditions hydrodynamiques dans le panache et de contraindre efficacement sa dispersion ainsi que les flux d'export associés. Comme pour l'ADCP de fond, la fréquence d'échantillonnage sera au minimum de 1.1 10^-3 Hz.
• Lest, largueurs acoustiques, flash, balise GONIO et flottabilités associées nécessaires au bon maintien vertical et la bonne récupération du mouillage.

2^ème ligne de mouillage déployée à 500m au sud-sud-ouest des fumeurs noirs :

• Env. 100 mètres de ligne de mouillage au total positionnés env. 200 m en aval dans l'axe principal d'export du panache.
• Un piège à sédiment à large ouverture (PPS5, de la marque Technitrade) équipé de 24 godets de prélèvement avec une fréquence d'échantillonnage d'1/15 jours. Les godets seront conditionnés pour la mesure des métaux traces (remplissage avec une solution hypersaline avec ajout de fixateur). Le piège sera situé à environ 100m du fond afin de récolter un maximum des particules exportées par le panache tout en s'affranchissant des phénomènes de resuspension et remobilisation de fond.
• Un Aquadopp (Nortek®) et un inclinomètre situés sous le piège à sédiment (env. à 90m du fond) permettront la caractérisation en 3D des courants locaux ainsi que les conditions d'échantillonnage du piège (angle d'ouverture) nécessaire aux calculs de flux d'export particulaire.
• Lest, largueurs acoustiques et flottabilités associées nécessaires au bon maintien vertical et la bonne récupération du mouillage.

En parallèle, des mouillages court terme équipés de petits pièges à particule (pièges source) on été déployés au fond pendant une semaine, permettant de quantifier l'export près du fond et les phénomènes de resuspension éventuels.

Cette stratégie intégrée permet la caractérisation fine des courants de fond, de l'hydrodynamique locale et du matériel exporté dans le panache, couvrant ainsi des aspects clés pour la compréhension du rôle des sources hydrothermales dans les cycles biogéochimiques globaux et dans la dispersion larvaire le long de la dorsale médio-atlantique.

Travaux effectués avec le Nautile

Plongées exploratoires sur les nouvelles cibles

Les plongées d'exploration durant la première partie de la campagne ont été déterminées en fonction de la détection de panaches chimiques ou acoustiques et des cibles géologiques basées sur l'interprétation des cartes bathymétriques et des imageries acoustiques déjà réalisées. Ces plongées avaient pour objectif de préciser les contextes géologiques et de localiser les sites actifs ou inactifs. Il s'agissait donc de réaliser de longues distances sur le fond, d'échantillonner (ex. roches, minéralisations, fluides) et de réaliser les premières observations biologiques. Les capacités d'emport du Nautile, sa capacité à se mouvoir rapidement sur le fond et à changer de direction isntantanément se sont avérées extrêmement préciseuses.

Cartographie des sites inactifs dans la zone TAG.

La cartographie haute résolution disponible (BICOSE2014) a permis de localiser plusieurs nouveaux monts hydrothermaux. Ces cartes d'une résolution métrique ont été utilisées pour mener les actions d'exploration locale des sites inactifs (cartographie à partir des observations géologiques et échantillonnage). Ces cartes permettent également un couplage entre les données géologiques et biologiques pour définir les différents types d'habitats. Des sites inactifs, de morphologie et très probablement d'âges différents, ont été identifiés sur l'ensemble du secteur de TAG. Des plongées d'exploration et d'échantillonnage sur ces sites inactifs ont été réalisées afin de cartographier l'extension des dépôts hydrothermaux mais également de préciser la nature et l'âge des minéralisations.

Échantillonnage des minéralisations hydrothermales

Les précipités hydrothermaux ont été principalement étudiés sur les dépôts actifs. La campagne HERMINE a permis de réaliser un échantillonnage détaillé de nombreux sites inactifs du secteur de TAG. Les données bathymétriques haute résolution ainsi que les observations réalisées sur le fond soulignent la présence de dépôts d'âges, et donc de maturation, très différentes sur un secteur de moins de 30km². L'objectif des prélèvements de minéralisation était donc de confronter les données minéralogiques et géochimiques (majeurs et traces) aux données géochronologiques pour (i) évaluer le potentiel minéralisé des dépôts inactifs en fonction de la maturation et (ii) évaluer la mobilité des métaux lors des processus de mise en solution et/ou reconcentration associés à la maturation des sulfures massifs.

Étude du panache hydrothermal de TAG  

A l'échelle locale. L'échantillonnage du panache proximal de TAG par sous-marin a été couplé à un maillage de prélèvement par CTD-rosette sur une échelle de 0 à 50 km pour étudier la distribution des espèces chimiques (métaux, gaz, DOC et POC) sur le continuum spatial sortie de fluides/panache distal. Ces études constituent un maillon important sur la connaissance des panaches naturels et serviront de base aux futures études d'impact en cas de perturbations anthropiques (ex. exploitation de ressources).

Échantillonnages biologiques : Structure de la faune et des habitats dans les zones hydrothermales inactives.

Conformément aux engagements de l'Ifremer auprès de l'AIFM, la campagne HERMINE a permis de poursuivre la description des habitats inactifs et leur faune associée. Les objectifs étaient de :

• Décrire l'abondance et la richesse taxonomique de la mégafaune sur la base des données d'imagerie et de prélèvements d'opportunité.
• Réaliser une cartographie préliminaire de la distribution de la faune dans les différents types d'habitats (monts inactifs, sédiments pélagiques, sédiments hydrothermaux, substrats durs basaltiques)

Une caractérisation de la biodiversité par les approches de métabarcode, mises en ?uvre pour la première fois dans cette zone, permettra l'obtention d'une première série de données qui pourront être comparées à celles obtenues par les approches plus classiques de tri et d'identification faunistique. Ces approches devraient permettre de dévoiler une part de biodiversité bien plus importante que par les approches classiques, notamment en ce qui concerne la faune de très petite taille (méiofaune, protistes) et d'obtenir des données très préliminaires de la biodiversité abyssale régionale.

Échantillonnages de fluides et panaches : Géomicrobiologie des fluides et des panaches

En étroite association avec les minéralogistes et géochimistes, la campagne HERMINE a permis de décrire la diversité et de quantifier les fonctions métaboliques des communautés microbiennes associées aux fluides et panaches hydrothermaux du site TAG. Cette étude permettra de définir et quantifier le rôle potentiel des processus biotique dans le contrôle de la composition des fluides et panaches hydrothermaux.

Travaux réalisés à terre

Bathymétrie

Des MNT bathymétriques issus des données de sondeur multifaisceau ont été genérés en mer et à terre. Suite aux différents levés acoustiques, les 6 grappes de blocs du contrat sont couvertes à 98%. Les différents rasters de bathymétrie obtenus par grappe sont à une résolution de 30m. Un MNT bathymétrique de synthèse d'une résolution de 100m a été généré pour l'ensemble du contrat.

Réflectivité

Les mosaïques de réflectivité du fond issus des données de sondeur multifaisceau ont été genérés en mer puis à terre. Suite aux différents levés acoustiques, les grappes de blocs du contrat sont couvertes à 98% par les différentes mosaïques de réflectivité (résolution de 30m). Une mosaïque de réflectivité de synthèse d'une résolution de 30 m a été générée pour l'ensemble du contrat.

Données issues des opérations de CTD-Rosette

La bathysonde-rosette du laboratoire Cycles Géochimiques (Ifremer, Gesociences Marines) est dédiée à l'exploration de la colonne d'eau à l'échelle régionale, la détection de panaches hydrothermaux et la caractérisation du panache de TAG. Les données déjà traités à terre comprennent les données de courantométrie du L-ADCP, les résultats d'analyse du Mn total, les résultats d'analyse du CH4 (incluant les profils yoyo autour panache actif de TAG). Les données de température, conductivité et turbidité, les analyses de méthane, du manganèse et de la silice, les nitrates et la salinité ont également été traitées.

Pour la partie exploration régionale, les résultats montrent généralement une bonne concordance entre les paramètres étudiés. Ainsi, les bathysondes réalisées lors de la mission HERMINE indiquent la présence d'anomalies nettes en CH4, Mn et turbidité qui traduirait la présence potentielle de site actif jusqu'alors inconnu. Au final, ces travaux ont permis de valider la présence d'une anomalie chimique dans chacune des grappes du permis d'exploration.

La bathysonde-rosette dite « propre » (INSU) est dédiée à la caractérisation de l'export des métaux via le panache hydrothermal de TAG. Les données validées comprennent les résultats d'analyse du Mn sur échantillons d'eau filtrée et non filtrée. Les données de température, conductivité et turbidité, les analyses de fer total et la silice sur eau non filtrée, les analyses des métaux traces dissous (fer et manganèse), les nitrates et la minéralogie (analyse MEB de filtres) et chimie (ex. Fe, Cu, Co, Ni, Zn, Cr, Al, Ti, V, P, Mo, Ba, Y, Zr) des particules du panache sur les filtres ont également été acquises.

Données minéralogiques et géochimiques des roches et minéralisations.

Lors de la mission HERMINE (2017), un total 214 échantillons géologiques ont été étudiés, dont 138 proviennent des seules opérations de plongées. Sur l'ensemble de ces échantillons, 136 correspondent à des minéralisations et 85 sont des minéralisations de « haute température » de type sulfures incluant les cheminées, sulfures massifs et sulfures disséminés. Trente-neuf échantillons correspondent à des minéralisations de basse température (Fe-Mn-Si) et neuf échantillons sont associés à des minéralisations à dominante siliceuse (ex. veine de quartz, brèches siliceuses¿). Les autres échantillons prélevés correspondent à des roches ignées (n=67), des brèches monogéniques (n=8) et des sédiments indurés (n=4). Les roches prélevées lors de la mission HERMINE représentent 1 tonne d'échantillons.

L'ensemble des analyses de diffraction X (minéralogie) et de fluorescence X (majeurs et traces) ont été réalisées sur les échantillons géologiques. Des analyses complémentaires d'éléments traces (ex. REE) par ICPMS ont été effectuées sur les minéralisations oxydées et sur les échantillons riches en talc et silice.

Ces données couplées aux cartes bathymétriques ont permis de proposer une première estimation (non classifiée) des ressources minérales du secteur fournie à l'Autorité Internationale des Fonds Marins.

Données isses des observations de plongées

En 2020, une série de cartes géologiques des différents secteurs du district de TAG ont été réalisées à partir du dépouillement détaillé des des vidéos de plongées Nautile ayant exploré le district et du croisement avec les données acoustiques haute-résolution acquises sur la campagne BICOSE en 2014. Différents monts hydrothermaux fossiles inconnus avant la campagne HERMINE ont donc été identifiés et leur extension spatiale determinée.