Un trou qui ne devrait pas exister
À la mi-juillet 2014, des équipages d’hélicoptère survolant le centre de la péninsule de Yamal, dans le nord de la Russie, ont repéré un cylindre presque parfait poinçonné dans la toundra plate, à environ 30 kilomètres au sud-est du gisement de gaz de Bovanenkovo. Des éleveurs de rennes avaient signalé, des mois plus tôt, une colonne de fumée et un éclair dans la même région. Lorsqu’une équipe dirigée par Andrei Plekhanov, du Centre de recherche scientifique de l’Arctique à Salekhard, a atteint le site, elle a trouvé un puits d’environ 20 mètres de large, ceint d’un bas rempart de blocs gelés projetés au-delà du bord. Dans la moitié inférieure, les parois étaient verticales, comme forées par une machine. La profondeur maximale mesurée le 16 juillet 2014 était de 52 mètres, soit plus que la hauteur d’un immeuble de 15 étages.
Le cratère se situe à N69,970965 E68,369575. Il a porté plusieurs noms dans la littérature : le cratère de Yamal, B1, C1 et GEC-1. À l’intérieur, les instruments ont enregistré des concentrations de méthane atteignant 9,6 à 9,8 % de l’air directement dans le cratère, contre un bruit de fond atmosphérique normal proche de 0,0002 %. Les premiers visiteurs ont avancé des explications qui allaient d’un impact de météorite à un missile perdu, voire à l’effondrement d’une installation gazière enterrée. Un porte-parole du ministère régional des Situations d’urgence a écarté l’hypothèse d’une météorite en quelques jours.
Plus de dix ans plus tard, les grandes lignes sont établies. Le cratère de Yamal appartient à une classe de structures désormais appelées cratères d’émission de gaz, ou GEC, qui se forment lorsque du gaz piégé sous le pergélisol ou en son sein accumule assez de pression pour projeter le sol gelé à travers son propre toit. Ce qui reste indécis, et vivement contesté, c’est la plomberie exacte : d’où vient le gaz, ce qui fait monter la pression, et pourquoi ces trous apparaissent sur les péninsules de Yamal et de Gydan, et nulle part ailleurs dans l’Arctique circumpolaire. Trois équipes de recherche ont publié des réponses concurrentes, et aucune n’a clos le dossier.
Pas la même plaie que Batagay
La Sibérie abrite plus d’un type de structure spectaculaire du pergélisol, et les cratères de gaz se confondent facilement avec une autre. Le mégaglissement de Batagay, en Yakoutie, est une cicatrice de dégel qui s’élargit peu à peu à mesure que le sol riche en glace fond et glisse vers l’arrière, pour devenir, au fil des années et des décennies, un amphithéâtre long d’un kilomètre. Les cratères d’émission de gaz suivent une autre horloge et obéissent à une autre force. Ils s’ouvrent en quelques secondes ou quelques jours, sous l’effet de la pression du gaz et non d’une lente fonte de surface, et ils laissent un conduit cylindrique abrupt, non une paroi de tête qui recule. Un mégaglissement érode. Un cratère de gaz détone.
Cette distinction compte pour ce que chaque structure peut nous apprendre. Le glissement enregistre la vitesse du dégel. Le cratère enregistre un réservoir enfoui de gaz sous pression et la résistance du couvercle gelé qui le retenait.
Anatomie d’un cratère d’émission de gaz
Les cratères partagent un cycle de vie reconnaissable, que l’imagerie satellite a saisi sur plusieurs sites. Avant l’explosion, un monticule grandit en surface, un renflement pouvant atteindre environ 6 mètres de haut et 20 à 55 mètres de large. Au cratère de Yamal, l’imagerie à haute résolution de 2012 et 2013 montre un monticule d’environ 8 mètres de haut à l’endroit où le trou s’est ouvert par la suite. Ces monticules ressemblent à des pingos, ces collines à cœur de glace courantes dans les paysages arctiques, mais les précurseurs des GEC sont soulevés par un fluide et un gaz sous pression, et non par la seule croissance d’un noyau de glace.
Puis le sol cède. Le couvercle se fracture, le gaz et les débris sont propulsés vers l’extérieur, et des blocs de sol gelé et de glace de sol sont projetés au loin. Au cratère de Yamal, des fragments éjectés ont été retrouvés dispersés jusqu’à environ 120 mètres, et le parapet de matériaux projetés autour du bord atteignait jusqu’à 3,2 mètres de haut. Des travaux géochimiques de Sergey Vorobyev et de ses collègues de l’université d’État Lomonossov de Moscou, avec Evgeny Chuvilin de l’Institut des sciences et technologies de Skolkovo, ont estimé que l’ancien talik, la masse de sol non gelé qui alimentait le système, représentait environ 220 000 mètres cubes.
Le trou ne reste pas un trou. L’eau de fonte, la pluie et les sédiments qui s’effondrent le comblent rapidement. Yury Dvornikov et ses collègues ont suivi deux cratères, GEC-1 et AntGEC près de la localité d’Antipayuta, sur la péninsule de Gydan : de profondeurs initiales de 50 à 70 mètres et de 15 à 19 mètres, ils sont devenus en trois ans des lacs de 3 à 5 mètres de profondeur seulement. En quelques saisons, un cratère récent devient un étang rond et trouble, difficile à distinguer des lacs thermokarstiques ordinaires qui parsèment la toundra. Ce camouflage rapide est au cœur de l’une des questions ouvertes sur le nombre de ces structures.
Pourquoi seulement ici
Les cratères se regroupent dans l’une des régions les plus riches en gaz de la planète. Les péninsules de Yamal et de Gydan reposent sur la province d’hydrocarbures de Sibérie occidentale, que la Circum-Arctic Resource Appraisal de l’U.S. Geological Survey (USGS) décrit comme « le plus grand bassin pétrolier du monde », avec « une étendue d’environ 2,2 millions de kilomètres carrés ». Les réserves de gaz évaluées de la péninsule de Yamal et de ses zones maritimes adjacentes s’élèvent à environ 26,5 billions de mètres cubes. Le seul gisement de Bovanenkovo alimente des gazoducs dont la capacité de conception cumulée atteint 115 milliards de mètres cubes de gaz par an à destination des marchés européens.
Le pergélisol y est continu et épais, atteignant par endroits 500 mètres, et il joue le rôle de couvercle étanche au-dessus du gaz sous-jacent. La même région présente aussi une anomalie thermique notable dans le sol et un réseau de failles pouvant canaliser fluides et chaleur vers le haut. Le cratère de Yamal s’est formé dans un pergélisol riche en glace, avec des températures moyennes annuelles du sol de −1 à −5 °C et une teneur globale en glace de 30 à 65 % en volume.
C’est cette combinaison qui rend le lieu déroutant plutôt qu’évident. Les cryopegs, la glace de sol et l’hydrate de méthane sont tous courants dans le pergélisol arctique, et pourtant les cratères explosifs sont confinés à ces deux péninsules. Tout modèle réussi doit expliquer non seulement l’explosion, mais aussi la géographie.
Trois équipes, trois mécanismes
Le désaccord est vif et non résolu. Les modèles concurrents ne divergent pas sur le fait que la pression du gaz déclenche l’explosion, ce que tous admettent. Ils divergent sur ce qui remplit le réservoir et fait monter la pression, et sur la profondeur à laquelle se trouve la réponse.
Le modèle cryovolcanique : la pression du gel
En 2018, Sergey Buldovicz et une équipe de l’université d’État Lomonossov de Moscou ont publié dans Scientific Reports le premier mécanisme détaillé, présentant le cratère de Yamal comme un cas de cryovolcanisme, un processus jusque-là discuté surtout pour des lunes glacées comme Triton et Encelade. Selon eux, le cratère s’est formé là où un lac thermokarstique avait rétréci puis s’était asséché, exposant le sol sous-jacent à un regel. Tandis que la poche non gelée située sous l’ancien lac, un talik, gelait de toutes parts vers l’intérieur, le gaz et le dioxyde de carbone dissous étaient comprimés dans un volume de sol humide de plus en plus réduit. La pression a grimpé jusqu’à dépasser la résistance du couvercle gelé sus-jacent, et le pingo qui s’était formé au-dessus du talik a explosé. La forme cylindrique du cratère, soutenaient-ils, reproduisait la forme cylindrique du noyau résiduel non gelé.
La géochimie étayait une origine superficielle et locale du gaz. La signature isotopique du carbone du méthane près du cratère était d’environ −76 pour mille, typique d’un gaz biogénique produit par des microbes dans le sol plutôt que d’un gaz thermogénique profond issu des réservoirs d’hydrocarbures. Une étude géochimique de 2019 de Vorobyev et de ses collègues a renforcé cette idée, en identifiant le pergélisol du site comme les restes d’un paléo-talik sous-lacustre d’où avaient été expulsés du gaz et de l’eau minéralisée.
Le modèle osmotique : la pression d’une lentille salée
En 2024, une équipe basée à l’université de Cambridge a proposé un autre moteur. Ana Morgado, ingénieure chimiste, avec Luis Rocha, Julyan Cartwright et Silvana Cardoso, a publié dans Geophysical Research Letters un modèle construit autour du cryopeg, une lentille d’eau salée non gelée piégée dans le pergélisol. Sur la péninsule de Yamal, ces cryopegs se situent sous environ 50 mètres de profondeur, juste au-dessus d’une couche d’hydrate de méthane métastable. Ce sont des saumures de chlorure de sodium titrant de 7 à 150 grammes par litre, généralement épaisses de 0,5 à 12 mètres et pouvant s’étendre sur 300 mètres de large.
Le sel est le moteur. À mesure que la couche active de surface dégèle plus profondément sous un climat qui se réchauffe, l’eau de fonte migre vers le bas le long des joints de grains, attirée par le gradient osmotique entre l’eau douce de surface et le cryopeg salin. Le cryopeg ne peut pas contenir l’eau supplémentaire, si bien que la pression monte. À terme, le sol sus-jacent se fissure, les fissures se propagent jusqu’à la surface et la pression en profondeur chute brutalement. Cette chute déstabilise l’hydrate de méthane situé en dessous, qui se dissocie et libère du gaz dans une explosion physique. L’équipe de Morgado calcule que l’accumulation peut prendre des décennies, une échelle de temps compatible avec le début du fort réchauffement de l’Arctique depuis les années 1980. Morgado a décrit le cadre requis comme « très, très spécifique, très précis ».
Tout le monde n’est pas convaincu. Chuvilin a jugé l’hypothèse nouvelle, mais s’est demandé si l’eau de fonte peut seulement atteindre le cryopeg, faisant remarquer que celui-ci se trouve loin de la surface et que la perméabilité du sol glacé est très faible. Un commentaire publié séparément a soutenu que le modèle devait tenir compte de la manière dont la salinité abaisse le point de congélation, ainsi que de la cinétique de l’expansion du cryopeg et de la dissociation de l’hydrate.
Le modèle des failles profondes : pression et chaleur venues d’en bas
La contribution la plus récente date de 2025 : Helge Hellevang, géoscientifique de l’environnement à l’université d’Oslo, avec Mats Ippach, Sebastian Westermann et Mohammad Nooraiepour, a publié dans Science of the Total Environment. Leur modèle place la source plus profondément. Des failles conductrices distinctes, soutiennent-ils, font remonter du gaz naturel et de la chaleur depuis la province d’hydrocarbures de Sibérie occidentale jusqu’à la base du pergélisol, où la chaleur déforme et fait fondre la base gelée par en dessous, tandis que le gaz s’accumule dans des pièges en dôme. Dans le même temps, le réchauffement climatique amincit le pergélisol par le haut. Là où le couvercle devient assez mince, le gaz piégé le fait sauter.
La thèse centrale de Hellevang est que le pergélisol seul ne contient pas assez de méthane pour alimenter des explosions de la taille observée ; le gaz doit donc provenir des réserves profondes. Le modèle est conçu pour répondre directement à la question de la géographie. Hellevang a déclaré à New Scientist que le changement climatique « est probablement le facteur déclenchant, mais cela se produit là parce que le pergélisol s’amincit à cause du gaz ». Son équipe conclut que la chaleur et le gaz profonds, concentrés sous le pergélisol, sont le facteur clé, le réchauffement atmosphérique n’agissant que comme un déclencheur indirect. Le travail a d’abord été mis en ligne sous forme de prépublication sur EarthArXiv, et ses auteurs le présentent comme un modèle conceptuel qui attend des travaux de terrain et des simulations.
Ce que la physique permet
Un résultat quantitatif traverse le débat. Lauren Schurmeier, géophysicienne à l’université d’Hawaï à Mānoa, avec Gwendolyn Brouwer et Sarah Fagents, a testé en 2024 si la seule pression du gaz pouvait projeter les blocs du cratère de Yamal aussi loin qu’ils sont retombés. En modélisant l’explosion par étapes, l’équipe a constaté que la pression de gaz nécessaire pour lancer les blocs observés, de 0,6 à 2,6 mégapascals, se situait dans « la gamme de la somme de la résistance à la traction de la glace/du pergélisol et de la pression lithostatique (0,22–2,87 MPa) ». Leur conclusion était sans détour : « le mécanisme de formation de ce GEC ne nécessite pas la pression due au gel de la glace dans le sous-sol pour fissurer et faire exploser le pergélisol sus-jacent — la seule pression du gaz peut produire ces GEC ».
Ce chiffre concorde avec les estimations de terrain. Vasily Bogoyavlensky, de l’Institut de recherche sur le pétrole et le gaz de l’Académie des sciences de Russie, qui a étudié plusieurs cratères, a déclaré que les explosions se produisent lorsque la pression dans le sol atteint environ 12 atmosphères, soit à peu près 1,2 mégapascal, près du milieu de la plage modélisée par Schurmeier.
Le résultat de Schurmeier réduit le champ des possibles sans désigner de vainqueur. Il montre que la pression liée au gel, centrale dans le modèle cryovolcanique, n’est pas strictement nécessaire à l’explosion. Il ne tranche pas, à lui seul, la question de savoir si le gaz est superficiel et biogénique ou profond et thermogénique, ce qui est le cœur du désaccord qui subsiste.
Le cratère d’Erkuta et l’argument des « deux à la fois »
Un second cratère bien étudié complique toute séparation nette entre gaz superficiel et gaz profond. En juin 2017, des biologistes qui suivaient des nids de faucons dans la vallée de la rivière Erkuta–Yakha, dans le sud de Yamal, ont découvert un cratère récent sur ce qui était, deux ans plus tôt, une plaine d’inondation plate. La même équipe avait vu le sol se soulever et se fissurer sur le site en juillet 2016, presque un an avant la découverte du trou. L’équipe de Skoltech de Chuvilin l’a atteint en décembre 2017, au cours de sa première année, avant qu’il ne se remplisse d’eau. Le cratère était cylindrique, de 10 à 12 mètres de large, et s’était formé durant l’hiver 2016–2017.
La chimie pointait dans deux directions à la fois. La valeur isotopique du carbone du méthane dans la glace de sol, d’environ −72 pour mille, était caractéristique d’un gaz biogénique, mais le rapport entre le méthane et ses homologues plus lourds, l’éthane et le propane, indiquait une composante remontée d’une source thermogénique plus profonde. Le modèle de formation de l’équipe combinait l’histoire superficielle et l’histoire profonde : un bras mort évoluant en un talik fermé en cours de gel en surface, alimenté par une migration de gaz profond venue d’en bas. Le cratère d’Erkuta suggère que les mécanismes ne s’excluent peut-être pas mutuellement, et que différents cratères pourraient se situer à différents points d’un spectre allant d’une source superficielle à une source profonde.
Combien y en a-t-il
Le décompte est incertain, et les chiffres publiés ne concordent pas. Scott Zolkos et ses collègues ont, dans une étude de 2021, passé au crible 327 000 kilomètres carrés de la région Yamal-Gydan avec un algorithme semi-automatisé de détection de changements. Comme ils l’ont rapporté, « l’algorithme a détecté les sept GEC signalés dans la littérature scientifique et trois nouvelles structures de type GEC, et a en outre révélé que les glissements de dégel rétrogressifs étaient plus abondants que les GEC ». Sept seulement, autrement dit, avaient paru dans la littérature à comité de lecture à ce stade.
Des chercheurs de terrain russes ont cité des totaux plus élevés. Des reportages régionaux de 2020 ont présenté un trou nouvellement découvert comme le 17e cratère connu depuis 2014, et des chercheurs de Skoltech ont évoqué environ 20 cratères connus et étudiés. Le cratère de 2020 catalogué sous le nom de C17, découvert le 16 juillet 2020 près d’un groupe de cratères plus anciens, mesurait environ 25 mètres de large pour 30 à 34 mètres de profondeur, et Bogoyavlensky l’a relié à une faille profonde et à un flux de chaleur terrestre anormal.
L’écart entre les sept de la littérature et les 17 à 20 cités sur le terrain reflète la rapidité avec laquelle les cratères disparaissent. Comme un cratère devient un lac en quelques années, un nombre inconnu d’entre eux se sont probablement formés, remplis, puis ont été catalogués comme de simples lacs thermokarstiques. L’équipe de Hellevang a évoqué la possibilité que les GEC soient plus fréquents qu’on ne le reconnaît et se cachent peut-être parmi les innombrables lacs de la région. D’autres restent probablement à découvrir, et d’autres encore sont probablement indétectables au moment où quelqu’un se met à les chercher.
Les enjeux climatiques
Les cratères constituent un danger à deux échelles. À l’échelle locale, une explosion qui projette des blocs gelés à plus de 100 mètres menace les gisements de gaz, les pipelines et les localités concentrés dans la région. Le cratère de Seyakha, en juin 2017, s’est formé dans le lit d’une rivière, avec une auto-inflammation et une explosion qui a projeté des débris sur des centaines de mètres, et le cratère de Yamal de 2014 s’est ouvert à quelques kilomètres d’infrastructures majeures.
À l’échelle mondiale, la question est celle du méthane. Comme le résume le Jet Propulsion Laboratory de la NASA à propos des travaux de Miner et de ses collègues, « le seul pergélisol arctique renferme environ 1 700 milliards de tonnes de carbone », soit environ 170 fois le carbone rejeté dans le monde par les émissions de combustibles fossiles en 2019, et le méthane est un gaz à effet de serre bien plus puissant que le dioxyde de carbone au cours des décennies qui suivent son émission. Si le modèle des failles profondes est juste, les cratères pourraient puiser dans des réserves de gaz que les bilans standard du carbone du pergélisol ne comptabilisent pas, ajoutant une source non prise en compte aux émissions du sol qui dégèle lui-même. Hellevang a mis en garde contre toute exagération de l’effet, faisant remarquer que peu d’éruptions ont été observées et que le total du méthane qui s’en échappe n’est pas encore bien contraint. L’équipe de Morgado a noté que le phénomène peut être peu fréquent tout en comptant, car chaque événement peut libérer une forte bouffée de méthane.
Le débat sur le mécanisme n’a donc rien d’académique. Une source superficielle et biogénique implique un certain bilan de méthane. Une source profonde et thermogénique, canalisée par des failles, en implique un plus important et moins prévisible. L’ampleur de la rétroaction climatique dépend du modèle, ou du mélange de modèles, qui s’avérera décrire le sol. La même logique de gaz et de chaleur venus d’en bas façonne d’autres paysages extrêmes, comme la dépression du Danakil, où la source est magmatique plutôt que gelée.
Ce qui reste inconnu
Aucune équipe n’a assisté à la formation d’un cratère d’émission de gaz géant. Les monticules précurseurs grandissent pendant un à plusieurs ans, et les explosions, que personne ne voit, sont reconstituées après coup à partir d’images satellite et du témoignage d’éleveurs qui ont entendu un bruit ou vu de la fumée. La géométrie de la cavité intérieure, l’épaisseur exacte du couvercle au moment de la rupture et le volume de gaz libéré restent modélisés plutôt que mesurés. La question la plus profonde, pourquoi ces péninsules et aucun autre tronçon du pergélisol arctique, est celle à laquelle le plus récent modèle a été conçu pour répondre, et celle que le travail de terrain n’a pas encore confirmée.
Le cratère de Yamal est aujourd’hui un lac, son puits de 52 mètres noyé et rendu peu profond quelques années à peine après le jour où un équipage d’hélicoptère y a plongé le regard pour la première fois. Quelque part dans la même toundra, selon la logique de tous les modèles sur la table, le sol gonfle déjà au-dessus du suivant.
Questions fréquentes
Qu’est-ce qui provoque les cratères explosifs de Sibérie ?
Du gaz, principalement du méthane, s’accumule sous le pergélisol ou en son sein jusqu’à ce que la pression dépasse la résistance du couvercle gelé, qui saute alors, projetant des blocs gelés sur la toundra et laissant un trou cylindrique aux parois abruptes. Les chercheurs s’accordent à dire que la pression du gaz déclenche l’explosion, mais divergent sur l’origine du gaz : pression due au gel, osmose vers un cryopeg salé, ou gaz et chaleur profonds remontant le long de failles.
Quelle est la profondeur du cratère de Yamal ?
Le premier cratère de Yamal, désigné B1, C1 ou GEC-1, mesurait environ 20 mètres de large, avec une profondeur maximale mesurée de 52 mètres le 16 juillet 2014, soit plus que la hauteur d’un immeuble de 15 étages. Il se situe à N69,970965 E68,369575, à environ 30 kilomètres au sud-est du gisement de gaz de Bovanenkovo. En quelques années, il s’est rempli d’eau et est devenu un lac peu profond, comme le font systématiquement ces cratères.
Quand le premier cratère d’émission de gaz de Sibérie a-t-il été découvert ?
Des équipages d’hélicoptère ont repéré le cratère de Yamal à la mi-juillet 2014, et une équipe dirigée par Andrei Plekhanov l’a atteint ce mois-là. L’imagerie satellite a montré par la suite que le monticule précurseur s’y dressait en 2012 et 2013, et l’explosion a probablement eu lieu en 2013. Des éleveurs de rennes avaient signalé un éclair et de la fumée dans l’ensemble de la région l’automne précédent.
Les cratères sont-ils causés par le changement climatique ?
Le réchauffement est largement considéré comme un déclencheur, et non comme toute l’histoire. Des températures de l’air plus élevées dégèlent et fragilisent le couvercle de pergélisol, ce qui aide le gaz à percer. Mais tous les modèles exigent aussi la géologie propre à la région, avec un sol riche en gaz, un pergélisol épais et continu, et soit des cryopegs, soit des failles profondes, ce qui explique que les cratères apparaissent sur les péninsules de Yamal et de Gydan et non dans le reste de l’Arctique.
Combien y a-t-il de cratères d’émission de gaz en Sibérie ?
Le décompte est incertain. Une étude par satellite de 2021, menée par Zolkos et ses collègues, n’a trouvé que sept GEC signalés dans la littérature à comité de lecture, plus trois structures de type GEC. Des chercheurs de terrain russes ont cité environ 17 à 20 cratères connus. Comme chaque cratère se remplit d’eau et ressemble à un lac thermokarstique ordinaire en quelques années, beaucoup se sont probablement formés sans être comptés.
Le cratère de Yamal est-il la même chose que le mégaglissement de Batagay ?
Non. Le mégaglissement de Batagay est un glissement de dégel rétrogressif qui s’élargit peu à peu, sur des années et des décennies, à mesure que le sol riche en glace fond et glisse vers l’arrière. Un cratère d’émission de gaz s’ouvre en quelques secondes ou quelques jours sous la pression du gaz, laissant un conduit cylindrique abrupt plutôt qu’une paroi de tête qui recule. Le glissement est un effondrement lent ; le cratère est une explosion.
Les cratères pourraient-ils libérer des quantités dangereuses de méthane ?
À l’échelle locale, les explosions menacent les infrastructures gazières et les localités en projetant des blocs gelés à plus de 100 mètres. À l’échelle mondiale, le pergélisol arctique renferme environ 1 700 milliards de tonnes de carbone, et si les cratères puisent dans des réserves de gaz profondes, ils pourraient ajouter du méthane que les bilans standard ne prennent pas en compte. Les chercheurs soulignent que peu d’éruptions ont été observées et que le total de méthane libéré n’est pas encore bien contraint.
