Mots clés : charbon, soufre

Combustion des mines de charbon et des terrils (ou crassiers) : du Germinal d'Émile Zola au Crassier Saint-Pierre à La Ricamarie (banlieue de Saint-Étienne, Loire)

Pierre Thomas

Laboratoire de Géologie de Lyon / ENS Lyon

Olivier Dequincey

ENS Lyon / DGESCO

04/07/2016

Résumé

Soufre, sulfures et sulfates liés à l'exploitation du charbon et à la lente combustion des déblais, lieux de réactions chimiques variées.


Figure 1. Le Crassier Saint-Pierre, la Ricamarie (banlieue de Saint-Étienne, Loire)

En haut, vue de détail d'un secteur du versant Sud du Crassier Saint-Pierre, ses fissures ouvertes et fumantes, ses solfatares actives... En bas, détail sur une de ces fissures tapissée de cristaux de soufre en aiguilles (les aiguilles peuvent mesurer jusqu'à 1 cm de long).


L'exploitation des mines de charbon entrainait la production d'un énorme volume de déblais, principalement constitués de grès, pélites et autres roches formant le mur et le toit des couches de charbon. Ces déblais était mis en tas, appelés "terrils" dans le Nord de la France, "crassiers" dans le Sud. Ces crassiers contenaient encore quelques pour-cents de charbon. Le crassier Saint-Pierre à La Ricamarie (à 5 km au Sud de Saint-Étienne) est constitué de 7 millions de tonnes de déblais issus du Puits Pigeot qui a fonctionné entre 1933 et 1983. Il est actuellement exploité depuis 1989 par l'entreprise SMTV (Société de Matériaux et Travaux du Velay) comme source de granulats, en particulier des granulats colorés car ce crassier contient beaucoup de « schistes rouges ». Il aura sans doute complètement disparu d'ici une vingtaine d'années. Ce crassier, comme quelques autres, a la particularité de se consumer lentement de l'intérieur. Les sédiments péri-charbonneux sont souvent riches en sulfures (en particulier la pyrite FeS2 et la pyrrhotite FeS), qui s'oxydent spontanément avec l'air et l'eau qui circulent dans l'intérieur des crassiers. Ces réactions exothermiques libèrent de la chaleur qui est très mal évacuée au centre du crassier ; la température s'élève donc et va permettre l'inflammation du charbon résiduel. Cette combustion interne peut perdurer des décennies. Bernard Guy et al. , de l'École nationale supérieure des mines de Saint-Étienne ont pu estimer une température centrale pouvant dépasser 1200°C et ayant entrainé la fusion des grès et pélites. Ces crassiers en combustion lente sont instables avec fissures superficielles, glissements, éboulements… Dans le cœur du crassier, d'innombrables réactions chimiques se produisent. Écrivons-en quelques-unes : C + O2 → CO2 , 2 C + O2 → 2 CO, C + H2O → CO + H2 , 4 FeS + 9 O2 → 2 Fe2O3 + 4 SO3 , 2 FeS + O2 → 2 FeO + 2 S, S + H2 → H2S, SO3 + H2O → H2SO4 , N2 + 3 H2 → 2 NH3 ...

Les vapeurs d'acide sulfurique (H2SO4) peuvent attaquer les roches et libérer divers ions majeurs ou mineurs contenus dans les roches, ions pouvant donner à leur tour des composés variés… Les composés gazeux (H2O, CO, CO2, S, SO2, H2SO4, H2S, NH3…) vont transporter ces ions divers, puis s'échapper du crassier par les fissures. Et, à la sortie de ces fissures, vont se déposer une grande variété de composés solides : soufre, sulfures, chlorures, sulfates…

Ce phénomène d'incendie des crassiers peut aussi se produire in situ dans des mines de charbons en activité ou abandonnées.

Les programmes officiels de SVT recommandent aux enseignants d'associer, autant se faire que peut, la géologie avec l'histoire, la littérature, l'art… (on pourrait espérer que la réciproque soit également recommandée). Or, ce qu'on peut voir sur le crassier Saint-Pierre, et autour d'autres crassiers ou mines en combustion, est admirablement décrit par Émile Zola, dans Germinal. Zola était un écrivain dit naturaliste, en ce sens qu'il étudiait et décrivait l'âme humaine et son environnement de façon la plus réaliste possible. Avant d'écrire, il se renseignait, allait sur place… Lire Germinal est donc riche d'enseignement sur la nature humaine, sur la situation sociale et économique de la classe ouvrière et du patronat de cette deuxième moitié du XIXème siècle, mais aussi sur les techniques d'exploitation des mines, sur l'hydrogéologie des nappes phréatiques du Crétacé qui surmontent les terrains carbonifères… et sur les phénomènes associés aux incendies de mines.

Dans le chapitre 1 de la partie 5 de Germinal, Zola écrit : « Le Tartaret, à la lisière du bois, était une lande inculte, d'une stérilité volcanique, sous laquelle, depuis des siècles, brûlait une mine de houille incendiée. Cela se perdait dans la légende, des mineurs du pays racontaient une histoire : le feu du ciel tombant sur cette Sodome des entrailles de la terre, où les herscheuses se souillaient d'abominations ; si bien qu'elles n'avaient pas même eu le temps de remonter, et qu'aujourd'hui encore, elles flambaient au fond de cet enfer. Les roches calcinées, rouge sombre, se couvraient d'une efflorescence d'alun, comme d'une lèpre. Du soufre poussait, en une fleur jaune, au bord des fissures. La nuit, les braves qui osaient risquer un œil à ces trous, juraient y voir des flammes, les âmes criminelles en train de grésiller dans la braise intérieure. Des lueurs errantes couraient au ras du sol, des vapeurs chaudes, empoisonnant l'ordure et la sale cuisine du diable, fumaient continuellement. »

Les risques d'éboulement et les dégagements gazeux (avec beaucoup de gaz toxiques) expliquent et justifient pleinement que le Crassier Saint Pierre soit interdit au public. Je remercie d'autant plus la SMTV et M. Sébastien Merle de m'avoir autorisé à visiter leur carrière et de m'y avoir guidé. Nous allons en faire une visite photographique, en pensant à la fois "réactions chimiques" et "littérature française".

Figure 2. Vue sur le flanc Sud-Ouest du Crassier Saint-Pierre de La Ricamarie (Loire)

Les zones rouges sont riches en fer Fe3+, et ont donc subi une combustion/oxydation dans un passé récent.


Figure 3. Coupe "fraiche" dans le centre du Crassier Saint-Pierre de La Ricamarie (Loire)

La chronologie des dépôts effectués de 1933 à 1983 se voit très bien. La couleur rouge dominante montre l'importance des phénomènes d'oxydation qui ont affecté l'intérieur de ce crassier. On peut aussi se rappeler les mots de Zola : « stérilité volcanique » et « roches calcinées, rouge sombre ».


Figure 4. Une zone de fissures "actives" tapissées de soufre, Crassier Saint-Pierre (La Ricamarie, Loire)

Ce soufre provient soit de la condensation de vapeur de soufre, soit de l'oxydation d'H2S gazeux par l'O2 atmosphérique. On peut comparer ces fissures et leurs cristaux de soufre à ce qu'on voit sur le Vulcano ( Les dépôts (soufre, sulfates et sublimés divers) des fumeroles et solfatares du Vulcano (Iles Éoliennes, Italie)) . On peut aussi comparer avec les mots de Zola : « Du soufre poussait, en une fleur jaune, au bord des fissures ».


Figure 5. Une zone de fissures "actives" tapissées de soufre, Crassier Saint-Pierre (La Ricamarie, Loire)

Ce soufre provient soit de la condensation de vapeur de soufre, soit de l'oxydation d'H2S gazeux par l'O2 atmosphérique. On peut comparer ces fissures et leurs cristaux de soufre à ce qu'on voit sur le Vulcano ( Les dépôts (soufre, sulfates et sublimés divers) des fumeroles et solfatares du Vulcano (Iles Éoliennes, Italie)) . On peut aussi comparer avec les mots de Zola : « Du soufre poussait, en une fleur jaune, au bord des fissures ».


Figure 6. Dépôt de soufre en bordure de fissure "active"

Ce soufre provient soit de la condensation de vapeur de soufre, soit de l'oxydation d'H2S gazeux par l'O2 atmosphérique. On peut comparer ces fissures et leurs cristaux de soufre à ce qu'on voit sur le Vulcano ( Les dépôts (soufre, sulfates et sublimés divers) des fumeroles et solfatares du Vulcano (Iles Éoliennes, Italie)) . On peut aussi comparer avec les mots de Zola : « Du soufre poussait, en une fleur jaune, au bord des fissures ».


Figure 7. Une zone de fissures "actives" tapissées d'aiguilles de soufre bien cristallisé

Ce soufre provient soit de la condensation de vapeur de soufre, soit de l'oxydation d'H2S gazeux par l'O2 atmosphérique. On peut comparer ces fissures et leurs cristaux de soufre à ce qu'on voit sur le Vulcano ( Les dépôts (soufre, sulfates et sublimés divers) des fumeroles et solfatares du Vulcano (Iles Éoliennes, Italie)) . On peut aussi comparer avec les mots de Zola : « Du soufre poussait, en une fleur jaune, au bord des fissures ».


Figure 8. Aiguilles de soufre bien cristallisé en bordure de fissure "active"

Ce soufre provient soit de la condensation de vapeur de soufre, soit de l'oxydation d'H2S gazeux par l'O2 atmosphérique. On peut comparer ces fissures et leurs cristaux de soufre à ce qu'on voit sur le Vulcano ( Les dépôts (soufre, sulfates et sublimés divers) des fumeroles et solfatares du Vulcano (Iles Éoliennes, Italie)) . On peut aussi comparer avec les mots de Zola : « Du soufre poussait, en une fleur jaune, au bord des fissures ».


Figure 9. Aiguilles de soufre bien cristallisé en bordure de fissure "active"

Ce soufre provient soit de la condensation de vapeur de soufre, soit de l'oxydation d'H2S gazeux par l'O2 atmosphérique. On peut comparer ces fissures et leurs cristaux de soufre à ce qu'on voit sur le Vulcano ( Les dépôts (soufre, sulfates et sublimés divers) des fumeroles et solfatares du Vulcano (Iles Éoliennes, Italie)) . On peut aussi comparer avec les mots de Zola : « Du soufre poussait, en une fleur jaune, au bord des fissures ».


Figure 10. Autre champ de fissures "actives" tapissées d'aiguilles de soufre bien cristallisé, Crassier Saint-Pierre (La Ricamarie, Loire)

Ce soufre provient soit de la condensation de vapeur de soufre, soit de l'oxydation d'H2S gazeux par l'O2 atmosphérique. On peut comparer ces fissures et leurs cristaux de soufre à ce qu'on voit sur le Vulcano ( Les dépôts (soufre, sulfates et sublimés divers) des fumeroles et solfatares du Vulcano (Iles Éoliennes, Italie)) . On peut aussi comparer avec les mots de Zola : « Du soufre poussait, en une fleur jaune, au bord des fissures ».


Figure 11. Autre champ de fissures "actives" tapissées d'aiguilles de soufre bien cristallisé, Crassier Saint-Pierre (La Ricamarie, Loire)

Ce soufre provient soit de la condensation de vapeur de soufre, soit de l'oxydation d'H2S gazeux par l'O2 atmosphérique. On peut comparer ces fissures et leurs cristaux de soufre à ce qu'on voit sur le Vulcano ( Les dépôts (soufre, sulfates et sublimés divers) des fumeroles et solfatares du Vulcano (Iles Éoliennes, Italie)) . On peut aussi comparer avec les mots de Zola : « Du soufre poussait, en une fleur jaune, au bord des fissures ».


Figure 12. Aiguilles de soufre bien cristallisé en bordure de fissure "active"

Ce soufre provient soit de la condensation de vapeur de soufre, soit de l'oxydation d'H2S gazeux par l'O2 atmosphérique. On peut comparer ces fissures et leurs cristaux de soufre à ce qu'on voit sur le Vulcano ( Les dépôts (soufre, sulfates et sublimés divers) des fumeroles et solfatares du Vulcano (Iles Éoliennes, Italie)) . On peut aussi comparer avec les mots de Zola : « Du soufre poussait, en une fleur jaune, au bord des fissures ».


Figure 13. Aiguilles de soufre bien cristallisé en bordure de fissure "active"

Ce soufre provient soit de la condensation de vapeur de soufre, soit de l'oxydation d'H2S gazeux par l'O2 atmosphérique. On peut comparer ces fissures et leurs cristaux de soufre à ce qu'on voit sur le Vulcano ( Les dépôts (soufre, sulfates et sublimés divers) des fumeroles et solfatares du Vulcano (Iles Éoliennes, Italie)) . On peut aussi comparer avec les mots de Zola : « Du soufre poussait, en une fleur jaune, au bord des fissures ».


Figure 14. Efflorescences et encroûtements de "sels" blancs autour d'une fissure, Crassier Saint-Pierre (La Ricamarie, Loire)

La nature de ces "sels" peut être très variable : sulfates divers (du gypse CaSO4,2H2O, de la bassanite CaSO4,0,5H2O, de l'alun KAl[SO4]2,12H2O…) des chlorures (salmiac NH4Cl…). On peut comparer ces fissures et leurs cristaux avec les mots de Zola : « Les roches calcinées, rouge sombre, se couvraient d'une efflorescence d'alun, comme d'une lèpre ».


Figure 15. Efflorescences et encroûtements de "sels" blancs autour d'une fissure, autre vue

La nature de ces "sels" peut être très variable : sulfates divers (du gypse CaSO4,2H2O, de la bassanite CaSO4,0,5H2O, de l'alun KAl[SO4]2,12H2O…) des chlorures (salmiac NH4Cl…). On peut comparer ces fissures et leurs cristaux avec les mots de Zola : « Les roches calcinées, rouge sombre, se couvraient d'une efflorescence d'alun, comme d'une lèpre ».


Figure 16. Zoom sur les efflorescences et encroûtements de "sels" blancs autour d'une fissure

La nature de ces "sels" peut être très variable : sulfates divers (du gypse CaSO4,2H2O, de la bassanite CaSO4,0,5H2O, de l'alun KAl[SO4]2,12H2O…) des chlorures (salmiac NH4Cl…). On peut comparer ces fissures et leurs cristaux avec les mots de Zola : « Les roches calcinées, rouge sombre, se couvraient d'une efflorescence d'alun, comme d'une lèpre ».


Figure 17. Une fissure ouverte sur le Crassier Saint-Pierre (La Ricamarie, Loire)

Malgré le fait que ces photos ont été prises en pleine journée et en plein soleil, on devine une lueur rouge sombre au fond de cette fissure, preuve que le fond de cette fissure dépasse 750°C. Voyant cela, on ne peut pas ne pas penser à la phrase de Zola : « La nuit, les braves qui osaient risquer un œil à ces trous, juraient y voir des flammes, les âmes criminelles en train de grésiller dans la braise intérieure ».


Figure 18. Zoom sur une fissure ouverte sur le Crassier Saint-Pierre (La Ricamarie, Loire)

Malgré le fait que ces photos ont été prises en pleine journée et en plein soleil, on devine une lueur rouge sombre au fond de cette fissure, preuve que le fond de cette fissure dépasse 750°C. Voyant cela, on ne peut pas ne pas penser à la phrase de Zola : « La nuit, les braves qui osaient risquer un œil à ces trous, juraient y voir des flammes, les âmes criminelles en train de grésiller dans la braise intérieure ».


Soufre, sulfates et chlorures sont les principaux dépôts que l'on retrouve autour des fissures. Mais il y en a d'autres, plus rares, qui font la célébrité de ce crassier dans le monde de la minéralogie. Le site Mindat y recense 15 espèces minérales (cf. page Crassier Saint-Pierre de ce site).

La matière organique des roches sédimentaires est naturellement riche en métaux divers, dont des métaux très toxiques (c'est l'une des bonnes raisons pour lesquelles les eaux issues de la fracturation hydraulique des black shales ne doivent pas être rejetées sans traitement dans l'environnement). Il se trouve que les sulfures présents dans le Carbonifère stéphanois sont (relativement) riches en arsénopyrite, sulfure de fer et d'arsenic (FeAsS) également connu sous le nom de mispickel. Les vapeurs s'échappant des fissures sont parfois très riches en arsenic, et, souvent, il se dépose des sulfures d'arsenic au voisinage de ces fissures. Les deux principaux sulfures d'arsenic les plus fréquents sont le réalgar (As4S4), rouge et l'orpiment (As2S3), jaune, assez facile à confondre avec le soufre. La présence de ces sels d'arsenic est une autre bonne raison pour fermer ce crassier au public, en particulier pour en empêcher l'accès aux enfants et adolescents.

Figure 19. Une zone du Crassier Saint-Pierre riche en dégagements de sulfures d'arsenic

Les flèches bleues, vertes et roses localisent respectivement les figures suivantes.

Dans ces 3 secteurs, on voit des dépôts orangés-rouges, du réalgar (As4S4) et des dépôts jaunes de soufre ou d'orpiment (As2S3), ainsi que, parfois, des dépôts blancs plus classiques.


Figure 20. Une zone du Crassier Saint-Pierre riche en dégagements de sulfures d'arsenic

On voit des dépôts orangés-rouges, du réalgar (As4S4) et des dépôts jaunes de soufre ou d'orpiment (As2S3), ainsi que, parfois, des dépôts blancs plus classiques.


Figure 21. Zoom sur une zone riche en dégagements de sulfures d'arsenic

On voit des dépôts orangés-rouges, du réalgar (As4S4) et des dépôts jaunes de soufre ou d'orpiment (As2S3), ainsi que, parfois, des dépôts blancs plus classiques.


Figure 22. Zoom sur une zone riche en dégagements de sulfures d'arsenic

On voit des dépôts orangés-rouges, du réalgar (As4S4) et des dépôts jaunes de soufre ou d'orpiment (As2S3), ainsi que, parfois, des dépôts blancs plus classiques.


Mots clés : charbon, soufre