Archives mensuelles : novembre 2016

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Les biominéraux microbiens : des gisements terrestres à l’exobiologie

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D. Gillan (U. Mons) et A. Préat (ULB)

En raison de la toxicité des métaux lorsque ceux-ci sont en trop grande concentration dans l’environnement, le monde cellulaire a développé toute une série de mécanismes de résistance qui commencent à être bien connus chez les bactéries. Certains de ces mécanismes produisent des minéraux pouvant alors être qualifiés de biominéraux. De nombreux biominéraux ont ainsi été identifiés dans le monde bactérien. Cela va de la calcite aux oxydes de fer et de manganèse en passant par le phosphate de plomb et d’uranium. L’intérêt de bien connaître les processus de biominéralisation microbienne réside dans le fait qu’ils peuvent servir de biosignature. En effet, lesbiominéraux peuvent être préservés au cours des temps géologiques alors que les cellules à basede carbone se décomposent beaucoup plus rapidement.

La bonne connaissance de la structure de ces biominéraux nous offre un outil précieux qui pourrait être utilisé dans le cadre de la recherche de la vie sur d’autres planètes. Sur terre, l’activité des microorganismes a conduit depuis 3,7 milliards d’années à la formation de gisements minéraux encore exploités. De nombreux exemples sont connus comme les fameux dépôts rubanés de fer (« BIF ») précambriens, les stromatolithes précambriens exploités par les cimentiers en Afrique, les « marbres rouges » mésozoïques européens dont la teinte liée à des ferro-bactéries sont utilisés depuis des siècles par les architectes, les gisements d’or d’Afrique du Sud plus riches grâce à la médiation bactérienne, certains gisements de plomb, de zinc, de nickel, etc. Tous les indices biologiques laissés dans ces bio-gisements suite aux interactions de microbes et minéraux seront parmi les premiers qui nous révèleront des traces de vie sur d’autres planètes.

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Les hydrocarbures conventionnels et non conventionnels, définition et réserves. Etat de la situation

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par Alain Préat

Le futur de l’approvisionnement en pétrole est difficile à cerner tant les données contradictoires sont légion, aussi bien celles fournies par les géologues des grandes compagnies pétrolières que celles des économistes et financiers. Le pétrole est une ressource non renouvelable, en quantité finie sur la Terre, et pourtant contrairement à ce qui est souvent rapporté, il en reste encore beaucoup, de sorte que le pic de pétrole n’est pas pour tout de suite. Plusieurs organismes fiables rendent compte de la consommation et de la production des hydrocarbures et tentent des projections sur ce que seront nos besoins énergétiques dans le futur. Les trois plus importantes sources sont (1) l’Agence Internationale de l’Énergie (AEI) créée au sein de l’OCDE, (2) l’Agence d’Information de l’Énergie (AIE) du Département Américain de l’Énergie et (3) le Service Géologique US (USGS) qui dépend du Ministère US de l’Intérieur. Ces organismes reconnaissent que la quantité de combustibles fossiles n’est pas connue avec précision, mais que leur ordre de grandeur est bien circonscrit. L’analyse des graphiques publiés par ces organismes suggère que le pic de production pétrolière aura lieu entre 2004 et 2030. Pour les spécialistes (géologues confrontés ‘au terrain’), la fourchette est plus restreinte, le pic ayant lieu entre 2010 et 2020. Pour certains, nous aurions même déjà franchi le pic. Le pic de production du pétrole ou pic de Hubbert correspond au moment ‘précis’ où la moitié du pétrole aura été produite, ensuite la production ne peut plus assurer la demande. De nouvelles ressources hydrocarbonées sont récemment disponibles en grandes quantités suite au prix élevé du baril, il s’agit des pétroles subconventionnels et non conventionnels. Leur valorisation déplacera dans le temps la date du pic de production pétrolière. De combien d’années ? Personne ne le sait réellement, de même que plus qu’un pic, il semble que nous nous dirigeons au moins jusqu’en 2035 vers un plateau de production de pétrole avec des hauts et des bas. La part des combustibles fossiles dans l’énergie primaire mondiale est aujourd’hui d’environ 80 % et ne devrait pas changer significativement d’ici 2030, voire 2050. Nous serons probablement, dès 2015, moins dépendant du pétrole que du gaz et du charbon. Le pétrole et d’une manière plus générale les combustibles fossiles continueront à se développer économiquement en valorisant les taux de récupération et l’exploitation des ressources hydrocarbonées non conventionnelles. Les modifications de l’offre dans l’énergie primaire mondiale n’ont pas lieu à l’échelle des mois ou des années, mais bien des décades.

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Les pics pétrolier et gazier, sans cesse reportés !

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 par Alain Préat et Jean-Pierre Schaeken

Académie royale de Belgique

Depuis plus de 15 ans les pics pétrolier et gazier sont régulièrement annoncés comme étant atteints. Pourtant force est de constater qu’il n’en est rien. Pour preuve, les réserves prouvées tant de pétrole et gaz conventionnels que non conventionnels s’accroissent régulièrement. Il en va de même de la production mondiale qui jusqu’à présent a toujours pu satisfaire la demande même lorsque celle-ci est soutenue.

Y aura- t-il réellement un pic à l’échelle mondiale ou plutôt un long plateau avec ou sans quelques pics mineurs ? En tout état de cause, est-ce la bonne question ? Ne faudrait-il pas plutôt parler d’adéquation entre l’offre et la demande ?
Cette problématique est de premier ordre puisque nous dépendons depuis plus d’un siècle à plus de 80% des énergies fossiles et tous les acteurs du monde énergétique ne voient pas de modifications majeures d’ici 2030, et même 2050, période durant de laquelle tout le monde s’accorde à penser que la demande, et donc la consommation d’énergie primaire va s’accroître, ne fût-ce parce que la population mondiale s’accroît chaque jour de 200 000 personnes (naissances moins décès) et que le niveau de vie des pays en voie de développement et émergents augmente. Les populations de ces pays consommeront autant, si pas plus d’énergie, que leurs prédécesseurs.
Toutefois, les progrès technologiques et les considérations environnementales conduisent, à moyen terme, à une réduction progressive de la demande.

Bien entendu les réserves de combustibles fossiles ne sont pas infinies.
Mais d’une part, de nouvelles réserves sont découvertes et d’anciens champs sont optimisés. D’autre part, les progrès technologiques (techniques de prospection, forages horizontaux, amélioriation du taux de récupération primaire …) permettent de valoriser les ressources conventionnelles et non conventionnelles de pétrole et de gaz. Les impacts macroéconomiques et géostratégiques sont très importants et devraient conditionner l’évolution de nos sociétés jusqu’au moins 2050.

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Panique sur les réserves de pétrole?

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Le futur de l’approvisionnement en pétrole est difficile à cerner tant les données contradictoires sont légion, aussi bien celles fournies par les géologues des grandes compagnies pétrolières que celles des économistes et financiers. Le pétrole est une ressource non renouvelable, en quantité finie sur la Terre, et pourtant contrairement à ce qui est souvent rapporté, il en reste encore beaucoup, de sorte que le pic de pétrole n’est pas pour tout de suite. Plusieurs organismes fiables rendent compte de la consommation et de la production des hydrocarbures et tentent des projections sur ce que seront nos besoins énergétiques dans le futur. Les trois plus importantes sources sont (1) l’Agence Internationale de l’Énergie (AEI) créée au sein de l’OCDE, (2) l’Agence d’Information de l’Énergie (AIE) du Département Américain de l’Énergie et (3) le Service Géologique US (USGS) qui dépend du Ministère US de l’Intérieur. Ces organismes reconnaissent que la quantité de combustibles fossiles n’est pas connue avec précision, mais que leur ordre de grandeur est bien circonscrit. L’analyse des graphiques publiés par ces organismes suggère que le pic de production pétrolière aura lieu entre 2004 et 2030. Pour les spécialistes (géologues confrontés ‘au terrain’) la fourchette est plus restreinte, le pic ayant lieu entre 2010 et 2020. Pour certains nous aurions même déjà franchi le pic. Le pic de production du pétrole ou pic de Hubbert correspond au moment ‘précis’ où la moitié du pétrole aura été produite, ensuite la production ne peut plus assurer la demande. De nouvelles ressources hydrocarbonées sont récemment disponibles en grandes quantités suite au prix élevé du baril, il s’agit des pétroles subconventionnels et non conventionnels. Leur valorisation déplacera dans le temps la date du pic de production pétrolière. De combien d’années ? Personne ne le sait réellement, de même que plus qu’un pic, il semble que nous nous dirigeons au moins jusqu’en 2035 vers un plateau de production de pétrole avec des hauts et des bas. La part des combustibles fossiles dans l’énergie primaire mondiale est aujourd’hui d’environ 80 % et ne devrait pas changer significativement d’ici 2030, voire 2050. Nous serons probablement, dès 2015, moins dépendant du pétrole que du gaz et du charbon. Le pétrole et d’une manière plus générale les combustibles fossiles continueront à se développer économiquement en valorisant les taux de récupération et l’exploitation des ressources hydrocarbonées non conventionnelles. Les modifications de l’offre dans l’énergie primaire mondiale n’ont pas lieu à l’échelle des mois ou des années, mais bien des décades (suite lien web).

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Le lointain passé des pierres peut-il éclairer notre proche avenir climatique et énergétique ? Entretien avec Alain Préat, géologue

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Alain Préat est professeur en géologie à l’ULB et professeur visiteur au Collège Belgique. Il assure la coordination d’une série de cours et de conférences à l’Académie royale sous le titre général « Changement climatique, pourquoi tant de passions ? » et tiendra plus précisément une conférence sur les controverses qui accompagnent la récolte de ces données climatiques…

Nous avons eu le plaisir de le rencontrer alors qu’il rentrait d’une mission de trois semaines dans la brousse congolaise.

Monsieur Préat, quand on est né dans ce « scandale géologique » qu’est le Katanga, avec un père travaillant dans l’exploitation minière, devenir géologue n’est-il pas une destinée toute tracée ?

Non, cela peut étonner mais ce n’est pas la longue présence de mon père au Katanga (38 années, tout de même) qui est à l’origine de mon intérêt pour la géologie. Je ne voyais mon père que rarement et j’ai choisi cette orientation indépendamment de cela.

Un choix qui vous amènera à voyager un peu partout dans le monde…

Oui, même si la Belgique méridionale reste une région de grand intérêt géologique. Après une expérience en Algérie, assez décevante pour un chercheur à cause de la faiblesse des compétences rencontrées là-bas à l’époque, c’est en Belgique que j’ai préparé ma thèse de doctorat : j’ai travaillé sur la sédimentologie du Dévonien carbonaté dans cette zone qui couvre le nord de la France et le sud de la Belgique, un travail sur le terrain qui a permis d’élaborer des modèles de plates-formes carbonatées et d’édifications récifales.

Givétien, Frasnien, Famennien, sont des « étages » géologiques bien de chez nous… On a de la peine à imaginer que certaines crêtes près de Couvin et Treignes sont les bords de vieux récifs de coraux.

Pas exactement des coraux, mais des stromatopores, semblables à des éponges fossiles, pour simplifier. Le Dévonien, période géologique qui s’étend de moins 420 à un peu moins de 360 millions d’années, fait partie de ce qu’on appelle l’ère primaire, ou paléozoïque. Ces stromatopores dévoniens connaissent leur apogée en Ardenne, au Givétien et sont aussi très bien représentés au Frasnien. Les coraux, qui constitueront d’ailleurs par la formation des calcaires qu’ils ont induits l’un des puits de carbone les plus importants, viendront ensuite et formeront, il y a plus de 300 millions d’années, une barrière récifale mondiale qui s’étendra sur une distance une fois et demie supérieure à l’actuelle barrière de corail australienne. À l’époque, notre Ardenne se trouvait sous les tropiques de l’hémisphère sud et était recouverte par une mer peu profonde et calme dans laquelle s’accumulaient des sédiments souvent fossilifères…

Docteur en géologie en 1985, spécialiste en sédimentologie de nos régions, vous repartez pourtant en Afrique, dans la recherche pétrolière…

En effet, ces recherches en sédimentologie intéressent particulièrement les compagnies pétrolières. L’une d’entre elles, Petrofina, m’engagea alors et m’envoya diriger leur laboratoire de recherche en Angola. À côté de nombreuses études pour différentes compagnies pétrolières actives dans ce pays, mon activité principale consistait en l’analyse et l’interprétation des faciès réservoirs (le faciès est une catégorie dans laquelle on peut ranger une roche, par exemple un faciès sédimentaire marqué par un ou plusieurs caractères lithologiques ou paléontologiques, le terme « réservoir » est assez clair par lui-même), en partant de forages effectués dans le Crétacé (environ -145 à -65 millions d’années, c’est la dernière période du mésozoïque ou ère secondaire), parfois même dans le Tertiaire.

Devenu professeur à l’ULB en 1990, vous entamez une vie partagée entre l’académique et de très nombreuses missions à l’étranger (Maghreb, Papouasie, USA…), tout en restant chercheur en sédimentologie et géochimie des roches carbonatées.

On m’a recontacté pour diriger des études de 3e cycle au Maghreb, pour étudier dans une petite île du nord de la Papouasie des roches récifales soulevées, très récentes et marquées par de nombreuses transformations, puis pour diriger aux États-Unis une thèse de doctorat sur les dépôts du Dévonien. Je me suis en particulier intéressé aux causes des extinctions massives qui ont marqué le passage du Frasnien au Famennien. On ignore parfois que l’extinction massive d’espèces animales et végétales ne se limite pas à celle des dinosaures (qui n’était que la… cinquième). Celle dont je parle peut être considérée comme la quatrième. Dans ce passé lointain, des zones anoxiques (bassins privés d’oxygène) semblent avoir existé, à des échelles très vastes et des durées de plusieurs centaines de milliers d’années. Cette « crise d’anoxie » a dû participer à la disparition de 80 % des espèces vivantes, avec d’autres facteurs comme l’altération des continents. La cause des extinctions massives est sans doute multifactorielle. Il en va de même pour celle, plus tardive, des dinosaures où la fameuse météorite a sûrement joué un rôle mais l’activité volcanique de la période n’y est probablement pas pour rien, par exemple.

À la fin des années 1990, outre cette question des extinctions massives d’organismes que vous étudiez à partir des séries du Dévonien supérieur, à l’échelle euraméricaine (de l’Amérique du Nord à la Pologne), vous vous consacrez aussi à l’analyse microbiologique et géochimique des calcaires anciens.

Ces travaux, menés en association avec des biologistes, m’ont permis d’élaborer un modèle paléo-écologique basé sur la présence de ferro-bactéries fossiles, pouvant expliquer la pigmentation rouge de nombreux marbres et pierres d’ornementation. La question de l’origine de ces calcaires rouges est ancienne et accompagne le succès énorme de ces marbres et pierres rouges depuis des siècles.

Dont le marbre de Rance, ce fameux « rouge belge » ?

… qui eut en effet une immense renommée par son usage intensif lors de la décoration du château de Versailles, par exemple. Pensons à Musset qui écrivit, dans ses Poésies nouvelles :

Quand sur toi leur scie a grincé,
les tailleurs de pierre ont blessé
quelque Vénus dormant encore
et la pourpre qui te colore
te vient du sang qu’elle a versé

La couleur rouge des pierres intrigue depuis toujours et pourtant, à l’occasion même d’un symposium sur « l’ammonitico rosso » (Jurassique d’Italie) en 1991, on préféra passer sous silence la question même de cette coloration… J’ai eu récemment, en Italie précisément, l’occasion de démontrer que cette couleur rouge est liée à l’existence de ferro-bactéries vivant dans une boue carbonatée et qui meurent quand il y a trop d’oxygène. Ce sont ces bactéries qui se développaient aux interfaces dysoxiques/anoxiques dans les sédiments, qui ont oxydé le fer ferreux en fer ferrique et donné la pigmentation rouge de ces marbres qui n’ont pourtant qu’une teneur de 1 % en fer, suffisante pour la coloration. J’ai ensuite pu montrer que ces activités microbiennes étaient aussi à l’origine d’un fractionnement isotopique, ce qui constitue de fait une ‘biosignature’.

Ces travaux sont en pleine résonnance avec la mission de la NASA sur Mars (la planète rouge !) et sa sonde robotisée Curiosity, non ?

Bien sûr. Toute cette histoire des ferro-bactéries a des implications sur l’apparition de la vie dès les premiers stades de la formation de la Terre ou en exobiologie. Car ces isotopes sont comme des « signatures » de la vie. Il est amusant de penser qu’on est parti de ces marbres de Rance, qu’on se retrouve sur la planète Mars, qui contient également des oxydes de fer à sa surface. On sait maintenant, grâce au microscope électronique, que ces ferro-bactéries se retrouvent fossilisées dans de nombreuses formations géologiques rouges sur Terre.

Sur quoi portent vos travaux plus récents ?

J’effectue des missions de recherche sur le Précambrien, au Congo (RDC et Brazzaville), au Gabon et bientôt en Namibie : elles portent sur l’analyse des conséquences de l’apparition de l’oxygène au paléo-protérozoïque il y a deux milliards d’années, ainsi que sur les glaciations précambriennes au néo-protérozoïque il y a plus de 600 millions d’années. Il y a donc eu de nombreuses glaciations dans l’histoire de notre planète, dont celle qui débouche sur l’hypothèse de la fameuse « Snowball Earth », la théorie de la Terre boule de neige, une glaciation mondiale qui aurait recouvert toute la planète d’une épaisse couche de neige et de glace, il y a environ 635 millions d’années. On a pu récemment apporter de nouveaux arguments en faveur de cette hypothèse avec l’étude de roches en Namibie : sur les dépôts glaciaires de ces roches, des carbonates dits de recouvrement furent identifiés. En analysant la signature magnétique des dépôts glaciaires, on a pu déterminer qu’ils s’étaient formés à de basses latitudes. Mes travaux portent donc sur la recherche académique dans ces domaines, mais comportent également une part cartographique, plus directement utilitaire. Par ailleurs, je reste toujours intéressé par les applications potentielles aux roches réservoirs et roches sources de pétrole, et j’encadre dans ce contexte des recherches (doctorats) dans le Kurdistan irakien où je me rends régulièrement.

L’étude de la géologie confronte au vertige d’une échelle de temps longue, incomparable avec nos références historiques, sans parler des expériences de vie personnelle. Votre vision du monde en est-elle fort influencée ?

Bien entendu. D’abord parce que le fait de vivre, en pleine conscience, avec des roches d’un milliard et demi d’années ou bien plus, relativise le temps de l’humanité : l’être humain n’a que 150.000 ans environ, soit une échelle dix mille fois plus courte, ensuite parce que l’on découvre que la planète est toujours en transition, que par exemple la teneur en oxygène a souvent changé… La Terre a vécu, pour l’immense partie de son existence, sans l’Homme et n’a évidemment pas « besoin » de lui. Sans philosopher outre mesure, cela seul interroge, non ? Par ailleurs, je pense à ces physiciens fascinés par la découverte que toute la réalité est quantique, que notre cerveau lui-même est quantique… Et je me dis que ça, c’est encore une vision teintée d’anthropomorphisme, un risque auquel le géologue, lui, échappe.

C’est Camus qui écrivait, dans le Mythe de Sisyphe, pour parler de l’absurde et de « l’étrangeté » du monde par rapport à l’homme : « S’apercevoir que le monde est épais, entrevoir à quel point une pierre est étrangère, nous est irréductible, avec quelle intensité la nature, un paysage peut nous nier… », terrible leçon de modestie pour l’homme. Mais revenons sur terre, si l’on peut dire. Vous consacrez votre vie à une discipline assez mal connue du grand public, y compris dans ses notions de base. Vous arrive-t-il de penser que cette étude de notre Terre, des sols qui la composent et déterminent la possibilité même de notre vie, devrait être davantage répandue, vulgarisée ?

Tout-à-fait. Il s’agit là d’une des grandes lacunes de l’enseignement secondaire en Belgique. Et ce n’est pourtant pas si compliqué dans la mesure où une telle formation, au niveau secondaire, n’implique pas de connaissances pointues, alors même qu’elle ouvrirait aux élèves des perspectives philosophiques importantes et un regard lucide sur la science toujours en devenir.

« La vérité scientifique n’arrive d’ordinaire au grand nombre que lorsqu’elle a cessé d’être vraie » disait Jean Rostand, il y a un siècle déjà. Est-ce aussi le cas en géologie ?

Il y a des progrès dans la connaissance, on affine, on avance des hypothèses, certaines sont abandonnées, ce qui ne signifie pas qu’on se soit trompé… L’acquis géologique est avéré. Par ailleurs, il y a des hypothèses qui ne se vérifient que bien plus tard. Par exemple, la fameuse tectonique des plaques de Wegener, que tout le monde connaît aujourd’hui : Wegener était incapable d’en donner une explication scientifique à son époque. Il faudra pour cela attendre le paléomagnétisme, quarante ans plus tard… La démarche scientifique est hypothétique, progressive et continue.

Précisément, le grand public peut s’emparer de débats scientifiques et se passionner pour ça. Deux grandes controverses contemporaines, d’abord scientifiques mais « popularisées » désormais, sont en rapport avec la géologie : le « pic pétrolier » et le « réchauffement climatique »… Il est d’ailleurs intéressant de les voir liées dans le tapage médiatique qui accompagne une réflexion, au fond scientifique mais qui exprime aussi une crainte populaire. Une optique idéologique réunit, au sein des deux « camps » opposés, des « croyants » et des « non-croyants »… On est loin de la science, là.

À propos du « pic pétrolier », qui est annoncé régulièrement depuis plus de quarante ans d’ailleurs, je tiens d’emblée à répéter que je n’ai aucun a priori. Objectivement, il reste du pétrole pour encore longtemps mais ce fait doit être mis en relation avec une consommation mondiale croissante : chaque jour la planète porte 221.000 humains supplémentaires, les pays émergents se développent industriellement et la consommation d’énergie augmente. Les dérivés du pétrole représentent 80 % des combustibles, 90 % si on ne tient pas compte du bois. On comprend donc l’inquiétude. Mais la controverse est là, entre les optimistes (les « cornucopiens » qui croient à la permanence d’une corne d’abondance) et les pessimistes (les « hubbertistes », du nom de cet expert qui annonçait dès 1940 le pic pétrolier américain pour 1970). Si l’on s’en tient aux faits, que l’on reste objectif et critique, que peut-on dire ? D’abord que, si Hubbert a commis en son temps une erreur d’évaluation sur la production américaine, les pessimistes n’ont pas tort de constater que l’on consomme aujourd’hui 6 à 7 barils pour 1 baril découvert alors qu’il y plus de 30 ans on consommait un baril pour 5 découverts. Que, si les optimistes se basent sur des réserves des compagnies nationales (qui détiennent plus de 80 % des réserves mondiales) en réalité surestimées pour des raisons boursières, les hubbertistes ne prennent pas en compte le progrès technologique qui permet d’améliorer les rendements et les techniques d’exploration. Que d’un côté on sous-estime la production potentielle de gaz, et de l’autre on découvre moins de champs géants, d’ailleurs en déclin. À quoi il faut ajouter les arguments opposés concernant le rôle de la spéculation dans la hausse des prix pétroliers, les politiques économiques des pays concernés, etc. Bref, le débat est trop complexe pour le trancher ainsi. Ce qu’on peut dire de certain, c’est que le pétrole bon marché c’est fini, que la notion de « pic pétrolier » est valide mais sa date incertaine. Le monde consomme 30 milliards de barils par an, soit environ 4 barils par personne mais avec des différences colossales : un Américain utilise en moyenne 25 barils par an, un Indien 0,9 baril. Les réserves pétrolières sont estimées selon les « camps » à 2013 ou 3012 Gbbl (milliards de barils), la quantité déjà extraite est de 1095 Gbbl, le pic pétrolier se situerait dès lors pour le seul pétrole conventionnel en 2037 ou en… 2005. Mais il y a le pétrole non conventionnel : schistes et gaz bitumineux ainsi que les « gaz de schistes ». Or, en tenant compte de ces gaz de schistes, les réserves mondiales de gaz sont passées de 60 années à plus de deux siècles… On comprend donc que le problème n’est pas seulement technologique et « naturel », c’est aussi un problème politique avec ses contraintes environnementales, entre autres. En conclusion : c’est un problème très complexe, comme notre monde lui-même, et qui ne devrait pas devenir un enjeu politique et médiatique simpliste. Il me semble en outre qu’à côté de ces querelles, il ne manque pas de défis urgents dignes d’attirer l’attention des décideurs politiques et dont l’oubli mène à de véritables drames, ici et maintenant : la question de l’accès à l’eau potable, par exemple, ou la pauvreté insupportable dans des régions entières.

Vous venez d’ailleurs de publier un article dans le Bulletin de la Classe des Sciences de l’Académie, sur le sujet (Panique sur les réserves de pétrole ?, ce 10 octobre). Quant à l’autre grand débat actuel, à propos du « réchauffement climatique », n’obéit-il pas lui aussi, à cette logique simpliste des « pour » et des « contre » ?

Malheureusement si. Et pour des raisons similaires : données incomplètes ou non représentatives statistiquement, compte mal tenu des lieux, corrections insuffisamment expliquées, voire courbes statistiques tronquées… Le problème vient de ce qu’on outrepasse les données brutes au profit d’une médiatisation intéressée. D’une part, et c’est un drame pour l’image même de la communauté scientifique toute entière, nous assistons à une course à l’échalote publicitaire, les chercheurs orientant leurs travaux vers ce qui est porteur budgétairement, vers des publications sources de retombées intéressantes, d’autre part la communauté scientifique éclate en factions rivales…

Mais le GIEC (Groupe d’experts intergouvernemental sur l’évolution du climat, créé par deux agences de l’ONU : l’Organisation météorologique mondiale et le Programme des Nations unies pour l’environnement) a pour mandat, je cite : « d’évaluer, sans parti pris et de manière méthodique, claire et objective, les informations scientifiques, techniques et socio-économiques disponibles en rapport avec la question du changement du climat. Le GIEC est censé rendre compte des différents points de vue et des incertitudes, tout en dégageant clairement les éléments qui relèvent d’un consensus de la communauté scientifique ». Or c’est le GIEC qui est au cœur de la tourmente entre scientifiques…

D’abord le GIEC fonctionne au consensus, ce qui me paraît incompatible avec une démarche proprement scientifique : la science, c’est non seulement le doute permanent mais aussi l’ouverture constante à la critique, à la réfutation toujours possible. Que l’on demande à des scientifiques d’aboutir à un accord unanime sur des textes me paraît déjà anormal. Alors quand il s’agit de problèmes aussi complexes que l’évolution du climat et de ses causes, j’ai des… doutes.

Ce que vous dites ne laisse pas d’inquiéter le public : que penser si les « savants » ne sont pas d’accord ? « L’union des travailleurs de la preuve » disait Bachelard en parlant de la communauté scientifique… Cette vérité scientifique est-elle un leurre ?

Ce genre d’études est commandité par des autorités politiques. Le GIEC est tenu de résumer son immense travail en une petite centaine de pages destinées aux décideurs politiques dont dépend l’obtention de crédits… Simplifications, intérêts, qui ne voit là un risque, un danger pour la science authentique ? Je ne dis pas du tout que le GIEC travaille mal, je dis seulement que toute démarche scientifique implique des discussions, des controverses, des doutes… et pas le consensus.

Mais les décideurs politiques, même obsédés par le temps très court des logiques électorales et des rentabilités boursières, failliraient à leurs devoirs s’ils ne s’adressaient pas à ces experts…

C’est aux scientifiques à ne pas tomber dans le piège. À la limite, cette controverse entre scientifiques serait bénéfique si elle n’était tombée dans le champ public, politique, idéologique, financier, bref dans le monde non rationnel. Ce genre de dérive est banal depuis les années 90, depuis que la recherche est devenue un enjeu économique. Il me semble que la complexité des phénomènes tels que la durée de production pétrolière et a fortiori le réchauffement climatique interdisent la caution scientifique de décisions politiques. Peut-être qu’on n’a pas encore toutes les données, tout simplement. Et que les gens sont trop impatients. « La science ne se soucie ni de plaire ni de déplaire, elle est inhumaine », disait Anatole France. Personne n’a le courage de dire : à ce stade de nos connaissances, on ne sait pas prévoir l’avenir du climat. Les facteurs sont tout simplement trop complexes. Et cela commence avec les données climatiques elles-mêmes : il semble ne pas y avoir de consensus sur la pertinence de ces relevés. C’est ce que je vais tenter d’expliquer lors de cette conférence à l’Académie Royale le 14 novembre prochain, que j’intitule : « La récolte des données climatiques : quelles controverses ? ».

Interview réalisée par Michel Gergeay – octobre 2012

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Gaz de schiste et gaz de roche mère

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par Alain Préat

Le premier puits de gaz naturel est creusé à la pelle, en 1821, à Fredonia (État de New-York, aux États-Unis), à 9 mètres de profondeur, dans des roches carbonifères naturellement fracturées et il est rentable (le gaz remplaçant l’huile de baleine valait 2 000 $/baril en termes actuels). De 1850 à 1900, d’autres puits sont forés en Europe (Angleterre surtout) et États-Unis (Louisiane, Michigan), et exploitent également l’huile de schiste ou shale oil [1]. Ce premier essor de mise en valeur de gisements d’hydrocarbures non conventionnels est stoppé net par la découverte des grands gisements de pétrole conventionnels du Moyen-Orient dans les années 1950-1960. Face à l’épuisement relatif des hydrocarbures conventionnels, grâce surtout aux progrès technologiques (forages horizontaux) et aux nouvelles connaissances géologiques dans les techniques d’exploration-production, nous redécouvrons les hydrocarbures non conventionnels qui semblent promis à une seconde jeunesse. Ils « dorment » à plus de 1000 m de profondeur et ils ne sont pas rentables au-delà de 4 000 m de profondeur.

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Gisements supergéants disparus : comment se forme le pétrole du Précambrien

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par Alain Préat
Des formations et migrations d’hydrocarbures ont été mises en évidence il y a 3,25 Ga (milliards d’années) dans l’Archéen en Australie et il y a 2,45 Ga au Canada. Mais l’un des plus beaux cas est celui d’un gisement supergéant de 5 milliards de barils (qui auraient été récupérables) à partir d’une formation du Paléoprotérozoïque (± 2,1-2,0 Ga) affleurant sur 9 000 km2 près du lac de Onega dans le NO de la Russie, au sud de la Mer de Barents. Le pétrole et presque tous les gaz sont liés à l’évolution de la matière organique au cours de l’enfouissement des séries géologiques à des profondeurs de quelques kilomètres (< 6 km). Au-delà, tous les hydrocarbures sont perdus, transformés en graphite (carbone pur) sous l’effet de températures et de pressions trop élevées. Le processus qui conduit à la formation d’un gisement d’hydrocarbures est long et comporte plusieurs étapes. Si l’une d’entre elles manque, le gisement n’a aucune chance de se former. Ce processus, qui s’étend sur des dizaines de millions d’années (Ma), débute par le piégeage et la maturation de la matière organique, surtout planctonique et algaire (c’est-à-dire roches sources ou roches mères), se poursuit par l’expulsion des hydrocarbures vers des roches poreuses et perméables (= roches réservoirs) situées à proximité ou à des centaines de kilomètres. L’étanchéité du réservoir est assurée par le dépôt de couches imperméables (argiles, sels… = roches couvertures). Le processus qui expulse et permet la migration des hydrocarbures est lié, pour l’essentiel, aux structurations ou déformations tectoniques. Et si l’étanchéité n’est pas assurée, les hydrocarbures s’échappent à la surface terrestre, au fond des océans ou dans l’atmosphère (= dysmigration) (suite lien web).
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Les réacteurs nucléaires existaient déjà il y a 2 milliards d’années au Gabon

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par Alain Préat
Nos premiers réacteurs nucléaires datent des années 1950… et suivent de près de 2 milliards d’années les 17 « réacteurs » naturels qui ont fonctionné de manière stable pendant 100 000 à 500 000 ans sur une période d’environ un million d’années. Ils produisirent de l’énergie avec des rendements modestes (100 kilowatts en moyenne par réacteur, bien inférieurs aux réacteurs actuels produisant 1 à 1,5 gigawatt, soit au moins 1 000 fois plus). Ces réacteurs se sont formés entre 12 et 250 m de profondeur dans les couches gréseuses du Paléoprotérozoïque[1] du bassin sédimentaire de Franceville au sud du Gabon à Oklo (16 réacteurs) et à 30 km au SE d’Oklo à Bangombé (un seul réacteur) suite à une série de processus géologiques aléatoires qui ont mené à un enrichissement de l’uranium. La taille de ces réacteurs est variable, le plus grand, situé à 18 m de profondeur, formant une lentille épaisse de 20 à 50 cm sur 12 m de longueur. Leur « cœur » consistait en une couche de 5 à 20 cm d’épaisseur d’uraninite (40 à 60% d’UO2) emballée dans des argiles d’altération formées à 400° C suite à la fission nucléaire. Les produits radioactifs (plutonium, thorium, plomb…) sont pour la plupart restés à proximité des réacteurs depuis 2 milliards d’années, sans causer de dommages particuliers (l’encaissant n’a été affecté que sur quelques centimètres à quelques mètres), ce qui montrerait que le stockage géologique des déchets radioactifs est possible sur de longues périodes de temps. Les conditions de fonctionnement de ces réacteurs naturels étaient semblables aux actuels basés sur la production des neutrons rapides. Ces derniers sont ralentis par un modérateur (eau ou graphite) et un agent refroidissant (eau) permettant l’entretien de la réaction de fission de l’235U, un des trois isotopes[2] uranifères présents sur la Terre (0,720 % de l’uranium naturel) avec l’238U (99,275 %) et l’234U (0,005%). L’235U étant peu abondant par rapport à l’isotope 238U doit donc être artificiellement enrichi (3 à 4 %) afin d’être utilisé comme combustible dans les centrales nucléaires actuelles. La réaction peut être spontanément initiée par l’238U. La réaction de fission en chaîne nécessite également des absorbeurs de neutrons (cadmium, iridium, carbure de bore) sous forme de barres mises en contact avec le combustible (il s’agit de barres de contrôle permettant de museler la réaction en chaîne). Il y a 2 milliards d’années le taux d’235U présent dans l’uranium naturel avec l’238U était beaucoup plus important qu’aujourd’hui car la vitesse de désintégration de l’235U est six fois plus rapide que celle de l’238U, l’uranium naturel pouvait ainsi être à la base d’une réaction en chaîne spontanée. Finalement il faut quatre conditions pour qu’un réacteur naturel puisse exister (suite lien web).
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Pourquoi donc les “marbres rouges” sont-ils rouges?

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par Alain Préat

Depuis des siècles, les calcaires rouges d’Europe (traditionnellement appelés « marbres rouges ») ont fasciné les architectes et les sculpteurs qui les ont utilisés tant dans les monuments civils et religieux, que pour les œuvres d’art. Les marbres rouges sont relativement rares dans la nature et ont été recherchés et exploités depuis le Moyen Âge en Belgique, Espagne, France, Italie, Tchéquie, etc. Leurs âges sont divers, depuis le Cambrien jusqu’au Néogène [1]. Les marbres rouges dévoniens de France et de Belgique eurent une vogue extraordinaire aux XVe et XIXe siècles : plus de 400 carrières furent ouvertes de la Montagne Noire jusqu’aux bordures des Ardennes franco-belges qui produisirent différentes variétés, depuis les « Rouges Byzantins » jusqu’aux « Rouges Impériaux ». Ainsi furent édifiés le Palais de Louis XIV, le Trianon , le Château de Versailles ; on les retrouve même à l’Assemblée Nationale au Palais Bourbon à Paris.

Il semble ainsi approprié d’introduire cette discussion par une citation poétique, puisque cette teinte a inspiré tant de jolies choses [2] :

« Quand sur toi leur scie a grincé
les tailleurs de pierre ont blessé
quelque Vénus dormant encore,
et la pourpre qui te colore
te vient du sang qu’elle a versé »

Alfred de Musset, Poésies Nouvelles, 1850

(suite lien web)

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Le Déluge face aux moraines glaciaires, premier débat sur le changement climatique

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par Alain Préat
Le premier doute sur l’interprétation diluvienne fut apporté en 1806 par un botaniste russe, Mickhail Adams, lorsqu’il exhuma un mammouth quasi intact, avec squelette complet, cartilages en place, peau bien préservée et longs poils laineux entiers. Cuvier en conclut immédiatement que ce mammouth était adapté aux régions froides de l’Arctique, y avait vécu et péri et ne pouvait provenir des tropiques. Le débat sur le changement climatique était lancé et allait diviser la communauté des géologues d’Europe et d’Amérique du Nord jusqu’à la synthèse d’Agassiz en 1840. La découverte d’animaux ressemblant aux éléphants dans les dépôts superficiels d’Europe et les plaines gelées du nord de la Sibérie était un problème pour les savants du 18ème siècle, puisque ces animaux n’étaient connus que dans les tropiques, et à l’époque il n’était pas question de changement du climat. Une seule explication était possible et fut proposée en 1728 par le zoologiste allemand Johann Breyne : les animaux ont péri lors du Déluge de Noé, les os et les dents ayant été transportés vers le Nord par les flots, les vents et abandonnés sur place à la fin du Déluge. Ce dernier était universel et les Ecritures bibliques représentaient la clé de l’interprétation de l’histoire naturelle. En 1796 Cuvier, un brillant anatomiste des vertébrés, fut le premier a montrer qu’il s’agissait de mammouths, donc une espèce distincte des éléphants actuels, et le mammouth devint à cette occasion la première espèce reconnue comme éteinte, bien avant les dinosaures en 1820 (suite lien web).
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Le gaz abiotique naturel

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par Alain Préat

Probablement pas une nouvelle source rentable d’hydrocarbures…

Tous les hydrocarbures naturels, c’est- à-dire le pétrole y compris le gaz méthane (CH4) parmi d’autres gaz, sont essentiellement liés à l’évolution de la matière organique au cours de son enfouissement dans les séries géologiques. Une partie du méthane sur Terre peut également être produite par des microorganismes adaptés à la vie dans les milieux extrêmes, souvent en l’absence d’oxygène [1]. Mais il est moins connu que le méthane peut aussi être produit par l’altération et/ou le métamorphisme de roches magmatiques basiques et ultraba- siques donnant des serpentinites à partir des péridotites du manteau supérieur [2]. Ces roches présentes à la fois dans les zones océaniques (les dorsales médio-océaniques) et sur les continents dans les zones dites cratoniques (anciennes croûtes continentales très épaisses) sont à l’origine de la production de méthane non biogénique. Les serpentinites résultent de réactions d’hydratation à basse température (< 100°C) des roches ultrabasiques et, outre la production de méthane surtout en présence de dioxyde de carbone, elles sont aussi à l’origine de la production de faibles quantités d’hydrogène (seul mode de production abiotique sur la Terre), d’azote et d’hélium. Cet hydrocarbure abiotique (le méthane) mantellique pourrait être lié à l’origine de la vie sur Terre et le processus expliquerait aussi la présence de différents hydrocarbures sur d’autres planètes et dans de rares météorites. Sur notre planète, on le trouve lié aux systèmes hydrothermaux, aux édifices volcaniques, aux intrusions ignées (roches magmatiques mises en place dans des formations déjà constituées), dans les boucliers cristallins (roches magmatiques et métamorphiques du Précambrien), au Japon, en Nouvelle-Zélande, en Grèce, en Italie, en Russie, aux USA, en Chine, à Oman etc.

Une des plus belles occurrences est celle du site Chimaera dans le Golfe d’Antalya en Turquie, le plus grand champ onshore [3] de méthane abiotique actuel. En effet, ce champ est lié à une zone faillée avec serpentinisation de péridotites et d’ophiolites suite à l’obduction [4] des Alpes. Le gaz de Chimaera (87% de méthane, 10% d’hydrogène et quelques pourcents d’autres hydrocarbures) brûle en formant une vingtaine de flammes de 50 cm de hauteur. Ce méthane s’échappe également sans brûler à partir de failles ou de fissures qui libèrent annuellement environ 200 tonnes de ce gaz dans l’atmosphère. Les arbres et les sols de la région sont totalement brûlés sur 2000 m2. Les analyses isotopiques du carbone et de l’hydrogène confirment qu’il s’agit bien de gaz abiotique. Des datations au carbone 14 montrent que cette source gazeuse a plus de 50 000 ans d’âge. Elles furent observées par Pline l’Ancien il y a près de 2000 ans qui les considérait comme des « flammes éternelles ». Le méthane émis jusqu’à aujourd’hui est de l’ordre de 400 millions de mètres cubes et représente une faible portion d’un réservoir sous pression. Homère (fin du VIIIe siècle avant J-C) avait déjà noté dans l’Iliade la présence de Chimères ou monstres crachant du feu et dévorant les humains à Chimaera près du site archéologique de Cirali.

Qu’en est-il de l’aspect commercial de ce gaz ? On estime aujourd’hui que ce méthane abiotique représente bien moins de 1 % du gaz présent dans la plupart des réservoirs d’hydrocarbures. Son évaluation reste à faire, d’autant plus qu’il ne peut être mis en évidence que par des analyses isotopiques détaillées du carbone, de l’hydrogène et/ou de l’hélium (ce dernier provenant du manteau). De plus, jusqu’à aujourd’hui, ce gaz n’a été mis en évidence que sur la partie continentale du Globe (onshore), rien ou très peu est connu au niveau de la partie offshore immergée, par exemple au niveau des dorsales médio-océaniques où l’altération des péridotites est un processus dominant.

Sept sites hydrothermaux actifs producteurs de méthane, d’hydrogène et d’azote abiotiques suite aux processus de serpentinisation sont connus le long de la dorsale médio-atlantique et chaque site fonctionnerait plusieurs dizaines de milliers d’années (au moins 30 000 ans) avant de s’éteindre. La théorie du gaz (et du pétrole) abiotique formé à grande profondeur (à partir de dépôts de carbone, datant peut-être de la formation de la Terre) a été développée en Union Soviétique (et Ukraine) après la Seconde Guerre mondiale et a jeté le trouble dans la communauté scientifique pendant fort longtemps. À ce moment-là, les grands champs pétroliers du Moyen- Orient venaient d’être découverts et la formation du pétrole était encore sujette à discussion. Les mécanismes proposés par les soviétiques se sont révélés erronés et la théorie a été abandonnée après quelques décennies (1950-1980) lorsque l’origine organique du pétrole (cf. SPS, n°312 [5]) a été définitivement démontrée. Néanmoins la « théorie soviétique » continue à intriguer les non spécialistes et constitue d’ailleurs l’objet de l’intrigue majeure d’une BD récemment parue aux éditions du Lombard [6].

Notons enfin que depuis 1913, la chimie est à même de produire du méthane en laboratoire à partir de dioxyde de carbone et d’hydrogène ce qui a valu à Paul Sabatier le prix Nobel. Depuis lors, la « réaction Sabatier » fut menée suivant plusieurs voies, par exemple en remplaçant le dioxyde de carbone par le monoxyde de carbone (réaction Fischer-Tropsch ayant permis à l’Allemagne nazie et à l’Afrique du Sud – au temps de l’apartheid – de produire du méthane à partir de charbon). Les réactions chimiques ont cependant lieu à des températures nettement plus élevées que celle de production du gaz non biogénique naturel.

En conclusion, en l’état actuel des connaissances, le méthane abio- tique bien que non quantifié n’a pas le potentiel d’une source d’hydrocarbures rentable. En effet, il semble- rait qu’il soit associé en très faible quantité aux hydrocarbures habituels (pétrole et gaz biotiques) et est donc exploité avec ces derniers.

Alain Préat

Géologue, professeur à l’ULB (Université Libre de Bruxelles), département des Sciences de la Terre et de l’Environnement.

1 Il s’agit des Archées (encore appelées Archéobactéries) c’est-à-dire de microorganismes unicellulaires proca- ryotes (pas de noyau, pas d’organites) adaptés à la vie dans les milieux extrêmes, souvent en l’absence d’oxygène (sources hydrothermales du fond des océans, lacs salés, marais, sols… y compris dans le corps humain – par exemple le colon).

2 Enveloppe du Globe limitée par la base de la croûte aux environs de 10 à 30 km de profondeur et le manteau infé- rieur à environ 700 km de profondeur. Elle est composée de péridotites, roches riches en magnésium et assez pauvres en aluminium. Les roches basiques et ultrabasiques sont des roches magma- tiques très pauvres en silice, elles contiennent plus de 90% de minéraux riches en fer et magnésium (olivine, pyroxène…). Le métamorphisme est la transformation d’une roche à l’état solide suite à une élévation de la température et/ou de la pression.

3 À terre, sur le continent, par opposition à offshore, en mer.

4 Chevauchement d’une vaste portion de croûte océanique (représentée par des complexes ophiolitiques) sur une zone de croûte continentale. Les ophiolites représentent ici des péridotites foliées ayant subi des déformations tec-toniques.

5 Gisements supergéants disparus : le pétrole du Précambrien. www.pseudo- sciences.org/spip.php?article2419

6 Quand la fiction s’inspire de la réalité : du pétrole plein les cases www.ulb.ac.be/sciences/dste/sediment/pa ges_perso/Preat_fichiers/BD_Petrole.pdf

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Les ressources naturelles sont-elles inépuisables?

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Les ressources naturelles [1] peuvent-elles satisfaire sans fins nos exigences de bien être ?  À long terme surement pas, les gisements (métaux -uranium, thorium, or … et pierres précieuses –diamants, saphirs, topazes…), les hydrocarbures (gazeux, liquides, solides) et les géomatériaux (roches, sables, granulats…) ne sont pas renouvelables. L’économie internationale étant contrainte en premier lieu par la géologie, il en résulte une distribution inégale des richesses de la Terre et une lutte pour se les approprier, nécessitant un développement technologique pour accroître les volumes récupérables. Certains vont même jusqu’à parier que les futures ressources seront à prendre sur d’autres planètes, sur des astéroïdes ; des équipes y travaillent déjà. En attendant, tentons un bilan de la situation actuelle : reste-t-il assez de ressources sur notre planète? Pour combien de temps ?  Estimer leur volume ultime[2] est assez facile grâce à l’exploration de plus en plus efficace, mais prédire leur durée d’exploitation est une autre paire de manches car elle dépend de facteurs économiques et politiques aléatoires aussi bien dans les court et moyen termes. Les réserves ne peuvent qu’évoluer au cours du temps en fonction des moyens et les déclarer est un acte politique et économique de grande importance.
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Déterminer l’âge de la Terre : une bien longue quête

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par Alain Préat

On pourrait croire qu’avec l’avènement de la physique nucléaire lié à la découverte de la radioactivité en 1896, l’âge absolu de la Terre aurait été facile à déterminer. Il n’en fut rien. Avant cela, le débat, voire les querelles sur l’âge de la Terre, étaient nombreuses. D’après James Ussher (1581-1656), archevêque anglican d’Armagh et primat d’Irlande, qui se basait sur la chronologie biblique, la Création aurait eu lieu dans la nuit précédant le dimanche 23 octobre 4004 avant Jésus Christ (calendrier julien). Selon lui, la Terre serait donc récente ; ces déclarations furent prises pour argent comptant pendant près de trois siècles. Avant Ussher, cet âge était encore plus énigmatique : soit la Terre avait toujours existé (Aristote), soit elle avait « simplement » été créée avec l’Univers sans date précise (religions monothéistes). L’âge biblique intrigua bien entendu de nombreux savants depuis la Renaissance (Kepler, Newton, Descartes, Kelvin, Halley …) qui utilisèrent des méthodes de calcul variées (érosion des reliefs, salinité des océans, refroidissement du Globe, distance Terre-Lune…) pour aboutir à des âges de quelques milliers d’années à quelques dizaines de millions d’années. Pour ces premiers scientifiques (ils étaient très nombreux), les temps géologiques étaient bien plus longs que les temps historiques. En 1721, Henri Gautier, inspecteur des ponts et chaussées en Languedoc, publia le chiffre de 35 000 ans à partir d’études sur l’ablation des reliefs. En réalité, ses calculs le menèrent à quelques millions d’années, mais il publia volontairement un âge faux pour éviter des problèmes avec l’Église En 1859, Charles Darwin avança le chiffre de 300 millions d’années [1] ce qui laissait suffisamment de temps aux espèces vivantes pour évoluer. Face aux critiques, il se ravisa et proposa environ 40 millions d’années (suite lien web).
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L’Histoire Naturelle est chaotique, la biodiversité aussi …

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par Alain Préat
S‘il l’on procédait à ‘une remise à zéro totale’ des processus ayant affecté l’évolution de notre planète, il est fort à parier qu’aujourd’hui, c’est-à-dire 4,567 milliards d’années après la formation de la Terre, la Vie serait bien différente avec une chimie (ADN ou autre combinaison chimique) et biologie (autres plans d’anatomie, autres crises, autre biodiversité) que l’on a difficile à imaginer. La Vie aurait influencé différemment la composition de notre atmosphère (c’est par exemple elle qui est à l’origine de notre oxygène) en même temps que l’atmosphère régule la Vie. Pourrait-on le prévoir? 
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L’oxygène : un poison pendant plusieurs milliards d’années….

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par Alain Préat

Nous ne nous en rendons pas compte, mais chacune de nos inspirations nous apporte 21% d’oxygène, et cette concentration élevée n’est présente que sur notre planète (en l’état actuel des connaissances), et depuis peu de temps ! L’oxygène atmosphérique était en effet en quantité infinitésimale (entre un dix millième et un millième de pourcent de sa concentration actuelle) depuis la formation de la Terre il y a 4,56 Ga [1] jusqu’au Grand Evénement d’Oxygénation (GEO, encore appelé ‘la grande oxydation’ ou la ‘catastrophe de l’oxygène’) qui affecta la Terre entre 2,5 et 2,3 Ga. Durant cet événement, la concentration atmosphérique en oxygène n’était que de 1 à 10 % de sa valeur actuelle. C’était encore très peu, et il fallut attendre le début du Cambrien, il y a 541 Ma, pour atteindre la teneur actuelle. Cette dernière fluctua et devînt même plus élevée jusqu’à 27 % au cours de l’Eocène (il y a environ 50 Ma) et jusqu’à 35 % pendant quelques dizaines de millions d’années au cours du Carbonifère et du Permien (il y a environ 300 Ma) avec le développement d’insectes géants, telles des libellules [2] de 75 cm d’envergure …

La concentration atmosphérique de l’oxygène fut donc faible ou très faible pendant le Précambrien, soit pendant près de 90 % de l’histoire de la Terre. Quels sont les mécanismes qui régissent cet oxygène nécessaire aujourd’hui à presque tout ce qui vit ? Quelles sont les conséquences géologiques et biologiques de ces faibles concentrations et des variations de l’oxygène au cours des temps géologiques ?

L’eau, sans laquelle la vie est impossible, fut très rapidement présente sur notre planète, 160 Ma seulement après sa formation, l’atmosphère resta fort longtemps (2 à 3 milliards d’années) riche en gaz à effet de serre, avec 10 à 1000 fois plus de dioxyde de carbone, de méthane, d’éthane, d’hydrogène, d’oxyde nitreux, de dioxyde de soufre, de sulfure d’hydrogène qu’actuellement …. l’ensemble de ces molécules étant lié pour l’essentiel au dégazage du manteau terrestre (volcanisme et métamorphisme). Les océans précambriens, également riches en ces gaz ne contenaient pas ou très peu d’oxygène pendant cette longue période. Malgré ces conditions qui nous semblent sévères pour une activité biologique, cette dernière était florissante et liée aux bactéries méthanogènes, sulfato-réductrices, … constituant des écosystèmes notamment basés sur le cycle du soufre, tels ceux rencontrés aujourd’hui dans les ’fumeurs noirs’ [3] au niveau des sources hydrothermales profondes en l’absence ou quasi-absence de lumière et d’oxygène. Des bactéries pouvaient en effet se développer dans de telles conditions puisque deux des principales conditions étaient réunies très tôt sur la Terre, à savoir présence d’eau et de roches, l’altération de ces dernières enrichissant les océans en différents éléments chimiques. Ainsi les premières bactéries à se développer sont-elles chimiosynthétiques ou chimiotrophes [4] utilisant des matières minérales (dont le dioxyde de carbone) sans aide de la lumière dans des liquides et des gaz sans oxygène. Ensuite des bactéries (= phototrophes anoxygéniques [5] utilisèrent la lumière et oxydèrent les ions sulfures en ions sulfates, qui furent repris par les bactéries sulfato-réductrices ce qui permit l’oxydation ou la dégradation de la matière organique produite par les phototrophes anoxygéniques, avec l’aide éventuelle de la fermentation bactérienne et des bactéries méthanogènes. Sans oxygène dans l’atmosphère, ni dans les océans, le fer en provenance du manteau (volcanisme) était dissout dans l’eau marine et se présentait sous sa forme réduite c.à.d. sous forme de fer ferreux [6]. A environ 2,5 Ga (période du GEO) tout ce fer fut massivement oxydé formant les fameux ‘BIF’ (Banded Iron Formation [7]) actuellement exploités à l’échelle mondiale, notamment par Arcelor Mittal. Que s’est-il donc passé il y 2,5 Ga ? car cette oxydation nécessitait la présence d’oxygène…

Ce changement majeur, cette révolution même, fut liée à l’apparition des cyanobactéries, qui munies de chlorophylle produisirent l’oxygène enrichissant progressivement les océans, puis l’atmosphère en ce gaz. Une autre source d’oxygène, sporadiquement plus importante, était liée à l’activité des bactéries sulfato-réductrices anaérobiques qui abondent aujourd’hui dans la Mer Noire, dans de nombreux fjords norvégiens…. également dans nos intestins… Elles produisirent dans les sédiments précambriens des sulfures qui réagirent avec le fer ferreux (Fe2+) pour former la pyrite (FeS2), cette réaction libéra également de l’oxygène et de l’eau [8]. L’accumulation d’oxygène, surtout par les cyanobactéries, il y a 2,5 Ga ne fut cependant pas soudaine, les premières cyanobactéries apparaissant bien avant 2,5 Ga sans que l’on puisse aujourd’hui préciser quand. Elles produisirent de l’oxygène qui fut rapidement neutralisé par des gaz réducteurs (principalement l’hydrogène) issus d’une tectonique des plaques très intense recyclant la partie supérieure du manteau jusqu’à 2,5 Ga. Avec le ralentissement progressif (sur quelques centaines de millions d’années) de cette tectonique, les gaz réducteurs n’étaient plus en mesure de neutraliser l’oxygène qui s’accumula et la plupart des bactéries anaérobiques furent décimées ou se refugièrent dans des microenvironnements qui les protégeaient de ce nouveau produit toxique…

Une autre conséquence de cette apparition de l’oxygène est par exemple la disparition de l’uraninite (UO2), minéral qui ne peut se former en présence d’oxygène (car l’uranium forme alors un ion uranyle UO22+ soluble dans l’eau). L’or des gisements d’Afrique du Sud a été arraché à des filons de quartz, ensuite transporté et déposé dans des méandres de rivières fonctionnant de 3,1 à 2,8 Ga (Archéen), cet or est associé à de petits galets ou grains de sables roulés d’uraninite également transportés et nécessairement formés en milieu réduit (sans oxygène). Ces grains sont également connus jusqu’à environ 2,5 Ga en Australie, au Canada, en Inde, après cette date l’uraninite détritique ne s’est plus formée, l’ion uranyl captant l’uranium en conditions oxydantes.

Ainsi le couplage tectonique des plaques et activité microbienne est à même d’expliquer les variations d’oxygène de notre atmosphère depuis plusieurs milliards d’années. Que ce système fonctionne depuis si longtemps est un véritable ‘challenge’ au vu de la production de l’oxygène à court terme : si les 3,7 x 1019 moles d’oxygène de notre atmosphère actuelle étaient liquéfiées, elles formeraient un liquide de 6 cm d’épaisseur recouvrant l’entièreté de la planète. Les images satellitaires et mesures de la bioproductivité végétale (phytoplanctonique, algaire, bactérienne… et celle des végétaux supérieurs) montrent que la production primaire nette de carbone est de 8,8 x 1015 moles par année. Si l’on compare cette valeur à la la quantité actuelle d’oxygène dans l’atmosphère le calcul montre que l’oxygène est produit en 4200 années [9] et qu’en regard des temps géologiques, cette concentration est certainement instable. A chacune de ses inspirations l’Homo sapiens d’il y a plus de 100 000 ans ne respirait sans doute pas exactement 21% d’oxygène…

1 La formation de la Terre date de 4,568 Ga ± 0,003 Ga (Ga = milliard d’années), les premiers organismes « développés » (métazoaires) apparaissent au Cambrien il y a 0,541 Ga ± 1 Ma (Ma = million d’années), les premières bactéries à l’Archéen il y a 3,8 Ga. Le Précambrien est divisé en Hadéen, Archéen et Protérozoïque (divisé en Paléo-, Méso- et Néoproterozoïque).

2 Il s’agit de l’espèce Meganeura monyi, appartenant à une lignée éteinte (famille Meganeuridae), apparentée aux libellules et demoiselles actuelles (ordre Odonata). Cette espèce fut découverte à la fin du XIXe siècle à Commentry, dans l’Allier en France. Cette hypothèse de gigantisme lié à un taux d’oxygène exceptionellement élevé est sujette à controverse…

3 Les fumeurs noirs ou cheminées, et sources hydrothermales sont des évents hydrothermaux situés à proximité des dorsales océaniques. Ils sont liés à l’activité des plaques tectoniques et évacuent une partie de la chaleur interne de la Terre. Ils sont le siège d’une vie sous-marine luxuriante.

4 La chimiotrophie est un des types trophiques caractérisant le mode de nutrition des organismes basé sur une source d’énergie chimique (organique ou inorganique).

5 Il s’agit de bactéries utilisant la lumière comme source d’énergie dans un milieu sans oxygène.

6 En solution aqueuse, l’élément chimique fer est présent sous forme ionique avec deux valences principales,  Fe2+ ou ‘fer ferreux’ et Fe3+ ou ‘fer ferrique’ (ce dernier est par exemple à l’origine de la teinte de nombreux ‘marbres rouges’, http://www.pseudo-sciences.org/spip.php?article2481).

7 ou gisements de fer rubané formant des minerais très riches en fer constitués de l’alternance centimétrique de lits ou lamines quartzitiques et de lits ou lamines riches en oxydes ferriques (principalement la magnétite Fe3O4 et l’hématite Fe2O3). Ils représentent 90% du minerai de fer exploité dans le monde (ils sont très abondants entre 2,5 et 2,0 Ga, ils apparaissant vers 3,7 Ga et disparaissent vers 0,7 Ga).

8  Suivant la réaction 4SO42- + 2Fe2+ 4H+ = 2FeS2 (pyrite) + 2H2O + 7O2 (combinaison de deux réactions). Lorsque la pyrite est rapidement enfouie (cf. conditions géologiques), l’oxygène est libéré.

9 Canfield, 2014 Oxygen, A Four Billion Year History, Princeton University Press, Oxford.