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Image de la semaine | 24/06/2024

Quand le Tour de France 2024 rencontre des serpentinites, des roches anciennes, très utilisées depuis longtemps et ayant, peut-être, un bel avenir

24/06/2024

Patrick De Wever

Muséum national d’histoire naturelle

Pierre Thomas

Laboratoire de Géologie de Lyon / ENS de Lyon

Olivier Dequincey

ENS de Lyon / DGESCO

Résumé

Péridotites, serpentinites et production d’hydrogène naturel (hydrogène blanc). Nombreux sites à serpentinites et usages variés.


Échantillon de serpentinite des Pyrénées

Figure 1. Échantillon de serpentinite des Pyrénées

Au sens strict, le mot serpentine désigne un minéral (ou plutôt une famille de minéraux) de formule générale (Mg,Fe)3Si2O5(OH)4, avec le Mg largement dominant et souvent des trace de nickel. Il s’agit de phyllosilicates résultant de l’hydratation des olivines (et accessoirement des pyroxènes) des péridotites. Toujours au sens strict, une roche composée majoritairement de serpentine est appelée serpentinite. Les formes les plus courantes de serpentinites sont vertes à blanches ou jaunâtre, avec souvent des reflets bleutés, et un aspect “écailleux” d’où son nom. Souvent, par abus de langage, on parle de serpentine alors qu’on devrait parler de serpentinite. Des variétés “nobles” peuvent être translucides et utilisées en joaillerie ; elles peuvent alors être confondues avec du jade et sont alors appelées « faux jade » bien qu’il s’agisse d’une pierre naturelle (cf. Le jade, définition et contexte de formation).


Vase chinois en faux jade, une serpentinite particulière

Figure 2. Vase chinois en faux jade, une serpentinite particulière

Les serpentinites “brutes” n’ont pas de propriétés esthétiques particulières. Il en existe aussi des variétés “nobles”, avec lesquelles étaient et sont encore confectionnés bijoux, statues, objets… comme ce vase chinois en serpentinite, variété « faux jade », exposé au Rice Northwest Museum of Rocks and Minerals d’Hillsboro (Oregon, USA). Tous les intermédiaires existent entre les variétés communes et “nobles”.


Les serpentinites ne sont pas que des curiosités géologiques intéressant océanographes, tectoniciens... Avec le réchauffement climatique, notamment dû à l’augmentation du CO2 atmosphérique libéré par la consommation des énergies fossiles, la recherche des énergies alternatives est à l’ordre du jour. Parmi celles-ci figure le dihydrogène naturel. En effet, la réaction du dihydrogène avec du dioxygène libère de l’énergie, soit sous forme de chaleur, par combustion, soit sous forme “électrique”, dans les piles à combustible. La réaction de l’hydrogène avec l’oxygène ne rejette que de l’eau. Certes l’eau est un gaz à effet de serre mais celle-ci intègre un cycle évaporation-précipitation à court terme et ne s’accumule pas dans l’atmosphère.

De plus, la sidérurgie utilise le carbone (le charbon) comme réducteur pour réduire les oxydes de fer des minerais (2 Fe2O3 + 3 C → 4 Fe + 3 CO2). Or H2 est un réducteur et pourrait avantageusement remplacer le carbone (Fe2O3 + 3 H2 → 3 Fe + 3 H2O). Substitution pour l’énergie, la sidérurgie, c’est pourquoi beaucoup de politiques et d’écologistes (à qui il arrive de parler sans connaitre ce dont ils parlent) prônaient une « civilisation de l’hydrogène ». Le problème, ignoré jusqu’à récemment des politiques et des écologistes, mais connu des “sachants”, c’est qu’on pensait que le dihydrogène naturel (on dit « natif ») n’existait pas dans la nature (contrairement à l’atome H, très abondant, mais combiné avec O, C…), et qu’il fallait le fabriquer. Or, cette fabrication d’H2 consomme beaucoup d’énergie et rejette beaucoup de CO2. L’hydrogène n’était pas une solution “propre”.

La nouveauté de ce début de XXIe siècle, c’est qu’il est peut-être possible de trouver du dihydrogène présent dans la nature, de l’exploiter, et de le substituer aux combustibles fossiles. Si cela s’avère effectivement le cas dans les années qui viennent, la serpentine n’intéressera plus seulement géologues, décorateurs et bijoutiers mais aussi pouvoir public, industriels… car la serpentine est un sous-produit de la genèse du dihydrogène naturel.

Comment avoir de l’hydrogène (ou plus exactement du dihydrogène) ? Aujourd’hui, il est d’usage de distinguer plusieurs types de dihydrogène selon leur origine, que l’on distingue en utilisant des couleurs. Seul l’hydrogène blanc (celui dont il est question ici et qui est en relation avec les serpentinites) se trouve dans la nature.

L’hydrogène noir/brun. Il est produit à partir de lignite (H2 brun) ou de charbon (H2 noir) converti en gaz avant d’être transformé en hydrogène. On peut résumer/simplifier la suite de réactions chimiques complexes aboutissant à H2 de la façon suivante : C + 2 H2O → 2 H2 + CO2. Il ne reste plus qu’à séparer H2 et CO2. Ce processus de production extrêmement polluant produit beaucoup de CO2, et il n’est plus guère utilisé. Depuis des dizaines d’années, on lui préfère le vapo-réformage, voir ci-dessous.

L’hydrogène gris. Le moins cher à produire, il est fabriqué à partir du vapo-réformage du méthane (CH4) d’origine fossile, donc très peu écologique. On peut résumer/simplifier la suite de réactions chimiques (endothermiques) complexes aboutissant à H2 de la façon suivante : CH4 + 2 H2O → 4 H2 + CO2. Bien que consommant beaucoup d’énergie et produisant beaucoup de CO2, c’est le procédé le plus abondamment utilisé au XXe siècle et en ce premier quart de XXIe siècle, en attendant, éventuellement, les hydrogènes verts ou blancs.

L’hydrogène bleu. Proche de l’hydrogène gris, il s’en distingue par sa production associée à un dispositif de captage et de stockage du CO2 produit. Cet hydrogène, qui deviendrait « bas carbone », n’est cependant pas totalement “propre”, et le captage de CO2 est loin d’être au point à l’échelle industrielle.

L’hydrogène rose. Il est produit par électrolyse de l’eau à partir d’électricité d’origine nucléaire (2 H2O → 2H2 + O2), donc sans production de CO2, mais avec production de déchets nucléaires sensibles à gérer.

L’hydrogène vert. Comme l’hydrogène rose, il est produit par électrolyse de l’eau, mais avec de l’électricité d’origine renouvelable. Le plus vertueux dont on soit sûr qu’il fonctionne, il est au centre des efforts industriels. Encore faut-il de l’électricité renouvelable en abondance.

L’hydrogène blanc. Il s’agit d’hydrogène naturel obtenu actuellement sur quelques rares gisements. Son exploitation fait partie de recherches, et, peut-être, donnera-t-il lieu à de réelles exploitations dans un avenir plus ou moins lointain. C’est cet hydrogène qu’on présente dans le paragraphe suivant.

Où se produit le dihydrogène naturel (hydrogène blanc) ? L’hydrogène naturel est produit par des réactions chimiques que permettent des fluides hydrothermaux en traversant des roches issues de manteau terrestre (ou autres roches riches en Fe2+), lors d’un processus de serpentinisation. On « commence à parler » de cet hydrogène blanc depuis une bonne dizaine d’année (cf. Le di-hydrogène naturel, une réelle source d’énergie ou un buzz médiatique ?»).

La réaction à haute température de l’eau sur les olivines (principalement dans les péridotites, avec ≈ 90 % d’olivine magnésienne et ≈ 10 % d’olivine ferreuse) ou tout autre minéral contenant du fer réduit, produit de la serpentine, de la magnétite (Fe3O4), de la brucite (Mg(OH)2) et du dihydrogène (H2). Cette réaction est très efficace à des températures supérieures à 200°C (cette efficacité diminue à des températures plus basses).

Il y a notamment synthèse d’H2 au niveau des dorsales océaniques très lentes (avec très peu de production de basalte) donc avec un substratum très riche en olivine, et dans certains massifs péridotitiques présents sur les continents, notamment ceux liés aux ophiolites, aux pull-aparts comme ceux des Pyrénées (cf. Les conglomérats calcaro-péridotitiques de Lers (Ariège), une clé pour comprendre la mise en place des lherzolites pyrénéennes»)…


Ophiolites et serpentinites, des roches diaboliques ? Ces deux vocables tirent leur nom du serpent (ophis = serpent, en grec) car leur allure et leur toucher peut évoquer une peau de serpent. Dans notre culture judéo-chrétienne depuis la tentation d’Adam et Ève, le serpent est devenu le symbole du Mal, de Satan. En l’occurrence, ces roches sous-produit de réactions productrices d’hydrogène seraient l’inverse d’une production diabolique tant leur énergie semble vertueuse pour le climat. Quoique… la serpentinite permet d’éviter la production de CO2, mais elle ne permet pas non plus d’en capter/stocker puisqu’elle ne favorise pas la pousse des arbres et la genèse de sols épais et riches en matière organique (voir plus bas avec le Mont Wolf et la lande de Saint-Laurent).

Où trouve-t-on des serpentinites ? Ces roches se trouvent généralement dans des chaines de montagnes, anciennes ou récentes, qui ont amené à proximité de la surface des parties du manteau terrestre. En France métropolitaine, on en connait donc dans les Alpes, les Pyrénées, la Corse alpine, et dans les massifs hercyniens plus anciens : Massif Central, Massif Armoricain, Vosges, Maures… S’il n’est pas intégralement transformé en serpentinite, tout massif péridotitique est un producteur potentiel de dihydrogène. Les massifs péridotitiques continentaux, s’ils sont profonds (donc à haute température) sont à priori favorable à la production naturelle et spontanée d’H2.

Pouvoirs publics et compagnies privées se lancent donc dans la recherche théorique et dans l’exploration de terrain pour voir si cet H2 naturel est bien présent, en quelle quantité, et s’il serait éventuellement exploitable avec les technologies actuellement disponibles. En France, l’État vient de délivrer un permis de recherche (novembre 2023, permis valable 5 ans) dans les Pyrénées-Atlantiques. En effet, en particulier sous le bassin de Mauléon-Licharre, il y aurait à une profondeur d’environ 7000 m : (1) un gros massif de péridotite (les fameuses lherzolites des Pyrénées, cf. Les conglomérats calcaro-péridotitiques de Lers (Ariège), une clé pour comprendre la mise en place des lherzolites pyrénéennes), (2) des failles pour y faire circuler de l’eau météorique, drainer et faire ressortir cet éventuel H2, et (3) éventuellement des “pièges” (associés au sel triasique) pour y stocker cet éventuel H2. Affaire à suivre donc.

Remarque. Il y aurait en France un autre contexte potentiellement riche en H2 sous le bassin houiller lorrain. Mais là, les roches sources contenant du Fe2+ ne seraient pas des péridotites et des serpentinites, mais de grosses concentrations de FeCO3 (sidérite). Là aussi, affaire à suivre.



Bloc diagramme montrant la structure profonde du bassin de Mauléon-Licharre (Pyrénées-Atlantiques)

Figure 6. Bloc diagramme montrant la structure profonde du bassin de Mauléon-Licharre (Pyrénées-Atlantiques)

Il y aurait, à une profondeur d’environ 7000 m, (1) un gros massif de péridotite, (2) des failles (dont le Chevauchement Frontal Nord Pyrénéen, NPFT, en anglais, sur la figure) pour y faire circuler de l’eau météorique (flèches bleue, orange ou rouge) , et pour drainer et faire ressortir cet éventuel H2 (flèche jaune), et (3) éventuellement des “pièges” (associés au sel triasique) pour y stocker cet éventuel H2.

Localisation par fichier kmz du bassin de Mauléon-Licharre, Pyrénées-Atlantiques.


Le Tour de France 2024 “croisera” de la serpentinite lors de trois étapes (étapes 1, 4 et 15).

Lors de la première étape du Tour de France 2024 (le 29 juin), dans la ville de Florence (Italie), la serpentinite est à l’honneur dans les monuments. De nombreuses églises, dont le Duomo (la cathédrale Santa Maria del Fiore), utilisent de nombreux “marbres” colorés, autant pour la décoration extérieure que pour les sols : marbre polychrome de Campaglia, marbre de Carrare (marbre blanc, cf. Le marbre de Carrare et ses carrières (Toscane, Italie)), marbres du Prato (vert serpentine provenant de l’Apennin), de Sienne et Monsummano (rouge), Lavenza, et quelques autres localités.

La serpentinite du Prato (en alternance avec du marbre de Carrare) n’a pas été utilisée que dans la cathédrale de Florence. On la retrouve aussi dans les murs et les colonnes à l’intérieur de la cathédrale de Sienne (à 50 km au Sud de Florence) et dans bien d’autres monuments toscans.


Lors de la quatrième étape du Tour de France 2024 (le 2 juillet), avant de traverser Briançon et d’escalader le col du Galibier, le parcours du Tour descend de Sestrières puis monte vers le col du Montgenèvre ce qui lui fait traverser des ophiolites (les célèbres ophiolites du Chenaillet sensu lato) et tout leur cortège de roches, dont les serpentinites.

Affleurement de serpentinites sur la route Sestrières-Briançon

Figure 10. Affleurement de serpentinites sur la route Sestrières-Briançon

Cette route est empruntée par la quatrième étape du Tour de France 2024.

Localisation par fichier kmz des serpentinites du Chenaillet sur la route Sestrières-Briançon.


Trajet de la quatrième étape (ligne rouge) du Tour de France 2024 avant d’arriver à Briançon, vue aérienne et carte géologique

Figure 11. Trajet de la quatrième étape (ligne rouge) du Tour de France 2024 avant d’arriver à Briançon, vue aérienne et carte géologique

La punaise jaune localise l’affleurement de la figure précédente. Sur la carte géologique, les célèbres ophiolites du Chenaillet (au sens large) sont représentées en bleu (pour les pillow lavas) et en vert foncé pour les péridotites (et les gabbros).


Lors de la quinzième étape du Tour de France 2024 (le 14 juillet), au cœur des Pyrénées ariégeoises, autour de l’étang de Lherz (ou Lerz, ou Lers), on retrouve la serpentinite associée à un étalon pétrographique : la lherzolite, de facto connue dans le monde entier (cf. Les conglomérats calcaro-péridotitiques de Lers (Ariège), une clé pour comprendre la mise en place des lherzolites pyrénéennes. La course fait “respectueusement” presque un demi tour du massif (figures 12 et 13) et permet d’observer une de ses caractéristiques : sur les péridotites, ne poussent que très peu d’arbres ! C’est vrai partout dans le monde. L’origine de cette mauvaise croissance des arbres serait à rechercher dans un excès de magnésium (et peut-être aussi de nickel, voire de chrome) qui, à haute dose, fonctionne comme un toxique.


Trajet de la quinzième étape (ligne rouge) du Tour de France 2024 autour de l’étang de Lers, vue aérienne et carte géologique

Figure 13. Trajet de la quinzième étape (ligne rouge) du Tour de France 2024 autour de l’étang de Lers, vue aérienne et carte géologique

La punaise jaune localise l’affleurement de la figure précédente. Le célébrissime massif de lherzolite est carté en vert. On peut noter une très bonne correspondance entre le massif de lherzolite et une zone avec très peu d’arbres.


Planet-Terre a déjà montré une des illustrations françaises les plus exemplaires associant serpentinite et rareté des arbres : c’est le cas du mont Wolf, dans le Massif Central (cf. La géodiversité, socle de la biodiversité 1/3). Nous vous montrons ici un autre exemple, la Lande de Saint-Laurent, sans doute un lambeau d’ophiolite hercynienne dans le Limousin, (mais à 100 km à l’Ouest du trajet du Tour 2024) avec la comparaison vue aérienne - carte géologique, puis avec une vue du sol, et enfin des vues d’échantillons.

La Lande de Saint-Laurent (Haute-Vienne), comparaison photo aérienne, carte géologique et carte topographique

Figure 14. La Lande de Saint-Laurent (Haute-Vienne), comparaison photo aérienne, carte géologique et carte topographique

La zone sans arbre et recouverte d’une lande rase correspond bien à l’affleurement de péridotite (vert très sombre, λ sur la carte géologique). Les gabbros (vert un peu plus clair, δθ sur la carte géologique) semblent avoir un couvert végétal normal. La péridotite tout au Nord du massif a un couvert végétal normal, mais se trouve dans une zone humide, ceci expliquant (peut-être) cela.

Localisation par fichier kmz de la Lande de Saint-Laurent (Haute-Vienne).


Aspect général (en février) de la Lande de Saint-Laurent (Haute-Vienne)

Figure 15. Aspect général (en février) de la Lande de Saint-Laurent (Haute-Vienne)

La limite entre la “lande rase” et la forêt correspond à la limite entre la péridotite serpentinisée et des gneiss.



Les usages de la serpentinite. Les teintes et couleurs de la serpentinite en font un matériau de choix pour la décoration des constructions de bâtiments à plusieurs couleurs comme à Florence ou à Sienne. Polie, elle est aussi utilisée en parement pour décorer façades et devantures, en dallage de lieux publiques… et aussi en bimbeloterie, et ce depuis des temps immémoriaux et partout dans le monde, en particulier dans le monde romain. Le lapis atracius (serpentinite) des Romains nous est connu sous le vocable de vert antique (à ne pas confondre avec le porphyre vert antique (cf. Faire de la géologie en visitant les monuments romains de Lyon (Rhône). 3/ Les porphyres et autres “marbres” de l’Odéon, petit théâtre romain de Fourvière).

Nous vous montrons ci-après cinq exemples français de bâtiments anciens, officiels (religieux ou civils) ou privés, où les teintes de la péridotite ont servi à agrémenter façades, autres entrées et monuments, puis un dallage banal en serpentinite (un hall de gare), puis peut-être le plus célèbre parement en serpentinite (la tribune de l’Assemblée Générale de l’ONU à New York), puis deux “objets du quotidien” (une pierrade et une croix mortuaire dans un cimetière du Limousin) et, enfin, une patène (de luxe) datant des Romains et exposée au Musée du Louvre.

L’église de Saint-Michel de Murato (XXIIe siècle) en Haute-Corse, dont la moitié des pierres est constituée de serpentinite

Figure 17. L’église de Saint-Michel de Murato (XXIIe siècle) en Haute-Corse, dont la moitié des pierres est constituée de serpentinite

Ces serpentinites proviennent très vraisemblablement des nombreux affleurements d’ophiolites alpines présentes dans le Cap Corse et dans le tiers oriental de l’ile.

Localisation par fichier kmz de l’église Saint-Michel de Murato (Haute-Corse).


Un porche et une vue du cloitre de la Chartreuse de la Verne (Var)

Figure 18. Un porche et une vue du cloitre de la Chartreuse de la Verne (Var)

Là encore, la serpentinite locale (anciennes ophiolites hercyniennes, connues sous le nom de serpentinite de la Carrade, massif des Maures) a été abondamment utilisée.

Localisation par fichier kmz de la Chartreuse de la Verne (Var).



L’entrée du cimetière de Saint-Tropez (Var), porche en serpentinite de la Carrade

Figure 20. L’entrée du cimetière de Saint-Tropez (Var), porche en serpentinite de la Carrade

De très nombreuses célébrités du “showbiz” (des parents de Brigitte Bardot à Eddy Barclay…) sont entrés dans leur dernière demeure en passant sous un porche de serpentinite. Leurs amis et familles en avaient-ils conscience ?

Localisation par fichier kmz du cimetière de Saint-Tropez (Var).


Maison “bourgeoise” du vieux Fréjus (Var) à ornements de serpeninite

Figure 21. Maison “bourgeoise” du vieux Fréjus (Var) à ornements de serpeninite

Il n’y a pas que les églises, abbayes et cimetières à se servir de la teinte verte de la serpentinite dans les bâtiments. En témoigne cet ancien “hôtel particulier” du XVIIe siècle que l’on peut découvrir en parcourant les rues du vieux Fréjus.

Localisation par fichier kmz d’une maison à ornements de serpentinite dans le vieux Fréjus (Var).



Tribune de l’Assemblée générale des Nations Unies (New-York, États-Unis d’Amérique)

Figure 23. Tribune de l’Assemblée générale des Nations Unies (New-York, États-Unis d’Amérique)

Un nombre innombrable de façades, de devantures de magasin… sont faites en serpentinite. Le plus célèbre de ces parements décore la tribune de l’Assemblée générale des Nations Unies, qu’on voit ici derrière Antonio Guterres, secrétaire général de l’ONU en 2024. Cette serpentinite vient d’Italie (cf. Carrière de serpentinite à Chatillon, Val d’Aoste, Italie).

Localisation par fichier kmz de la carrière de serpentinite de Chatillon (Val d’Aoste, Italie).


Depuis “toujours”, partout dans le monde (et pas qu’en Chine, voir figure 2), divers objets sont taillés ou sculptés dans de la serpentinite (cf. Sculptures et objets en serpentinite et en pierre ollaire). Ici, nous vous montrons deux objets modernes de la “vie de tous les jours” (si l’on peut dire), à savoir un crucifix d’une pierre tombale du cimetière de Rochechouart (Haute-Vienne) et une pierrade destinée à faire griller des viandes, ainsi qu’un objet ancien, une patène (assiette à hostie).

Crucifix ornant une pierre tombale du cimetière de Rochechouart (Haute-Vienne)

Figure 24. Crucifix ornant une pierre tombale du cimetière de Rochechouart (Haute-Vienne)

Cette croix du cimetière de Rochechouart est faite avec une serpentinite anciennement exploitée à Merlis, petit massif péridotitique hercynien situé à 8 km au Sud de Rochechouart.

Localisation par fichier kmz du petit massif péridotitique de Merlis (Haute-Vienne).



Assiette romaine de serpentinite datant d’entre le Ier siècle avant et le Ier siècle après notre ère

Figure 26. Assiette romaine de serpentinite datant d’entre le Ier siècle avant et le Ier siècle après notre ère

Cette assiette romaine, exposée au Musée du Louvre (Paris), a été transformée en patène à l’époque carolingienne (patène = assiette sur laquelle repose l’hostie qui va être consacrée par le prêtre). Pour ce faire, on a rajouté des poissons dorés sur la serpentine qui a été entouré d’une monture (or, verres et pierres précieuses) datant de Charles le Chauve (seconde moitié du IXe siècle).


Localisation des principaux lieux cités.

Carte du Sud de la France et du Nord de l’Italie où sont indiqués tous les sites européens évoqués dans cet article

Si le Tour de France 2024 a été un “prétexte” à présenter dihydrogène naturel et serpentinites, bien d’autres sites et curiosités géologiques émaillent son parcours.

Pour accompagner cette épreuve cycliste de 21 étapes, du 29 juin au 21 juillet 2024, un livret d’aide au commentaire géologique du Tour de France 2024 a été réalisé par Patrick De Wever (MNHN) avec la collaboration de Pierre Thomas (ENS de Lyon) et l’aide d’une quinzaine de géologues connaissant plus particulièrement telle ou telle partie du parcours. Initialement destiné aux médias et aux différents diffuseurs afin de permettre l’insertion de commentaire géologiques lors des retransmissions pour compléter les habituels commentaires toponymiques, géographiques, historiques, ce livret, simple d’accès, peut aussi, bien sûr, intéresser tous les amateurs de géologie curieux de découvrir ou redécouvrir les curiosités de leur environnement proche ou de leur lieu de villégiature… avant, pendant ou après le Tour de France.