Thèse Système de Production d'H2 Naturel à Taiwan H/F - Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université de Toulouse École doctorale : SDU2E - Sciences de l'Univers, de l'Environnement et de l'Espace Laboratoire de recherche : GET - Geosciences Environnement Toulouse Direction de la thèse : Frédéric MOUTHEREAU ORCID 0000000170734905 Début de la thèse : 2026-10-01 Date limite de candidature : 2026-11-23T23:59:59 Ce projet vise à caractériser et quantifier le système naturel de production d'hydrogène (H) du sud de Taïwan en intégrant l'architecture tectonique, la structure lithosphérique profonde, la géochimie des fluides et la modélisation numérique. Il a pour objectifs de définir la géométrie 3D du corps de manteau superficiel serpentinisée et du réseau de failles constituant les voies de drainage des fluides d'origine mantellique et de l'hydrogène naturel, de développer des modèles numériques 2D puis 3D de circulation réactive simulant la production, la migration et le piégeage potentiel de l'H, et de quantifier et calibrer ces modèles à partir de données sur les gaz nobles et les isotopes des fluides, afin que les flux, chemins d'écoulement et temps de résidence soient directement contraints par les observations de terrain. Comme un système pétrolier, un système naturel d'hydrogène nécessite une source, des voies de drainage et un piège connectés dans l'espace et dans le temps. Le sud de Taïwan constitue un laboratoire naturel exceptionnel pour étudier ce type de système, car il associe une construction orogénique active, un réseau de failles profondes et des indices de circulation de fluides d'origine mantellique. Les données de tomographie sismique et la modélisation pétrophysique (LitMod2D) ont révélé un corps de manteau superficiel sous la chaîne Centrale, interprété comme lié à la délamination de la croûte eurasiatique. Des analyses des gaz du sol et des sources chaudes dans le sud-est de Taïwan ont également mis en évidence des concentrations significatives en H associées à une signature isotopique de l'hélium d'origine mantellique, compatible avec une serpentinisation active en profondeur. Cependant, la connexion entre cette source profonde d'H et les émanations de surface reste inconnue, de même que l'amplitude et l'efficacité du transport des fluides. L'originalité du projet est d'aborder la production, le drainage et le piégeage comme un système couplé et quantitativement contraint. Une cartographie structurale détaillée et une reconstruction 3D du réseau de failles actives et de sutures permettront de définir la géométrie, la cinématique et la perméabilité relative du réseau de circulation. Un modèle pétrophysique 3D (LitMod3D_4.0), contraint par la tomographie sismique (Vp, Vs), la gravimétrie et le flux de chaleur, permettra de caractériser le corps mantellique et de quantifier son degré de serpentinisation. Des campagnes de terrain sur les sources thermales, les volcans de boue et les sites de dégazage des sols permettront de caractériser H, CH, CO et N, ainsi que les gaz nobles et isotopes (³He/He, Ne, Ar, D-H), afin d'identifier les contributions mantellique, crustale et superficielle, de contraindre les mélanges et d'estimer les temps de résidence des fluides. Ces données seront intégrées dans Terranta Flow au moyen de modèles 2D puis 3D couplant transfert thermique, loi de Darcy et transport réactif de l'H. Les chemins d'écoulement, flux, proportions de mélange et temps de transit prédits seront directement comparés aux observations et utilisés pour calibrer le modèle. Le projet produira ainsi un modèle structural 3D du réseau de drainage de l'H, un modèle lithosphérique actualisé quantifiant la serpentinisation du manteau, un nouveau jeu de données sur les gaz nobles et isotopes permettant de contraindre l'origine et l'histoire de migration des fluides, ainsi qu'un modèle numérique calibré fournissant des flux d'H et des temps de transit quantitatifs. Enfin, la comparaison avec le système hydrogène pyrénéen contrôlé par les évaporites permettra de mieux comprendre la diversité des systèmes naturels d'hydrogène en contexte orogénique et le rôle de l'architecture tectonique dans le contrôle de leur génération, migration et accumulation. A natural hydrogen system, like a petroleum system, requires a source, a drainage pathway and a trap that are geometrically and temporally connected. In Taiwan, a young orogen resulting from the arc-continent collision between the Luzon arc and the Chinese margin, tomographic imaging and petrophysical modelling (LitMod2D) have already revealed a shallow mantle body beneath the Central Range, interpreted as related to Eurasian crustal delamination. Soil gas and hot spring gas surveys in southeastern Taiwan show significant H concentrations together with a mantle-derived helium isotopic signature, consistent with active serpentinization at depth. However, the connection between this deep source and the surface seepages has never been resolved, nor has it been quantitatively linked to fluid transport rates.

The originality of this project is to treat production, drainage and trapping as one coupled, quantitatively constrained system: precise tectonic mapping supplies the geometry of the plumbing network, and noble gas/isotope data are used not only to identify fluid origin (as is typically done) but to directly calibrate the numerical flow model. This study aims to characterize a promising natural hydrogen production system in a young, tectonically active orogen, providing a dynamically constrained end-member for understanding hydrogen generation, migration and accumulation in active mountain belts and contributing to a broader framework for natural hydrogen systems in orogenic settings. - Define the precise geometry of the H-producing system in Taiwan: 3D architecture of the shallow serpentinized mantle body and of the fault network that drain fluids including natural hydrogen.
- Build a numerical model of reactive fluid circulations (2D then 3D) simulating H production, migration and potential trapping.
- Quantify and calibrate this numerical model using noble gas and fluid isotope data, so that modeled fluxes, flow paths and residence times are directly constrained by field measurements rather than assumed. 1. Tectonic geometry of the producing systemDetailed structural mapping and 3D reconstruction of the active fault and suture network in Southern Taiwan (geometry, kinematics, relative permeability), based on field structural data, seismicity and existing datasets, to define the precise drainage architecture connecting the mantle source to surface seepages.
2. Deep source characterization3D petro-physical modelling (LitMod3D_4.0) constrained by seismic tomography (Vp, Vs), gravity and heat flow, to locate and quantify the degree of serpentinization of the shallow mantle body beneath Southern Taiwan, an area currently poorly constrained.
3. Fluid geochemistry and noble gas/isotope tracingField campaign in Southern Taiwan (thermal springs, mud volcanoes, soil gas): major gas composition (H, CH, CO, N) and noble gas/isotope analyses (³He/He, Ne, Ar, D-H) to identify mantle, crustal and superficial fluid contributions, estimate residence times and quantify mixing/dilution along the migration path.
4. Numerical modelling of reactive fluid circulation, calibrated by tracersImplementation of the tectonic geometry (axis 1) and the source characterization (axis 2) into Terranta Flow (2D then 3D), coupling heat transfer, Darcy flow and reactive H transport. Model outputs (flow paths, fluxes, mixing ratios, transit times) are directly compared to and adjusted against the noble gas/isotope dataset (axis 3), so that the model is calibrated by observations rather than only validated a posteriori.

Master en Sciences de la Terre
compétences en Géologie et Géophysique

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