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Le gaz de charbon en Lorraine

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Yann Gunzburger

Chapitre 3. La géologie du Carbonifère de Lorraine et l’origine de la ressource en gaz de charbon

Raymond Michels, Antoine Le Solleuz, Fabrice Malartre, Philippe De Donato, Jacques Pironon et Jack-Pierre Piguet

Texte intégral

Introduction

1Les terrains profonds d’âge Carbonifère, témoins d’un lointain passé géologique de la Lorraine [– 318 à – 302 millions d’années (Gradstein, 2012)] sont connus pour leurs dépôts de charbon. Ces couches sédimentaires ont été formées dans un bassin s’étendant sur un axe SW-NE d’environ 200 km depuis la Région de Saint-Dizier (Haute-Marne) jusqu’à la frontière franco-allemande vers Sarrebrück, se prolongeant même en Allemagne avec le bassin carbonifère de Saar-Nahe. De part et d’autre de cet axe, les terrains s’étendent sur une largeur totale d’environ 70 km. Ce bassin est également très profond avec des couches sédimentaires reconnues jusqu’à 6 km (Donsimoni, 1981). Le volume de terrain concerné est donc considérable et représente un bassin sédimentaire majeur du sous-sol régional (fig. 3 du chapitre 4).

2Le Carbonifère de Lorraine est surtout célèbre pour ses nombreuses et productives mines de charbon, développées dans la partie la plus septentrionale du bassin à partir du milieu du XIXe siècle et définitivement abandonnées en 2004 (Républicain Lorrain, 2004). Le reste du bassin a été reconnu par des sondages d’exploration et des campagnes de prospection géophysique, mais reste en très grande partie méconnu. L’abondance du charbon à l’est, avec son contenu en gaz naturel (le gaz de charbon, appelé grisou par les mineurs), et la présence de très probables ressources théoriques en hydrocarbures vers l’ouest font que le bassin houiller lorrain a toujours été l’objet d’études et de prospection. Ces ressources potentielles sont le résultat d’une multitude de processus ayant agi pendant une longue histoire géologique qui reste encore en grande partie à reconstituer.

Le paysage lorrain et les dépôts sédimentaires pendant le Carbonifère

3À l’époque du Carbonifère, une grande chaîne de montagnes s’étendait à travers la majeure partie de l’Europe, la chaîne hercynienne. La Lorraine atteignait ainsi une altitude de 3 000 à 4 000 m (Le Solleuz et al., 2004). Le climat était tropical et le paysage couvert d’une dense forêt luxuriante constituée notamment de formes végétales géantes ou arborescentes (Lemoigne, 1988 ; Post & Rollet, 2004 ; Lexa-Chomard & Pautrot, 2006 ; Pautrot, 2011). Ainsi, les restes végétaux les plus abondants dans le bassin houiller lorrain appartiennent-ils aux embranchements suivants (Laveine, 1989) :

  • les Lépidophytes, arbres de 20 à 30 m de haut. L’appareil radiculaire souterrain (connu sous le nom de Stigmaria) s’étale horizontalement dans les faciès fins (argiles et silts) des plaines d’inondation fluviatiles. L’écorce du tronc présente un aspect « écailleux » soit de forme losangique sigmoïde (Lepidodendron) ou bien en forme de sceau (Sigillaria) ;
  • les Arthrophytes. S’il ne subsiste plus dans la nature actuelle que la modeste prêle (Equisetum), cet embranchement a été particulièrement important au Carbonifère, avec Calamites (jusqu’à 10 m de hauteur) et Sphenophyllum ;
  • les Filicophytes, qui correspondent à des fougères la plupart du temps arborescentes. Les frondes de grande taille présentent des formes très variées et permettent de distinguer les différents genres (Pecopteris, Sphenopteris, Allopteris,...) ;
  • les Pteridospermophytes. Longtemps confondus avec les fougères car présentant de grandes ressemblances morphologiques, elles s’en distinguent par leur mode de reproduction. En effet, elles montrent des graines parfois de grande taille. Il s’agit d’un groupe très diversifié dans le bassin lorrain (Alethopteris, Neuropteris, Odontopteris, Linopteris,...) ;
  • les Cordaitophytes, qui sont des Gymnospermes primitives, pour la plupart de grande taille (jusqu’à 30 m de haut), proches des Conifères. Le tronc est très ramifié à sa partie supérieure. Il possède de longues feuilles rubanées présentant tout un réseau de nervures parallèles au bord de la feuille.

4Cette illustration de la paléoflore du bassin houiller lorrain fait apparaître une biodiversité végétale qui représente un jalon dans l’évolution de la vie au cours des temps géologiques. Comme nous le verrons plus loin, cette paléoflore aura un impact décisif sur les ressources géologiques du sous-sol.

5La Lorraine, située dans le massif hercynien fut aussi le lieu de forces tectoniques ayant induit au cœur de la chaîne un effondrement gravitaire, comparable à ce que l’on observe aujourd’hui dans l’Altiplano (Cordillère des Andes). Cet effondrement – appelé subsidence – a permis le développement d’un bassin sédimentaire de haute altitude dans lequel s’accumulaient les produits d’érosion des reliefs avoisinants.

6Les caractéristiques sédimentologiques des roches du bassin carbonifère indiquent un mode de transport et de dépôt dominé par des cônes alluviaux en bordure de bassin et accrochés aux reliefs, connectés à des systèmes fluviatiles et lacustres plus en aval. Les sédiments détritiques, issus du démantèlement des reliefs présentent des granulométries variées qui conduiront à la formation d’une diversité de roches sédimentaires (conglomérats, grès, siltites et argiles) dont les épaisseurs et les proportions varient selon les environnements de dépôt (Izart et al., 2005).

Fig. 2 : Représentation schématique des relations spatiales entre chenal et plaine d’inondation. Ce dispositif sédimentaire est responsable de la redistribution des sédiments dans le paysage pendant le Carbonifère. Il préside à la diversité des successions de dépôts telle qu’illustrée à gauche, par exemple (d’après Fleck et al., 2001).

La formation du charbon. Origine du gaz naturel

7Les couches les plus remarquables sont constituées de charbon, parfois sur plusieurs mètres d’épaisseur. La présence de ce dernier est directement liée au développement de la végétation tropicale.

8Ainsi, les débris de plantes mêlés aux sédiments pendant les phases d’érosion et de transport furent déposés dans les chenaux fluviatiles et les domaines lacustres associés. Tous les faciès contiennent ainsi des quantités variables de charbon disséminé (Fleck et al., 2001). Cependant, dans les plaines d’inondation, des périodes sans phase d’érosion permettaient le développement d’une végétation dense et des accumulations post-mortem sur de fortes épaisseurs. L’évolution du bassin et les dépôts successifs de sédiments conduisaient ensuite à la préservation et l’enfouissement progressif de cette matière organique.

9Dès les premières phases de sédimentation la matière végétale se transformait en tourbe, puis lignite sous l’influence des processus diagénétiques. Sous l’effet de la subsidence, les sédiments carbonifères continuent leur enfouissement jusqu’à subir les conséquences de la chaleur interne (le gradient géothermique) de la croûte terrestre et la pression exercée par les terrains sus-jacents (la pression lithostatique). Selon la profondeur d’enfouissement, le charbon lorrain sera transformé jusqu’au stade de charbon sub-bitumineux, puis bitumeux dans l’Est du bassin et au stade d’anthracite dans les parties les plus profondes, à l’Ouest (Ungerer et al., 1986 ; Durand et al., 1986 ; Fleck et al., 2001).

10Tandis que ces modifications ont donné leurs qualités au charbon lorrain, elles ont également conduit à la formation de gaz et notamment du méthane (CH4). Ce dernier fut pour partie naturellement expulsé des charbons dès la fin du Carbonifère. Il a ainsi migré dans les couches géologiques et les failles (Ménétrier, 2005). Dans le cas le plus favorable, ce gaz a atteint un piège pétrolier : c’est le gisement de gaz de Trois-Fontaines, situé à la bordure ouest du bassin. Mais la majorité a été dispersée dans les couches géologiques et vers la surface, faute de piège pétrolier disponible lors de la phase principale de formation du gaz. Cependant, une partie du gaz n’a pas été expulsée, mais retenue à l’intérieur des couches de charbon et ainsi préservée jusqu’à aujourd’hui, comme expliqué dans le paragraphe suivant. Ainsi, il est estimé que, pour une tonne de charbon lorrain, 150 à 200 m3 de gaz ont été générés tandis que moins de 20m3 par tonne sont restés piégés (Bonijoly et al., 2013).

Les gaz endogènes dans les terrains en place.

11La transformation progressive des débris végétaux devenant tourbe, lignite, houille, anthracite produit en même temps des gaz (CO2, H2, CH4, etc.) dont une grande partie est éliminée avec le temps par diffusion à travers les terrains comme indiqué dans le paragraphe précédent ou par dissolution dans les eaux (cas du CO2). Le gaz résiduel qui demeure en place est, dans la plupart des cas, composé principalement de méthane (CH4) et d’un peu de CO2, avec quelques autres constituants en faibles proportions.

12Le grisou, terme connu du grand public en raison des catastrophes minières qu’il a provoquées et dont le méthane est le principal constituant (entre 93 et 99,5 %), désigne un gaz inflammable, léger, inerte physiologiquement, présent dans les terrains houillers, essentiellement dans le charbon. La faible perméabilité du charbon, s’il est non fissuré et situé suffisamment profond, permet le maintien en place du grisou pendant plusieurs centaines de millions d’années. La perméabilité du charbon est en effet de l’ordre du milli-Darcy et peut descendre au micro-Darcy (ou même moins, selon les types de charbons) sous une contrainte d’une dizaine à quelques dizaines de méga-pascals.

13Avant exploitation minière, le grisou est présent dans les terrains sous deux formes :

  • Le gaz libre : il est contenu dans les pores des terrains (du charbon principalement) en quantité proportionnelle à la pression de gaz et à la porosité. Celle-ci varie de 3 à 10 % environ selon qu’il s’agit de houilles ou d’anthracites ;
  • Le gaz adsorbé : l’adsorption est un phénomène de rétention d’un gaz à la surface d’une substance solide sous l’action des forces intermoléculaires. En effet, le charbon est une roche micro-fissurée avec une maille de 0,1 mm à 10 mm, avec entre les fissures des pores extrêmement fins de l’ordre de quelques Angströms, soit d’une dimension comparable à celle des molécules de gaz.

14La couche de gaz adsorbée correspond à une phase condensée d’une densité de plusieurs centaines de fois supérieure à celle du même composé à l’état gazeux libre. Les quantités adsorbées dépendent de la pression partielle de gaz, de la nature du gaz (le CO2 est plus adsorbable que le CH4) et des caractéristiques morphologiques et texturales du matériau adsorbant (les quantités adsorbées augmentent avec le rang du charbon), de la température (un gaz est moins adsorbable si celle-ci augmente), de l’humidité naturelle (un gaz est moins adsorbable si celle-ci augmente, mais cette influence ne concerne pas l’eau injectée qui ne peut atteindre les zones d’adsorption). La géologie est également un facteur à prendre en considération. Par exemple, les concentrations augmentent vers le sommet d’un anticlinal en raison de la fracturation naturelle. Les failles peuvent aussi constituer des réservoirs si le matériau de remplissage est perméable. En Lorraine, on a trouvé des concentrations variant de 1,5 m3 /tonne à 15 m3/tonne, selon les champs d’exploitation. On a observé une augmentation de la concentration avec l’approfondissement du gisement, en se rapprochant des structures tectoniques (anticlinaux), ou en fonction du rang du charbon (c’est-à-dire la teneur en matières volatiles) qui peut aller du simple au double.

15Lors de l’exploitation minière, le gaz libre s’échappe vers les cavités créées par les travaux miniers, ce qui provoque une baisse de la pression puis un processus au cours duquel le gaz adsorbé quitte les sites d’adsorption. Le temps de désorption est très variable selon le diamètre des grains (une douzaine d’heures pour des grains de 0,1 mm à 150 000 ans pour des grains de 10 cm).

16On voit que ces phénomènes sont en grande partie déterminés par l’état de fracturation et fissuration du charbon en place. C’est pourquoi cet aspect a été examiné comme il est expliqué dans le chapitre 4.

L’estimation de la ressource en gaz de charbon

17Il n’y a aucun doute : du gaz naturel existe dans le bassin houiller lorrain. Les mineurs l’ont détecté, parfois à leurs dépens. Il est présent dans les couches de charbon. Il s’agit du grisou. Ce méthane, lorsqu’il est considéré comme une ressource énergétique est appelé « gaz de charbon ». Dès lors une question se pose : comment estimer son abondance ?

18Une façon de calculer une quantité théorique de ce gaz dans le sous-sol consiste à tenir compte des connaissances géologiques et des mesures physiques accumulées lors des opérations minières. Dans tous les cas, les informations les plus précises proviennent de la partie orientale du bassin, là où l’exploitation minière a été la plus intense. De très nombreux sondages d’exploration ont été utilisés pour cartographier la répartition et la géométrie des couches ainsi que pour calculer les volumes de charbons, ceci afin de planifier l’extension des galeries et la production. Pour chaque couche de charbon forée, ainsi que dans les galeries d’exploitation, les quantités de gaz associé ont été mesurées. Ces données sont systématiquement actualisées lors de chaque nouveau forage d’exploration dans le bassin. Il est ainsi possible d’attribuer des quantités théoriques de gaz aux volumes reconnus de charbon.

19Ainsi une teneur d’environ 10 m3 gaz/tonne de charbon a été mesurée sur ces charbons en laboratoire (EGL, 2012) pour une ressource exploitable voisine de 371 milliards de m3. Celles-ci, certifiées par La Française de l’Énergie et confirmées indépendamment par IFPEN dans le permis d’exploration « Moselle Est », sont équivalentes à 10 ans de consommation française. En comparaison, celles identifiées dans le Nord-Pas-de-Calais représentent un an de consommation française. Même si cela reste inférieur aux 14 trillions de m3 de gaz de schiste européen – dont 3.9 trillions m3 pour la France (réserve non prouvée techniquement exploitable, European Commission 2014) –, la ressource en gaz de charbon française est réelle et techniquement exploitable.

20Dans les zones les moins connues du bassin, plus à l’ouest des anciennes zones minières, l’information est partielle. Quelques sondages de reconnaissances informent sur la présence de couches de charbon. Mais ils permettent aussi d’étudier le charbon dispersé dans les diverses roches sédimentaires. Ces informations permettent de faire une estimation théorique de la quantité d’hydrocarbures générés en fonction du taux de transformation du charbon (sub-bitumineux, bitumineux, anthracite) et de son abondance dans les roches. Ceci nécessite de reconstituer précisément l’histoire complexe du bassin : son enfouissement, sa thermicité, sa sédimentation, les zones de drainage du gaz et les zones de stockage de ce dernier.

21Cependant, malgré les forages d’exploration et les données géophysiques (la prospection sismique par exemple) la qualité et la densité de l’information sur des volumes immenses de roches qui constituent la majorité du bassin restent insuffisantes. Des estimations théoriques de quantités d’hydrocarbures ont toutefois été proposées (Le républicain lorrain, 2011), mais sans vérification par des sondages d’exploration.

Conclusion et perspectives

22On peut ainsi constater que la détermination de la quantité théorique de ressources hydrocarbonées dans le bassin carbonifère de Lorraine est très variable. La source du gaz, le charbon, a toujours été détectée dans les forages, qu’il soit sous forme de couches de quelques centimètres à plusieurs mètres ou sous forme disséminée dans les roches sédimentaires. Les données quantitatives les plus théoriques sont celles de la partie ouest du bassin, là où la géologie est la moins bien connue. Des travaux d’exploration et de reconstitution de l’histoire géologique par une approche de modélisation numérique 3D sont nécessaires, afin de localiser les zones préférentielles, mieux connaître le calendrier des événements tectoniques, sédimentaires, géochimiques et hydrodynamiques.

23Les estimations de ressources en gaz de charbon les plus fiables sont très certainement celles des anciennes zones d’exploitation minière : les couches de charbon sont très bien connues. Cependant, une ressource en gaz ne se définit pas seulement par son abondance dans le sous-sol. Encore faut-il pouvoir la récupérer en y associant une technologie d’extraction adéquate.

Bibliographie

Références bibliographiques

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Table des illustrations

Légende Fig. 2 : Représentation schématique des relations spatiales entre chenal et plaine d’inondation. Ce dispositif sédimentaire est responsable de la redistribution des sédiments dans le paysage pendant le Carbonifère. Il préside à la diversité des successions de dépôts telle qu’illustrée à gauche, par exemple (d’après Fleck et al., 2001).
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Auteurs

UMR GéoRessources (Université de Lorraine – CNRS)

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