Ressources minérales et organiques dans les océans - Cours de Physique Chimie Terminale S avec Maxicours - Lycée

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Ressources minérales et organiques dans les océans

Objectifs
Présenter les ressources minérales et organiques présentes dans les océans, qui sont actuellement peu ou pas exploitées. Préciser les contraintes d’exploitation des ces ressources : aspects technologiques, économiques, et l’incidence possible sur l’environnement.
Les océans sont une source de richesse immense pour l’Homme. En effet, ils sont sources de nourriture (pêche), recèlent des ressources énergétiques exploitées (installations pétrolières ou gazières off-shore) ou non exploitées (énergie marémotrice, des courants marins, …), etc. Depuis quelque temps, de nouvelles ressources minérales et organiques ont été découvertes dans les océans. Dans un contexte de raréfaction des gisements miniers et pétrolifères terrestres, et d’un phénomène de réchauffement climatique, comment ces nouvelles ressources pourraient intervenir ? Quels en seraient les avantages, les inconvénients ?

1. Ressources minérales
Sédiments proches des côtes
Les fleuves charrient des quantités de matériaux résultant de l’érosion (voir fiche dédiée) qui sont rejetés dans les océans. Ils sont de diverses natures : métaux, sables, graviers, … Etant souvent non solubles, ils se déposent au large des côtes, en des eaux peu profondes. Ils forment une couche de sédiments. Un exemple d’exploitation de ces sédiments concerne les diamants extraits au large de la Namibie, à des profondeurs d’environ 200 mètres.

Nodules polymétalliques
Les nodules polymétalliques sont des structures de concrétion de forme ronde, résultant de la précipitation de métaux dissous dans le milieu marin. Leur formation est lente, plusieurs millions d’années. Les nodules les plus gros soient observés à la surface de plaines abyssales, à des profondeurs de 4000 à 6000 mètres. Le diamètre d’un nodule est alors de l’ordre de 10 centimètres. D’importants sites de nodules ont été découverts dans le Pacifique Nord, au large du Mexique (proche de l’Ile Française de Clipperton), au large du Pérou, dans l’Océan Indien.

Les nodules sont riches en métaux comme le manganèse (18,5 % en masse), le fer (12,7 %), contiennent aussi du nickel (0,63 %), cuivre (0,4 %), cobalt (0,24 %), baryum (0,2 %), zinc (0,09 %), titane, aluminium, silicium (silice), magnésium, … Les chiffres varient énormément d’un site à l’autre.

Les nodules polymétalliques ne sont actuellement pas exploités, ou très marginalement, en raison de leur non compétitivité par rapport à l’extraction de minerai classique. La raréfaction des gisements conventionnels (terrestres) pourrait conduire à un regain d’intérêts pour cette ressource minérale marine. D’autre part, leur exploitation est actuellement possible technologiquement.

Toutefois, les pleines abyssales ne sont pas des milieux stériles, mais abritent des formes de vie. L’exploitation des nodules polymétalliques entrainerait un soulèvement de la couche de sédiments, qui viendrait recouvrir et alors détruire les populations de micro-organismes vivants sur le fond marin. Cet habitat est fragile. On ignore l’importance des organismes vivants de cet écosystème sur la chaine alimentaire marine, et les répercutions qu’auraient une diminution de leur population.

Encroûtements cobaltifères
Les encroûtements corallifères sont des concrétions rocheuses de quelques centimètres d’épaisseur. La croissance de telles structures est lente, de quelques millimètres par million d’année. Les sites d’encroûtements cobaltifères sont situés au niveau des chaines volcaniques sous-marines, à des profondeurs de 400 à 4000 mètres. Des sites ont été référencés dans le Pacifique, et notamment en Polynésie Française.

Leur composition est voisine de celle des nodules polymétalliques, mais sont particulièrement riches en cobalt et en platine. Le cobalt commence à être un métal recherché en métallurgie : fabrication d’aciers, d’alliages. Il est très employé dans l’aérospatiale. Le platine est un métal noble, intervenant dans les catalyseurs et les piles à combustible (voir fiche « piles à combustible »).

Les encroutements cobaltifères présentent un fort potentiel, quelques études sont en cours, mais il n’est pas prévu de les exploiter dans les années à venir. Ils ne sont pas encore rentables. D’autre part, les sites où se trouvent les encroutements (massifs sous-marins) correspondent à des habitats importants pour une grande variété d’organismes vivants. Cela inclut les poissons, déjà menacés par la pêche. Une exploitation des encroutements cobaltifères présentera une potentielle incidence sur l’écosystème sous-marin concerné.

Sulfures polymétalliques massifs
Au niveau de zones volcaniques sous-marines, l’eau s’engouffre dans les failles. Elle est ensuite chauffée par le magma. Elle remonte alors, en emportant au passage des espèces chimiques métalliques et soufrées. Une fois qu’elle a rejoint le fond de l’océan, elle forme une source hydrothermale sous-marine, un « fumeur noir ».

Celui-ci est un dégagement d’eau chaude (400 °C), acide, chargé d’hydrogène sulfuré et des matériaux dissous. Au contact de l’eau environnante (à 3°C), une part de ces matériaux forme des concrétions de sulfure polymétallique, sous la forme d’une cheminée qui va progressivement se développer. Ces dépôts sulfurés sont riches en cuivre, zinc et plomb. Ils contiennent aussi des traces de métaux précieux, comme l’or et l’argent.

Les fumeurs noirs se trouvent au voisinage des dorsales océaniques, à des profondeurs de 1000 à 4000 mètres. Au-delà de 1000 mètres, l’obscurité est totale et la pression est énorme. Pourtant, dans ces conditions extrêmes, le sulfure d’hydrogène est exploité par des micro-organismes chimiosynthétiques, servant de point de départ à une chaîne alimentaire. Les fumeurs noirs permettent l'existence d’une vie luxuriante des grands fonds (vers tubicole géants, crabes, poissons, poulpes, …). Ces organismes vivants sont d’un intérêt scientifique majeur, car ils sont les témoins d’une vie sans photosynthèse, totalement isolée de la vie de surface !

En conséquence, les fumeurs noirs sont le siège de richesses de natures très différentes : minière, biologique, et même énergétiques (certains projets envisagent d’utiliser l’énergie géothermale ou l’hydrogène). L’exploitation minière se ferait au détriment de la vie présente. Une alternative moins nocive consisterait à exploiter d’anciennes cheminées de fumeurs noirs éteints, non peuplées par les formes de vie décrites plus haut.
2. Ressources organiques : les hydrates de gaz
Un hydrate de gaz est un assemblage formé par une ou quelques molécules de gaz piégées dans une structure de molécules d’eau glacée. Cette « cage » porte le nom de clathrate. Le gaz le plus abondant (90 %) ainsi piégé est le méthane . Les autres gaz sont l’éthane, le propane, le butane, le diazote, le sulfure d’hydrogène et le dioxyde de carbone.

Structure d’un clathrate de méthane. Les pointillés jaunes sont des liaisons hydrogène.

Pour être stables, ils requièrent des basses températures et/ou de hautes pressions. Les hydrates de méthane sont ainsi présents dans les fonds marins, sous le plancher océanique ou dans les talus continentaux. La température y est de 2 ou 3 °C, mais la pression empêche la décomposition des hydrates de gaz. On en trouve également dans les sols gelés en permanence, le pergélisol, à des profondeurs comprises entre 200 et 1000 mètres.

A l’échelle macroscopique, un hydrate de méthane se présente sous la forme de glace d’eau ordinaire. A température et pression ambiante, la glace fond, les liaisons de Van Der Waals entre molécules d’eau et de méthane se brisent, et ce dernier est libéré. Comme est un combustible, les hydrate de méthane peuvent subir une combustion et sont d’ailleurs nommés à juste titre « glace qui brûle ».

Avantages :
Avec l’épuisement des réserves fossiles conventionnelles de pétrole et gaz naturel, les hydrates de méthane constituent une potentielle réserve d’énergie fossile. Les réserves mondiales estimées en hydrate de méthane pourraient être comparables, ou même supérieures, aux réserves de pétrole et gaz naturel.

Pour les exploiter, il a été imaginé d’injecter de l’eau chaude dans les gisements, afin de récupérer le méthane. Il serait transportable comme le gaz naturel classique, en le liquéfiant à -162°C dans des méthaniers, afin que son volume soit divisé par 600.

 d’hydrate de méthane libère environ de méthane gazeux, dans les conditions standards de température et pression. Il est ainsi étudié de transporter les hydrates de méthane en l’état après leur extraction. Ils restent en effet stables pour des températures moins contraintes que pour les méthaniers, de l’ordre de -80 °C.

D’un point de vue chimique, cette structure de cage a également donné l’idée de synthétiser des hydrates de gaz, en tant que « conteneur de gaz ». Un projet consisterait à capter le dégagé par les activités industrielles, pour le piéger dans un clathrate, pour ensuite le stocker dans un gisement sous-marin, à la place des hydrates de méthane extraits.

Le Canada possède d’énormes réserves en hydrates de méthane, notamment dans le pergélisol. Le pays a débuté des études visant à les exploiter : site de Mallik, situé à l’embouchure du fleuve Mackenzie.

Inconvénients :
Actuellement, on ne sait toujours pas exploiter les hydrates de méthane sous-marins de manière rentable, par rapport au gaz naturel classique. Mais, des progrès techniques et/ou une hausse des prix des ressources fossiles classiques pourraient changer la donne.

Le méthane est un puissant gaz à effet de serre, plus nocif que le . Il est craint que l’exploitation des hydrates de méthane en rejette une part (involontairement) directement dans l’atmosphère. Aussi, saura-t-on gérer les autres gaz également présents dans les clathrates, comme le ou le sulfure d’hydrogène ?

La combustion du méthane  est productrice de . Ce n’est pas un carburant propre, même s’il est moins polluant que le pétrole ou le charbon. D’autre part, comme ces derniers, les hydrates de méthane sont des ressources fossiles. Ils résultent de la fermentation de débris organiques, sur des échelles de temps de plusieurs millions d’années. Ils ne constituent pas une source d’énergie renouvelable.

Il a été imaginé un scénario prévoyant que le phénomène de réchauffement climatique pourrait faire fondre des gisements d’hydrate de gaz, comme ceux du pergélisol. Les hydrates de gaz étant composés de méthane et de , la libération de ces gaz pourrait aggraver l’effet de serre, faisant fondre davantage d’hydrate de gaz, etc. Cela pourrait constituer un emballement de l’effet de serre, et un bouleversement drastique du climat !

Dans l’étude des climats anciens (paléoclimats), il a été constaté que des réchauffements climatiques ont déjà eu lieu. Or, une corrélation a été établie entre ces périodes chaudes et le taux de méthane atmosphérique, imputable à d’anciens dégazages d’hydrate de méthane…
L’essentiel
Les océans renferment de nombreuses ressources encore inexploitées :
→ Des métaux, dont certains sont recherchés ou précieux, dans des structures comme :
• Les nodules polymétalliques
• Les encroûtements cobaltifères
• Les sulfures polymétalliques massifs
→ Du méthane, en tant que source d’énergie (combustible), dans les hydrates de méthane

Ces ressources représentent un énorme potentiel. Mais, elles sont peu accessibles, car situées à de grandes profondeurs. Cela explique qu’elles soient actuellement non rentables, et/ou que l’on ne dispose pas encore de la technologie pour les exploiter correctement. Un effet négatif sur l’environnement est aussi à prendre en compte : perturbation d’habitats sous-marins fragiles, libération dans l’atmosphère de gaz à effet de serre.

Ainsi, leur exploitation dans le futur devra concilier plusieurs facteurs, dont la rentabilité économique et le respect de l’environnement.

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