Le lac Kivu, un lac au pouvoir explosif

En Afrique centrale se trouve un lac profond qui a une dangereuse propension à exploser - mais l'exploiter comme source d'énergie pourrait aider à éviter une catastrophe.

Le lac Kivu est l'une des plus étranges étendues d'eau d'Afrique. Un ensemble de propriétés inhabituelles en font un sujet intrigant pour les scientifiques, ainsi qu'une source potentielle de danger et de prospérité pour les millions de personnes vivant à proximité.

Le Kivu ne se comporte pas comme la plupart des lacs profonds. En général, lorsque l'eau à la surface d'un lac est refroidie - par les températures de l'air en hiver ou les rivières qui transportent la fonte des neiges au printemps, par exemple - cette eau froide et dense coule, et l'eau plus chaude et moins dense remonte des profondeurs du lac.

Ce processus, connu sous le nom de convection, maintient généralement la surface des lacs profonds plus chaude que leur profondeur.

Mais au lac Kivu, les circonstances ont conspiré pour bloquer ce mélange, donnant au lac des qualités inattendues - et des conséquences surprenantes.

À cheval sur la frontière entre le Rwanda et la République démocratique du Congo, le Kivu fait partie d'une série de lacs bordant la vallée du Rift est-africain, où le continent africain est lentement déchiré par les forces tectoniques.

Les tensions qui en résultent amincissent la croûte terrestre et déclenchent une activité volcanique, créant des sources chaudes sous le Kivu qui alimentent les couches inférieures du lac en eau chaude, en dioxyde de carbone et en méthane.

Les microorganismes utilisent une partie du CO2, ainsi que la matière organique qui s'enfonce par le haut, pour créer de l'énergie, produisant du méthane supplémentaire comme sous-produit.

Normalement, ces gaz sortent de l'eau par bulles, mais la grande profondeur du Kivu - plus de 460 mètres à son point le plus profond - crée une telle pression qu'ils restent dissous.

Ce mélange d'eau et de gaz dissous est plus dense que l'eau seule, ce qui l'empêche de monter. L'eau plus profonde est également plus salée en raison des sédiments qui tombent des couches supérieures du lac et des minéraux des sources chaudes, ce qui augmente encore la densité.

Le résultat, selon le limnologue Sergei Katsev de l'université du Minnesota Duluth, est un lac avec plusieurs couches d'eau distinctes de densités très différentes, avec seulement de fines couches de transition entre elles.

Les couches peuvent être séparées grossièrement en deux régions : une région d'eau de surface moins dense au-dessus d'une profondeur d'environ 60 m et, en dessous, une région d'eau saline dense qui est elle-même davantage stratifiée, explique Alfred Wüest, physicien aquatique à l'École polytechnique fédérale de Lausanne.

Il y a un mélange à l'intérieur de chaque couche, mais elles n'interagissent pas les unes avec les autres.

"Il suffit de penser à la masse d'eau entière qui est restée là pendant des milliers d'années sans rien faire", dit Wüest, qui a étudié la convection dans différents lacs du monde, y compris des aberrations bizarres comme le lac Kivu.

Mais le lac Kivu est plus qu'une simple curiosité scientifique. Sa stratification inhabituelle et le CO2 et le méthane piégés dans ses couches profondes font craindre aux chercheurs une catastrophe imminente.

Un danger caché

Pour les personnes qui doivent se déplacer sur le lac pour leur subsistance, le risque de voir du gaz jaillir constitue un grave danger

À environ 2 250 km au nord-ouest du Kivu, un lac de cratère au Cameroun, le lac Nyos, accumule et piège de grandes quantités de gaz dissous - en l'occurrence du CO2 - provenant d'une cheminée volcanique au fond du lac.

Le 21 août 1986, le potentiel mortel de ce réservoir de gaz a été mis en évidence de façon tragique. Probablement en raison d'un glissement de terrain, une grande quantité d'eau a soudainement été déplacée, provoquant un mélange rapide du CO2 dissous avec les couches supérieures du lac et sa libération dans l'air. Un grand nuage de gaz mortel a asphyxié environ 1800 personnes dans les villages voisins.

De tels événements sont appelés éruptions limniques, et les scientifiques craignent que le Kivu ne soit mûr pour un événement similaire, encore plus meurtrier. Le Nyos est un lac relativement petit, mesurant un peu plus d'un mille de long (1,6 km), un peu moins d'un mille de large et moins de 210 m de profondeur.

Le Kivu mesure 89 km de long, 48 km de large et plus de deux fois plus profond que le Nyos. En raison de sa taille, dit Katsev, le Kivu "a le potentiel pour une éruption limnique majeure et catastrophique où de nombreux miles cubes de gaz seraient libérés".

Environ 14 000 personnes vivaient près du Nyos au moment de l'éruption. Plus de deux millions de personnes vivent aujourd'hui aux alentours du lac Kivu, dont environ un million dans la ville de Bukavu, en République démocratique du Congo.

Si le Kivu entrait en éruption, dit la limnologue Sally MacIntyre de l'Université de Californie à Santa Barbara, "ce serait complètement catastrophique".

Le lac Kivu est aussi une voie navigable importante

Ce n'est pas seulement une préoccupation théorique. Les scientifiques ont trouvé ce qui pourrait être la preuve d'au moins une précédente éruption limnique au Kivu, qui s'est probablement produite il y a entre 3 500 et 5 000 ans, et peut-être plusieurs autres plus récentes.

Des carottes de sédiments prélevées au fond du lac ont révélé des caractéristiques connues sous le nom de couches brunes qui ne ressemblent pas aux sédiments environnants. Ces bandes de sédiments sont "des couches très inhabituelles, riches en matière organique", dit M. Katsev, qui pourraient être le résultat d'éruptions.

Les éruptions limniques peuvent se produire pour deux raisons. Si l'eau devient complètement saturée de gaz dissous, tout CO2 ou méthane supplémentaire injecté dans le lac sera forcé de sortir de la solution, de monter et d'être libéré dans l'air.

Des éruptions peuvent également se produire lorsque quelque chose force l'eau profonde avec ses gaz dissous à se mélanger avec les couches supérieures, réduisant la pression sur les gaz et leur permettant de sortir rapidement de la solution et de s'échapper, comme on le ferait en secouant une canette de soda puis en l'ouvrant.

Bien qu'un glissement de terrain de l'ampleur de celui que l'on soupçonne dans l'éruption du Nyos puisse ne pas provoquer un mélange suffisant au Kivu, en raison de la taille et de la profondeur du lac, il existe plusieurs autres déclencheurs possibles.

Le Kivu est une zone sismique active, un tremblement de terre pourrait donc générer des vagues dans le lac qui mélangeraient suffisamment les couches pour libérer les gaz emprisonnés. Le climat est également un coupable potentiel.

Des stations expérimentales, vues de loin, ont été mises en place pour tenter de capter les gaz en toute sécurité dans les profondeurs du lac Kivu

Au moins une éruption passée découverte dans les sédiments semble avoir été causée par la sécheresse qui a fait évaporer suffisamment d'eau du haut du lac pour réduire la pression aux niveaux inférieurs et libérer les gaz dissous.

La baisse des niveaux d'eau pendant les périodes sèches pourrait également rendre le Kivu plus vulnérable aux perturbations dues à des pluies particulièrement abondantes.

Ils pourraient chasser suffisamment de sédiments accumulés dans les nombreux cours d'eau qui alimentent le lac pour que les couches se mélangent, explique MacIntyre.

Les chances d'une telle séquence d'événements pourraient augmenter à mesure que la planète se réchauffe, dit MacIntyre. On s'attend à ce que le changement climatique apporte davantage de pluie en Afrique de l'Est, et "cela va se faire sous la forme de pluies plus extrêmes avec des intervalles de sécheresse plus longs entre les deux".

L'activité volcanique sous le lac ou provenant des volcans environnants est un autre déclencheur possible, mais les scientifiques pensent que le risque est faible.

En 2002, une éruption du mont Nyiragongo, situé à proximité, n'a pas apporté suffisamment de matière pour perturber les couches inférieures du Kivu. Et des études de modélisation ont montré que le volcanisme sous le lac ne causerait pas non plus de perturbations assez importantes, explique MacIntyre.

Quelle que soit la cause d'une éruption, l'effet serait le même. Les gaz accumulés seraient libérés de leur état dissous, créant des nuages denses de CO2 et de méthane qui, comme cela s'est produit avec le CO2 à Nyos, pourraient déplacer l'oxygène et conduire à l'asphyxie. Et si suffisamment de méthane était libéré dans l'air au Kivu, il y a le risque supplémentaire qu'il s'enflamme.

Katsev dit que le lac est surveillé régulièrement pour détecter les signes de hausse de la concentration de gaz, de sorte qu'une soudaine remontée "ne nous prendra pas par surprise".

Plus d'une douzaine de stations sismiques mesurent également l'activité près du lac en temps réel. Et en 2001, un effort a été entrepris pour réduire le risque d'une autre catastrophe à Nyos en siphonnant l'eau du fond du lac par un tuyau jusqu'à la surface, où le CO2 est libéré dans l'air à un rythme sûr. Des efforts similaires sont en cours au Kivu.

Exploiter les profondeurs

Le méthane du lac a été exploité comme une source d'énergie sans combustible fossile pour les communautés locales

Le risque augmente à mesure que les concentrations de gaz augmentent dans les profondeurs du Kivu. Wüest et ses collègues ont constaté que de 1974 à 2004, la concentration de CO2 a augmenté de 10 %.

Mais la plus grande préoccupation au Kivu est la concentration de méthane, qui a augmenté de 15 à 20 % au cours de la même période.

Il y a peut-être un moyen de transformer le risque du Kivu en récompense, cependant. Le même gaz qui pourrait alimenter une catastrophe naturelle mortelle a un potentiel en tant que source d'énergie pour la région.

En 2008, le Rwanda a lancé un programme pilote consistant à brûler le méthane du lac sous forme de gaz naturel et a signé l'année dernière un contrat d'exportation de méthane en bouteille. Un programme d'extraction de méthane beaucoup plus important, appelé KivuWatt, a été mis en place en 2015.

Les projets pompent l'eau des couches profondes du lac, et lorsque la pression sur cette eau est réduite, les gaz sont libérés. Le méthane est extrait pour être utilisé comme carburant, et le CO2 est pompé au fond du lac.

"Ils prennent ce gaz, l'envoient par pipeline sur la terre ferme et le brûlent comme on brûlerait des combustibles fossiles pour produire de l'électricité", explique M. Katsev.

Pour les personnes vivant à proximité du lac, cela pourrait devenir une source d'énergie importante. Une fois que KivuWatt sera pleinement opérationnel, les 100 mégawatts d'électricité produits par le projet pourraient faire une différence significative pour le Rwanda, un pays en développement où seulement 35 % de la population a accès à l'électricité.

La récolte des gaz du lac Kivu pourrait contribuer à réduire le risque d'éruption, sans toutefois l'éliminer. Néanmoins, pour un lac aussi dangereux, toute réduction des risques est une étape importante.