L'hydrogène naturel dans les régions montagneuses

Potentiel dans les environnements tectoniques

L'hydrogène naturel, également appelé hydrogène blanc, peut être produit de différentes manières, par exemple par la transformation bactérienne de la matière organique ou la transformation de l'eau suite à la désintégration d'éléments radioactifs dans la croûte terrestre continentale. En conséquence, la présence de H₂ naturel est signalée en de nombreux endroits dans le monde. L'utilité générale de l'hydrogène naturel comme source d'énergie a déjà été démontrée au Mali, où des quantités limitées de H₂ sont extraites de couches de sédiments ferrugineux par des forages dans le sous-sol.

Mais le mécanisme le plus prometteur pour la production naturelle d'hydrogène à grande échelle est un processus géologique au cours duquel les roches du manteau réagissent avec l'eau. Les minéraux de la roche du manteau changent de composition et forment de nouveaux minéraux du groupe dit de la serpentine ainsi que du gaz H₂. Ce processus est appelé "serpentinisation". Les roches du manteau se trouvent normalement à grande profondeur, sous la croûte terrestre. Pour que ces roches puissent entrer en contact avec l'eau et se serpentiniser, elles doivent être exhumées par voie tectonique, c'est-à-dire qu'elles doivent être ramenées à la surface de la terre. Il existe deux principaux environnements de tectonique des plaques dans lesquels les roches du manteau sont exhumées et serpentinisées au cours de millions d'années :

• Les bassins océaniques qui s'ouvrent lorsque les continents se brisent en s'étirant, c'est-à-dire lors de ce que l'on appelle le rifting, de sorte que le manteau peut s'élever, tandis que la croûte continentale qui le recouvre s'amincit et finit par se briser (par ex. dans l'océan Atlantique), et
• la fermeture consécutive de bassins et la formation de montagnes, lorsque les continents se rapprochent à nouveau et entrent en collision, de sorte que les roches du manteau sont poussées vers la surface (par exemple dans les Pyrénées et les Alpes).

Modélisation numérique

Pour évaluer correctement leur potentiel naturel en hydrogène, il est essentiel de comprendre en profondeur l'évolution de tels environnements tectoniques. En utilisant une approche de modélisation numérique de pointe de la tectonique des plaques, calibrée avec des données provenant d'exemples naturels, l'équipe de recherche du GFZ a simulé l'ensemble de l'évolution de la tectonique des plaques, du rifting initial à la rupture des continents, suivie de la fermeture des bassins et de la formation des montagnes. Dans ces simulations, les chercheurs ont déterminé pour la première fois où, quand et dans quelle mesure les roches du manteau sont exhumées pendant la formation des montagnes et quand ces roches peuvent entrer en contact avec l'eau à des températures favorables pour permettre une serpentinisation efficace et une production naturelle d'hydrogène.

Il s'avère que les conditions pour la serpentinisation et donc la production naturelle de H₂ sont bien meilleures dans les chaînes de montagnes que dans les bassins du rift. En raison de l'environnement comparativement plus froid dans les montagnes, on y trouve de plus grandes quantités de roches mantelliques exhumées sous des températures de serpentinisation favorables de 200-350°C, et en même temps, une circulation d'eau abondante le long de grandes failles au sein des chaînes de montagnes peut permettre d'exploiter le potentiel de serpentinisation. Par conséquent, la capacité annuelle de production d'hydrogène dans les montagnes peut être jusqu'à 20 fois plus importante que dans les rifts. En outre, les montagnes offrent des roches de stockage appropriées (par exemple, des grès) qui sont nécessaires pour accumuler des volumes naturels de H₂ économiquement exploitables, alors qu'elles ne sont probablement pas encore disponibles pour la serpentinisation et la production d'hydrogène dans les parties profondes des bassins de rift.

L'exploration naturelle de l'hydrogène

Les résultats de cette recherche, qui vient d'être publiée, donnent une forte impulsion à la recherche accrue de H₂ naturel dans les régions montagneuses. En effet, plusieurs efforts d'exploration sont déjà en cours dans des endroits tels que les Pyrénées, les Alpes européennes et les Balkans, où les chercheurs avaient déjà trouvé auparavant des preuves d'une production naturelle constante d'hydrogène.

«Le développement de concepts et de stratégies d'exploration inédits sera déterminant pour le succès de ces efforts. Il est particulièrement important de savoir comment la formation d'accumulations naturelles économiques de H₂ est guidée par l'histoire tectonique d'une zone d'exploration donnée. Nous devons notamment déterminer la chronologie des principaux processus géologiques impliqués, car si des réservoirs de H₂ doivent se former lors de la formation des montagnes, il doit y avoir eu auparavant un événement de rift, un étirement de la croûte terrestre. Les connaissances tirées de simulations de la tectonique des plaques, telles que celles réalisées dans le cadre de cette étude, seront donc très précieuses», explique Zwaan, auteur principal de l'étude.

Sascha Brune, responsable de la section »Modélisation géodynamique» au GFZ, ajoute: «Ce nouveau travail de recherche élargit notre compréhension des environnements appropriés pour la production naturelle d'hydrogène. Compte tenu des opportunités économiques associées à H₂ naturel, il est maintenant important d'étudier les voies de migration de l'hydrogène et les écosystèmes microbiens profonds consommateurs d'hydrogène afin de mieux comprendre où des réservoirs potentiels de H₂ peuvent effectivement se former».