Cheminée hydrothermale du champ hydrothermal de Jan Mayen. © Thibaut Barreyre (imaggeo.egu.eu)
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D’énormes réserves de minerais au fond des océans ?

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Nos besoins en ressources minérales ne cessent d'augmenter. Elles représentent en effet un élément clé du développement du secteur industriel. Avec l'envolée des prix des matières premières et en particulier des métaux, la recherche de nouveaux gisements exploitables est un enjeu économique majeur pour les différentes nations. Actuellement, les métaux sont principalement issus de gisements terrestres, mais le domaine marin semble lui aussi renfermer de formidables réserves de minerais. Cette ressource cachée dans les fonds océaniques pourrait devenir critique dans les années à venir.

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Il y a quelques dizaines d'années, l'exploration des océans et notamment des grands fonds, a mené à la découverte des cheminées hydrothermales, encore appelées fumeurs noirs. Cette découverte majeure a suscité un vif intérêt au sein de la communauté scientifique, notamment pour les formes de vies extrêmophiles basées sur la chimiosynthèse qui entourent ces sources d'eaux chaudes situées à plusieurs kilomètres de profondeur. Mais pas seulement. Ces grands évents hydrothermaux sont également le lieu d'intenses processus géochimiques menant au dépôt et à la concentration de grandes quantités de métaux tels que le cuivre, le zinc, l'or, l'argent, le cobalt, le plomb, le baryum, mais également d'éléments plus rares comme le cadmium, l'indium, le sélénium, l'antimoine ou le mercure.

Des sulfures polymétalliques au niveau des cheminées hydrothermales

Plus de 150 sites hydrothermaux ont été découverts depuis 30 ans. Ces environnements extrêmes, situés sur le plancher océanique au niveau des dorsales, sont le siège d'un intense processus de minéralisation hydrothermale. À cause de la remontée asthénosphérique sous l'axe des dorsales, le flux de chaleur est particulièrement élevé dans ces régions des océans. L'eau de mer, qui s'engouffre dans la croûte océanique au niveau des failles, va circuler en profondeur et se réchauffer à proximité de cette source de chaleur. La température va alors dépasser 160 °C et d'intenses réactions chimiques vont avoir lieu entre l’eau de mer, riche en sels, et la roche dans laquelle elle circule. Le sulfate de calcium (CaSO4) va notamment précipiter sous forme d'anhydrite, alors que le sulfate (SO42-) dissous dans l'eau va être réduit en sulfure d'hydrogène (H2S). Le magnésium de l'eau va être totalement absorbé par les basaltes de la croûte océanique, menant à l'acidification des fluides et augmentant ainsi leur capacité à solubiliser les métaux contenus dans la roche.

Coupe transversale au niveau d’une dorsale rapide montrant les phénomènes hydrothermaux. © Ifremer

Ces intenses processus d'altération vont produire des fluides acides, réduits, chargés en métaux et très chaud, leur température pouvant atteindre 350 °C. Sous l'effet de la chaleur et de leur faible densité, les fluides hydrothermaux vont subir des mouvements de convection et remonter à la surface, au niveau de l'axe des dorsales, sous forme de sources chaudes. Au contact avec l'eau de mer froide, les métaux vont rapidement précipiter sur le fond océanique, formant des accumulations de sulfures et menant à la formation des grandes cheminées désormais bien connues du grand public. Une partie des métaux est également dispersée sur plusieurs dizaines de kilomètres grâce au panache hydrothermal.

Les quantités de sulfures produites au niveau de ces sources hydrothermales sont énormes. Les scientifiques considèrent que 1,5 million de tonnes de sulfures de fer (FeS2) peuvent être produites en 100 ans grâce à ce processus de minéralisation. Les volumes et concentrations en éléments valorisables de certains champs hydrothermaux sont donc identiques à ceux des gisements terrestres. Les amas de sulfures hydrothermaux sont particulièrement riches en cuivre et zinc, mais contiennent également de grandes quantités d'argent et d'or. Certains sites sont très riches en cobalt, en raison de la présence de roches mantelliques dans la croûte océanique.

Ancienne cheminée hydrothermale riche en cuivre et oxydée. © Ifremer

Des nodules polymétalliques au fond des océans

Au-delà des champs hydrothermaux sur les dorsales océaniques, les plaines abyssales renferment également des ressources de minerais. À certains endroits, le fond est couvert de petits nodules. Ces formations géologiques étranges sont composées principalement de manganèse, de fer, de cuivre, de nickel et de cobalt. Il s'agit de petites boules de 5 à 10 centimètres de diamètre reposant sur le fond océanique entre 4.000 et 6.000 mètres de profondeur. Leur formation et leur croissance sont un phénomène extrêmement lent, de l'ordre d'un centimètre par quelques millions d'années. Leur genèse est encore mal comprise, mais il s'agirait d'un processus de précipitation des éléments métalliques contenus dans l'eau de mer. Une origine hydrothermale ou diagénétique est également suspectée, c'est-à-dire par remobilisation du manganèse présent dans les sédiments et sa précipitation à l'interface eau-sédiments.

Champ de nodules polymétalliques. © Ifremer/Nautile, Nodinaut (2004)

L'industrie minière commence à s'intéresser de plus en plus à ces ressources minérales profondes. Plusieurs permis d'exploration et d'exploitation ont déjà été délivrés sur des champs hydrothermaux en mer Rouge, en Papouasie, dans l'océan Atlantique et dans l'océan Indien.

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