La géologie du soufre à haute et basse température

Pierre Thomas

ENS Lyon, Laboratoire de Sciences de la Terre

Benoît Urgelli

ENS Lyon / DGESCO

Gilles Montagnac

23/02/2001

Résumé

Origine et formation du soufre en milieu sédimentaire et en milieu volcanique.


Le soufre, outre d'être une "mine" de TP, est aussi est un élément chimique important en sciences de la Terre et de la Vie, et il existe à l'état élémentaire (on dit à l'état natif) sous ses 2 formes, de haute et de basse température.

Le soufre d'origine sédimentaire, la majorité du soufre exploité dans le monde

La grande majorité du soufre exploité dans le monde (production totale d'environ 35 millions de tonnes/an) est d'origine sédimentaire. Ce soufre sédimentaire est associé soit à des calcaires, soit à des sulfates (gypses), soit à de la matière organique (hydrocarbures , lignites...), et le plus souvent à 2 ou 3 de ces roches.

Figure 1. Calcite et soufre cristallisés (Sicile)

Calcite et soufre cristallisés (Sicile)

Ce soufre sédimentaire est évidement une forme de basse température, et peut former de magnifiques cristaux orthorhombiques (généralement associés à de la calcite) qu'on trouve souvent dans les collections minéralogiques.

La Sicile a longtemps été le principal producteur de soufre. Il venait d'exploitation de soufre sédimentaire mio-pliocène, et n'avait rien à voir avec l'Etna. Pourtant de nombreux peplum montrent des mines romaines de soufre, avec esclaves… Très souvent, on voit un volcan en arrière plan ; souvent même une éruption volcanique se déclenche dans ces mines. C'est la traduction de l'association soufre/volcan dans l'inconscient collectif, ce qui est une erreur géologique, bien qu'un lieu commun hollywoodien !

L'association du soufre avec le gypse, le calcaire et la matière organique s'explique par son origine. En effet ce soufre provient la plus part du temps de la réduction des sulfates par de la matière organique.

2 CaSO4 + 3 C* ---> 2 S + 2 CaCO3 + CO2 (C* étant le carbone organique)

Cette réduction peut avoir lieu de façon "minérale" pendant la diagenèse, mais surtout de façon biologique à l'intérieur du sédiment (avant la diagenèse, ou pendant sa phase précoce), sous l'action de bactéries (bactéries sulfato-réductrices).

Figure 2. Gypse et soufre (Narbonne)

Gypse et soufre (Narbonne)

Figure 3. Marne et soufre (Narbonne)

Marne et soufre (Narbonne)

Dans un milieu riche en matière organique, pauvre en O2, mais riche en un autre oxydant (le sulfate), les bactéries "préfèrent" respirer que fermenter, mais c'est une respiration où O2 est remplacé par un autre oxydant (ici le sulfate) ; c'est une respiration anaérobie. Cela se passe au fond de toutes les lagunes marines (l'eau de mer contient des sulfates) en voie d'eutrophisation.

Les USA sont le principal producteur actuel de soufre. La France se procure du soufre à partir d'hydrocarbures (le gaz de Lacq contient H2S qu'il suffit d'oxyder incomplètement). Quelques gisements de calcaire et de gypse soufrés ont été exploités dans les bassins oligocènes d'Apt-Manosque (Vaucluse), de Narbonne (Aude) et de Marseille. Des échantillons forts démonstratifs peuvent encore y être trouvés, au moins dans les deux premiers bassins. D'autre part, on peut aussi extraire le soufre d'une réduction modérée des sulfures. Notez que les mines de pyrite (FeS2) n'exploitaient pas le fer, mais le soufre.

Le soufre d'origine volcanique

Le soufre haute température est évidement associé aux volcans ; c'est lui qui forme de magnifiques aiguilles à la sortie des fumeroles.

Figure 4. Cratère du Vulcano (vue générale)

Cratère du Vulcano (vue générale)

Figure 5. Détail du flanc Nord Est du cratère du Vulcano (en jaune les solfatares)

Détail du flanc Nord Est du cratère du Vulcano (en jaune les solfatares)

Figure 6. Une solfatare active (Vulcano)

Une solfatare active (Vulcano)

Figure 7. Détail des cristaux de soufre β (Vulcano)

Détail des cristaux de soufre β (Vulcano)

Il a pour origine l'oxydation superficielle de H2S, constituant minoritaire mais très fréquent des gaz volcaniques.

2 H2S + O2 → 2 S + 2 H2O

Quand la fumerole cesse de fonctionner, qu'elle se refroidit, ou si l'on échantillonne ces dépôts, les belles aiguilles de soufre haute température deviennent lentement des agrégats pulvérulents de soufre basse température. D'où la déception de nombreux minéralogistes amateurs qui ramassent près d'un volcan de superbes cristaux, et qui ne retrouvent à l'arrivée, en déballant leurs bagages, qu'une simple poudre jaunâtre sans intérêt ! Une telle mésaventure a dû arriver à de nombreux collègues de retour du volcan Vulcano (îles Éoliennes). Ce soufre volcanique est connu de tous, souvent exploité dans des conditions très artisanales (en Indonésie par exemple), mais ne représente qu'une très faible fraction du soufre exploité dans le monde.