Les neutrons détectent les voies d'écoulement cachées liées à l'hydrogène géologique et aux minéraux critiques

Pour comprendre toute l'importance de cette expérience, un petit rappel des fondamentaux de géologie s'impose. Les roches ultramafiques sont des roches très particulières, riches en magnésium et en fer, qui se forment dans les profondeurs de la Terre. Au Canada, elles sont importantes pour deux raisons. On les trouve dans d'importants gisements situés dans certaines régions de la Colombie-Britannique et du Québec, qui recèlent également du nickel, du chrome, du cobalt et d'autres minéraux critiques. La réaction à l'eau de ces roches ultramafiques leur permet de générer naturellement de l'hydrogène gazeux. Ce phénomène, appelé serpentinisation, se produit lorsque l'eau transforme les minéraux ultramafiques en nouveaux minéraux, tels que la serpentine. Ces roches capables de produire de l'hydrogène géologique à faible empreinte carbone suscitent par conséquent un intérêt croissant.

Le mystère réside toutefois dans le processus de réaction à proprement parler. Les minéraux serpentiniques étant plus volumineux que la roche hôte, la serpentinisation a tendance à combler tout espace vide avec ces minéraux nouvellement formés. Toutefois, si la serpentinisation colmate progressivement les grandes fractures, quelles sont alors les voies cachées qui permettraient à l'eau de continuer à circuler assez longtemps dans la roche pour que des quantités significatives d'hydrogène se forment ?

Ce phénomène est important car il permet d'expliquer comment l'hydrogène se forme sous terre, mais aussi de déterminer si ces voies d'écoulement cachées pourraient un jour soutenir une production viable d'hydrogène ou une extraction plus durable de minéraux critiques. C'est à cette question que le Professeur Ben Tutolo et son équipe de recherche de l'Université de Calgary ont contribué à apporter une réponse.

À l'aide de faisceaux de neutrons, ils ont démontré que les roches ultramafiques serpentinisées peuvent présenter des pores et des canaux complexes, de l'ordre du nanomètre, au sein même des minéraux serpentiniques. Ces voies d'écoulement sont beaucoup trop étroites pour que l'imagerie conventionnelle puisse permettre de les comprendre totalement. En revanche, les neutrons sont particulièrement bien adaptés à cette tâche pour deux raisons : ils peuvent sonder les interfaces roche-fluide avec une précision à l'échelle nanométrique, ce qui permet aux scientifiques d'explorer des voies d'écoulement jusqu'alors invisibles. De plus, les neutrons, étant extrêmement sensibles à l'hydrogène, peuvent révéler la manière dont les fluides contenant de l'hydrogène occupent les matériaux denses et s'y écoulent.

Les travaux de recherche ont fait ressortir une nouvelle vision de la serpentinisation : ils montrent que l'eau peut continuer à migrer par le biais d'un réseau caché de canaux microscopiques même après que les plus grosses fractures ont commencé à se colmater, ce qui permet aux réactions de production d'hydrogène de se poursuivre.

Cette analyse est importante car elle met en lumière à la fois le potentiel et les limites de l'hydrogène géologique. Les travaux globaux du Professeur Tutolo suggèrent que ces voies d'écoulement à l'échelle nanométrique rendent physiquement plausible la production durable d'hydrogène. Toutefois, ils indiquent aussi que la perméabilité naturelle des roches serpentinisées est si faible que la formation d'accumulations d'hydrogène exploitables risque de s'avérer beaucoup trop lente pour permettre une production commerciale sans une intervention technique donnée. En d'autres termes, les résultats obtenus grâce à l'analyse des neutrons ne se contentent pas de résoudre une énigme géologique. Ils définissent un défi pratique pour quiconque souhaite exploiter l'hydrogène géologique, ou hydrogène « orange » au Canada : si l'on veut que cette ressource contribue de façon significative à un système énergétique sobre en carbone, il sera nécessaire de stimuler le sous-sol afin d'améliorer l'écoulement des fluides.

Ces mêmes conclusions pourraient également avoir des implications pour les minéraux critiques tels que le nickel, le cobalt, le chrome et le manganèse, éléments essentiels à la fabrication des batteries, des alliages de pointe et d’autres technologies liées aux énergies propres. En révélant l'existence de ces voies d'écoulement de fluides jusque-là inconnues au sein des roches serpentinisées, ces travaux viennent renforcer l'hypothèse selon laquelle certaines formations ultramafiques pourraient un jour être traitées in situ à l'aide de fluides soigneusement conçus. Cette technique permettrait de récupérer des minéraux critiques dissous, tout en réduisant les opérations de dynamitage, de transport et les perturbations de surface de l'exploitation minière conventionnelle. Pour le Canada, qui s'est fixé des objectifs ambitieux en matière de minéraux critiques et qui recherche des solutions à faibles émissions pour son développement industriel, ces possibilités confèrent une importance particulière aux informations sur la porosité et l'écoulement des fluides fournies par les techniques neutroniques.

« Les faisceaux de neutrons nous permettent de repérer les voies d'écoulement cachées par lesquelles l’eau continue de circuler à l’intérieur de ces roches, même après que les fractures les plus importantes ont commencé à se refermer », explique le Professeur Tutolo. « Cette découverte nous aide à comprendre comment les roches ultramafiques canadiennes pourraient être utiles pour l'exploitation de l’hydrogène géologique et des minéraux critiques. Elle montre aussi pourquoi l’accès aux faisceaux de neutrons est si important pour que des découvertes comme celle-ci puissent aboutir concrètement dans le monde réel. »

Prises dans leur ensemble, ces découvertes montrent à quel point les études fondamentales sur les neutrons peuvent apporter un éclairage sur un enjeu aux conséquences pratiques considérables. En dévoilant l'architecture cachée des roches ultramafiques serpentinisées, les travaux du Professeur Tutolo aident les scientifiques à évaluer comment les formations rocheuses canadiennes pourraient servir à la fois de systèmes de production d'hydrogène et de sources non conventionnelles de minéraux critiques. Les travaux menés actuellement par le Professeur Tutolo et la doctorante Madeline Bartels viennent également élargir les informations issues de l'analyse neutronique aux systèmes géologiques de stockage du carbone. Ceci permet aux scientifiques d'estimer la quantité de dioxyde de carbone susceptible d'être stockée dans les roches ultramafiques.

Autre aspect tout aussi important, ces découvertes montrent que le Canada doit absolument disposer d'un accès fiable aux faisceaux de neutrons si l'on veut que ce type de travaux progresse assez rapidement pour accompagner les opportunités émergentes dans les domaines de l'hydrogène, des minéraux critiques et de la décarbonation industrielle. Sans un accès opportun à ces outils irremplaçables, des projets canadiens prometteurs risquent de tarder à passer du stade de la découverte scientifique à celui des retombées économiques et sociétales.