Dans les forêts denses du nord-ouest de la Pennsylvanie, des centaines de milliers de puits de pétrole et de gaz retirés, certains remontant au milieu des années 1800, bien avant les normes de construction modernes, parsèment le paysage, selon les géochimistes du Collège des sciences de la terre et des minéraux de Penn State qui ont récemment mené une étude dans la région. Laissés sans bouchon et exposés à l'air et à l'érosion, ils se décomposent, libérant des produits chimiques nocifs dans l'atmosphère et, selon les chercheurs, dans les eaux souterraines.
Dirigés par Susan L. Brantley, professeure de géosciences à Atherton et professeur émérite de l'Université Evan Pugh au Département de géosciences et à l'Institut des systèmes terrestres et environnementaux de Penn State, les chercheurs ont étudié 18 puits abandonnés dans et à proximité de la forêt nationale d'Allegheny et ont découvert qu'ils laissaient échapper du méthane non seulement dans l'atmosphère mais également dans les eaux souterraines adjacentes. Les eaux souterraines de certaines zones présentaient également de fortes concentrations de fer et d'arsenic dissous.
À l’aide d’un modèle informatique géochimique, l’équipe a découvert que le méthane – un puissant gaz à effet de serre qui retient plus de chaleur que le dioxyde de carbone – interagissait avec la roche proche des puits de forage pour libérer des métaux dans les eaux souterraines. Les chercheurs ont publié leurs résultats cette semaine (1er novembre) dans Geochimica et Cosmochimica Acta.
« Alors qu'une plus grande partie des puits de pétrole et de gaz dans le monde sont abandonnés et que leur intégrité structurelle diminue, la question de la qualité de l'eau va gagner en importance », a déclaré Brantley. « En effet, à mesure que les conduites de gaz rouillent et se brisent, les gaz s'infiltrent dans les aquifères souterrains à proximité et peuvent dissoudre des éléments toxiques comme l'arsenic dans l'eau. »
Après avoir identifié les puits retirés sur la base de preuves visuelles de fuites de gaz, les chercheurs, y compris une équipe d'assistants de recherche de premier cycle de GeoPEERS, qui fait partie du programme Expériences de recherche pour les étudiants de premier cycle, ont collecté 36 échantillons d'eau à proximité des puits de forage et des ruisseaux et aquifères souterrains au cours d'une à sept visites sur chaque site.
Des chercheurs du Laboratoire des isotopes et des métaux dans l'environnement de Penn State et des collaborateurs de l'Université du Wisconsin ont analysé chaque échantillon et identifié leurs signatures chimiques uniques.
L’équipe a découvert que certains des sites échantillonnés présentaient une abondance de méthanotrophes, des micro-organismes qui consomment du méthane, tandis que d’autres présentaient une abondance de méthanogènes, qui génèrent du méthane.
Les méthanogènes et les méthanotrophes créent des problèmes pour leur environnement, selon le premier auteur correspondant Samuel Shaheen, boursier postdoctoral NSF à l'Université du Minnesota, qui a terminé son doctorat en géosciences en 2024 à Penn State sous Brantley.
« Les méthanotrophes se développent et se nourrissent de méthane, qui dissout ensuite l'oxyde de fer rouge des tuyaux métalliques ou de la roche environnante, contaminant ainsi la nappe phréatique voisine avec des métaux comme l'arsenic », a-t-il expliqué. « Les méthanogènes, en revanche, produisent de plus en plus de méthane, ce qui constitue également un problème de pollution atmosphérique. »
Shaheen a déclaré que l'équipe pensait que le méthane produit par le forage de gaz naturel attirerait les méthanotrophes, mais qu'elle a dû réévaluer une fois qu'elle a trouvé davantage de méthanogènes dans certaines des zones échantillonnées. Après une enquête plus approfondie, ils ont découvert que les sites contenant davantage de méthanotrophes présentaient une autre similitude : ils présentaient également de grandes quantités de métaux dissous dans les eaux souterraines. Un sixième des échantillons dépassaient la limite de l'Environmental Protection Agency (EPA) pour l'arsenic dans l'eau potable, et plus de la moitié des échantillons dépassaient la limite de l'EPA pour le fer dans l'eau potable.
« La vérité dans la nature est que partout où il y a de la microbiologie et de la géochimie, c'est un casse-tête : certains puits produisent des méthanotrophes et d'autres des méthanogènes », a déclaré Brantley. « Sam a découvert qu'il y avait un 'commutateur' basé sur la roche dans l'aquifère et la vitesse à laquelle les eaux souterraines se déplacent dans le système qui déterminait si ces micro-organismes produisaient des eaux souterraines riches ou pauvres en métaux. »
Pour mieux comprendre leurs résultats sur le terrain de différents puits produisant des méthanogènes ou des méthanotrophes, les chercheurs ont créé un modèle géochimique pour simuler la façon dont le méthane migre à travers les puits abandonnés vers les aquifères. Le modèle a aidé à clarifier le rôle du fer et du soufre dans l'interaction avec le méthane pour modifier la chimie des eaux souterraines, a expliqué Shaheen.
« La Pennsylvanie est une puissance en matière de production d'hydrocarbures et de carburants, mais cela a un prix : il y a des centaines de milliers de puits dans tout l'État, et certains d'entre eux fuient », a déclaré Brantley. « Même si l'État a travaillé très dur pour les boucher, il n'y a aucun moyen de les atteindre tous ; ils sont tout simplement trop nombreux. »
Cependant, les chercheurs ont noté que même si de nombreuses études ont été menées sur les émissions atmosphériques, celle-ci est l'une des premières à étudier comment des puits non bouchés peuvent polluer les eaux souterraines.
« Il y a beaucoup de discussions sur la manière dont nous priorisons les puits à boucher », a déclaré Shaheen. « Jusqu'à cette étude, nous avions une vision beaucoup moins complète des impacts sur les eaux souterraines, qui pourraient influencer la prise de décision concernant le bouchage des puits. »
