Les saumures géothermales : une nouvelle ressource en lithium ? Bernard Sanjuan Sanjuan, Blandine Gourcerol, Romain Millot To cite this version: Bernard Sanjuan Sanjuan, Blandine Gourcerol, Romain Millot. Les saumures géothermales : une nouvelle ressource en lithium ?. Géochronique, 2020, Sur la route du Lithium, n°156, 7 p. ฀hal03357068฀ HAL Id: hal-03357068 https://brgm.hal.science/hal-03357068 Submitted on 28 Sep 2021 HAL is a multi-disciplinary open access archive for the deposit and dissemination of scientific research documents, whether they are published or not. The documents may come from teaching and research institutions in France or abroad, or from public or private research centers. 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Dans l’état actuel des connaissances, les seules eaux géothermales, qui dépassent une concentration de Li de 150 mg/l, sont relativement rares ; ce sont des saumures (eaux dont la salinité est supérieure à 35 g/l, salinité moyenne de l’eau de mer), avec des salinités comprises entre 60 et 590 g/l. Celles du site géothermique de Salton Sea, en Californie (USA) possèdent des salinités jusqu’à 320 g/l et atteignent des températures de réservoir comprises entre 300 et 360°C. Elles figurent parmi les plus connues dans le monde, et peuvent contenir jusqu’à 300 mg/l de Li. On peut aussi citer des saumures de salinité très élevée, mais de basse et moyenne température, comme la saumure du bassin du Qaidam, en Chine, où une concentration record de Li (983 mg/l) a été rapportée pour une salinité de 402 g/l, ou des saumures profondes de la plateforme sibérienne, en Russie, dont les concentrations de Li sont comprises entre 162 et 415 mg/l pour des salinités respectives de 396 à 590 g/l, ou encore des saumures de champs pétroliers aux USA (concentration de Li de 370 mg/l pour une salinité de 336 g/l). Une étude bibliographique aussi exhaustive que possible des fluides riches en lithium des champs géothermiques et pétroliers à travers l’Europe, vient d’être menée, dans le cadre du projet européen EuGeLi (European Geothermal Lithium, cofinancé par l’European Institute of Technologies-Raw Materials). Ce projet a permis de compiler, pour la première fois, les principales données géologiques, géochimiques et hydrogéologiques pour les eaux géothermales dont la concentration de Li était supérieure à 15 mg/l et de constituer une base de données consolidée à l’échelle européenne. De cette étude bibliographique, il ressort que cinq régions européennes localisées en Italie, en Allemagne et en France, hébergent des saumures géothermales profondes, dont les concentrations de Li varient de 150 à 480 mg/l (fig. 1) pour des températures en profondeur de 120 à 380°C et des salinités des saumures de 56 à 520 g/l (tabl. 1). À noter l’existence de saumures de type NaCl et MgCl2 dans des dépôts de sel (halite, potasse, carnallite) du bassin du Permien supérieur (Zechstein), situé au nord de l’Allemagne Page 1 sur 7 (mines de sel d’Asse, Gorleben, Morsleben…). Ces saumures contiennent des concentrations de Li jusqu’à 490 mg/l, mais dont les salinités très élevées (≥ 290 g/l), les températures basses (< 50°C) et le milieu salifère, les rendent peu favorables à une exploitation géothermique. Fig. 1. – Carte de l’Europe indiquant les sites où les concentrations de Li ≥ 15 mg/l, analysées dans les fluides des forages géothermiques, pétroliers et miniers. Cette carte a été réalisée dans le cadre du projet européen EuGeLi. Localisation du site Campi Flegrei (Italie) Cesano (Italie) Groß Schönebeck (Bassin du Nord de l'Allemagne) Cronenbourg (Fossé rhénan, France) Bruchsal (Fossé rhénan, Allemagne) Rittershoffen, Soultz (Fossé rhénan, France) Landau, Insheim (Fossé rhénan, Allemagne) Bassin molassique (SO de l'Allemagne) Mine de South Crofty (Cornouailles, Royaume-Uni) Mine de sel d'Asse (Nord de l'Allemagne) Mine de sel de Gorleben (Nord de l'Allemagne) Profondeur du réservoir (m) Roches réservoir Tmesurée (°C) Testimée réservoir (°C) Salinité du fluide (g/l) pH Na (g/l) 2699 Séries volcano-sédimentaires 350 - 380 380 516 3219 Séries volcano-sédimentaires (Trias) 350 350 350 - 390 4309 - 4400 Grès et volcanites (Rotliegend, Permien Inférieur) 150 220 212 - 269 5,5 2870 Formation sédimentaire du Buntsandstein (Trias) 140 200 - 250 104 6,7 32 62 210 2542 Formation sédimentaire (Trias - Permien) 120 200 121 5,1 35 74 159 2580 - 5000 Granite (Carbonifère) Buntsandstein (Trias) 160 - 200 200 - 250 99 - 101 5,0 - 6,3 28 59 173 - 190 3044 - 3600 Granite (Carbonifère) Buntsandstein (Trias) 160 - 165 200 - 250 106 - 107 5,0 - 5,2 28 - 30 64 - 65 168 - 182 1914 - 1976 Calcaire (Muschelkalk Supérieur) 67 - 94 210 55 - 62 6,4 - 6,8 19 - 22 30 - 33 143 - 162 690 Granite Carnmenellis, batholite Carnubien - Permien (290 Ma) 52 50 - 70 19 11,5 125 500 - 1000 Sel (halite, potasse, carnallite,…) Zechstein (Permien supérieur) 28 - 35 30 - 50 290 - 375 1,1 - 50 500 -1000 Sel (halite, potasse, carnallite,…) Zechstein (Permien supérieur) 30 - 50 30 - 50 ≈ 390 ≈ 125 7,9 - 8,5 60 - 80 6,5 Cl (g/l) Li (mg/l) 314 480 28 - 43 220 - 380 128 - 167 180 - 201 4,3 170 - 270 100 - 190 ≈ 200 100 - 490 Tabl. 1. – Principales caractéristiques des saumures géothermales européennes les plus riches en Li, ainsi que celles des eaux de mines (d’après le projet EuGeLi). Page 2 sur 7 En Italie, les saumures se trouvent sur les sites géothermiques volcano-sédimentaires de Campi Flegrei, en Campanie, et de Cesano, dans le Latium, non loin du fameux site de Larderello, en Toscane, alors que pour l’Allemagne et la France, les sites géothermiques du Fossé rhénan, du Bassin du nord de l’Allemagne et du Bassin molassique du sud-ouest de l’Allemagne, sont localisés dans des bassins sédimentaires profonds reposant sur un socle cristallin, constitué principalement de granite. Malheureusement, les forages géothermiques des deux régions italiennes, réalisés dans les années 70-80 n’étant pas assez producteurs, ont été bouchés et ne sont plus disponibles, tandis que la plupart des forages profonds des autres régions sont accessibles, avec des débits de production qui varient généralement de 100 à 300 m3/h. En ce qui concerne les concentrations de lithium comprises entre 90 et 150 mg/l, on trouve, bien évidemment, plus de sites dans le monde, comme par exemple, les bassins chinois du Qaidam, du Sichuan, du Qiajiang et du Jitai, où les concentrations de Li dans des saumures de salinité très élevée (320-380 g/l) sont comprises entre 90 et 110 mg/l, ou bien la plateforme sibérienne, en Russie, avec des concentrations de Li de 90 à 150 mg/l, dans des saumures de forte salinité (272-516 g/l). Par contre, dans l’étude européenne (projet EuGeLi), on ne citera que le site minier de South Crofty, en Cornouailles, au Royaume-Uni, où l’eau profonde, d’origine météorique, qui n’est pas une saumure (salinité d’environ 19 g/l), circule dans le granite, et acquiert, par interaction avec ce dernier, à des températures de 50-70°C, une concentration de Li de 125 mg/l, étonnamment élevée par rapport aux autres eaux plus salées et plus chaudes. La source principale du Li est attribuée à la dissolution de biotite par les auteurs. Certaines saumures des mines de sel d’Allemagne du Nord évoquées précédemment, à très forte salinité et faible température, présentent aussi des concentrations de Li dans cette gamme de concentrations. Cette étude européenne a également montré qu’à l’exception des sites miniers, toutes les eaux avec des concentrations de Li ≥ 90 mg/l sont portées à des températures de réservoir supérieures à 120°C, indiquent des salinités ≥ 56 g/l et possèdent des concentrations de sodium et de chlorure supérieures à 18 et 25 g/l, respectivement (fig. 2). En dessous de 120°C, même si les eaux ont des salinités élevées, comme dans le Bassin parisien ou les champs pétroliers de mer du Nord, les concentrations de Li sont en dessous du seuil de 90 mg/l (fig. 2), contrairement à celles de certaines saumures chinoises, russes et américaines citées auparavant, dont les températures sont pourtant aussi inférieures à 120°C. Des eaux géothermales portées à haute température (≥ 250°C), mais avec des salinités de l’ordre de 10 à 20 g/l, comme celles du Tatio, au Chili, ou de Wairakei, en Nouvelle-Zélande, peuvent contenir des concentrations de Li de 10 à 35 mg/l. Page 3 sur 7 Parfois même, des fluides à salinité élevée (≥ 60 g/l) et haute température (≥ 225°C), comme ceux du rift d’Asal, à Djibouti, et de Baja California Peninsula, au Mexique, affichent également des concentrations de Li plutôt basses (13-16 mg/l). 350 Li ≥ 90 mg/l 48 mg/l ≤ Li < 90 mg/l 15 mg/l ≤ Li < 48 mg/l 300 Campi Flegrei (Italie) Cl (g/l) Mine d'Asse 250 (carnallite, Allemagne) 200 150 Mine de Gorleben (halite, Allemagne) Mine d'Asse (halite, Allemagne) Salton Sea (USA) Groβ Schönebeck (Bassin Nord Allemagne) 100 Bruchsal Milos Bassin parisien (France) Cesano (Italie) Fossé rhénan 50 Mine South Crofty (RU) 0 0 Puits pétrolier Eschau (Fossé rhénan) Bassin molassique (Allemagne) 25 50 75 100 125 Na (g/l) Fig. 2. – Diagramme chlore/sodium, sur lequel sont reportées les teneurs de Li pour toutes les eaux géothermales de la base de données européenne (réalisation dans le cadre du projet EuGeLi). Les eaux de mines riches en Li sont également représentées. Toutes ces observations viennent confirmer le fait que les concentrations de Li dans les eaux géothermales ne dépendent pas seulement de la température et de la salinité des fluides, mais aussi de la nature de la roche réservoir. Pour les saumures géothermales dont la température est supérieure à 120°C, ces observations concordent avec l’existence de plusieurs relations thermométriques Na-Li (fig. 3) définies de manière empirique pour estimer la température des réservoirs en fonction non seulement du rapport Na/Li, mais aussi des deux autres paramètres (salinité des fluides et nature de la roche réservoir). Les éléments chimiques non réactifs des saumures, tels que le chlore et le brome, et une importante part du sodium, peuvent avoir plusieurs origines, dont les deux principales semblent être le résultat de : - processus d’évaporation d’eau de mer, allant au moins jusqu’à la précipitation d’halite (NaCl), avec très probablement des cycles de dissolution et de précipitation de ce Page 4 sur 7 minéral, suivant les périodes sèches et humides (mélange avec des eaux d’origine météorique) et les cycles de transgression-régression marine, comme pour les saumures géothermales du Fossé rhénan, en France et en Allemagne, ou celles des bassins molassiques et du Nord de l’Allemagne, par exemple ; - processus d’évaporation d’eau douce continentale et de dissolution d’halite, suivant des cycles de périodes sèches et humides, comme pour les saumures géothermales de Salton Sea, aux USA. Pour toutes les saumures portées à des températures ≥ 120°C, la plupart des espèces réactives majeures, telles que Na, K, Ca, Mg, HCO3 et SO4, sont contrôlées par des processus hydrothermaux d’interaction eau-roche-gaz et résultent de réactions chimiques à l’équilibre, à la température du réservoir. Ces réactions sont généralement régies par la dissolution des plagioclases et du feldspath potassique, suivie par l’albitisation de ces minéraux, la dissolution des micas et des biotites et la précipitation de minéraux argileux tels que les smectites (jusqu’à 150-200°C), l’illite (150-250°C), puis la chlorite (≥ 200°C) ou de sels comme l’anhydrite (CaSO4). Pour toutes ces eaux, le rapport Na/K est systématiquement contrôlé par l’équilibre chimique existant entre le feldspath potassique et l’albite à la température du réservoir, ce qui permet d’estimer ou de confirmer, à l’aide du géothermomètre intégrant ce rapport, la température du réservoir. Les systèmes géothermiques de haute-température (≥ 200°C) sont généralement associés à des milieux volcaniques relativement jeunes (< 1 Ma), dont la source de chaleur est fournie par des intrusions de composition communément rhyolitique à andésitique ou basaltique. Dans ces systèmes, le fluide géothermal profond est de type Na-Cl et l’influence magmatique (présence de roches volcaniques et dégazage du magma), ainsi que les processus d’interaction eau-rochegaz à haute-température, sont probablement les principales origines primaires du lithium. Les saumures portées à de très hautes températures (300-380°C), en milieu volcano-sédimentaire, comme celles des sites géothermiques de Cesano et des Campi Flegrei, en Italie, Salton Sea, aux USA, ou Milos, en Grèce, suivent bien les relations thermométriques Na-Li, qui avaient été définies pour les milieux volcaniques (fig. 3). Page 5 sur 7 Log (Na/Li) (rapport molaire) 5,00 Campi Flegrei (Italie) Cesano (Italie) Salton Sea (USA) Milos (Grèce) Fossé rhénan (Allemagne, France) Bassin du Nord de l'Allemagne Bassin molassique du SO de l'Allemagne Forage KTB (Bavière, Allemagne) Eau de mer Interactions basalte - eau de mer (Islande, Djibouti, eau de mer, dorsales médio-Atlantique, Est-Pacifique,...) Sanjuan et al. (2014) 4,00 y = 0,855 x + 1,275 3,00 Puits minier South Crofty (Royaume-Uni) Mines de sel (Asse, Gorleben, Allemagne) Fluides Cl ≥ 0,3 M en milieu volcanique Fouillac and Michard (1981) r2 = 0,967 y = 1,195 x + 0,13 Fluides géothermaux islandais en milieu volcanique Sanjuan et al. (2014) y = 2,002 x - 1,322 Saumures de bassins sédimentaires Kharaka et al. (1982) r2 = 0,967 y = 1,59 x - 1,299 Li (63 mg/l) 1,00 1,0 400 1,5 350 300 2502,0 200 r2 = 0,91 Li (10-50 mg/l) 2,00 Saumures riches en Li (210-480 mg/l) r2 = 0,982 Saumures riches en Li (140-210 mg/l) 150 2,5 100 103/Tréservoir 3,0 50 25 3,5 0°C 4,0 (K) Fig. 3. – Positionnement des saumures géothermales (T ≥ 120°C) les plus riches en lithium dans un diagramme Log (Na/Li) en fonction de 1000/Tréservoir (K) par rapport aux principales relations thermométriques Na-Li existant dans la littérature pour ce type d’eau (le rapport Na/Li est un rapport molaire, Tréservoir est la température estimée des réservoirs géothermiques des saumures en utilisant le géothermomètre Na-K). Les eaux de mine (T ≤ 70°C) ne suivent pas ces relations thermométriques. Les systèmes géothermiques de haute-température sans source de chaleur magmatique associée sont moins communs et plus profonds (bassins tectono-sédimentaires tels que les fossés d’effondrement, par exemple). Néanmoins, les saumures de ces bassins, dont les sédiments reposent généralement sur un socle cristallin (granite, par exemple), peuvent indiquer des concentrations de Li similaires à celles observées en milieu volcanique, et à des températures plus basses (tabl. 1). C’est le cas des saumures géothermales du Fossé rhénan ou du bassin du Nord de l’Allemagne, qui se trouvent, respectivement, dans les formations de grès du Trias (Buntsandstein) et du Permien (Rotliegend), formées à partir du démantèlement du socle, en grande partie granitique. C’est aussi le cas des saumures profondes du Fossé rhénan qui proviennent du socle granitique, mais dont la composition chimique et les valeurs isotopiques de lithium et de strontium suggèrent que ces saumures auraient plutôt été produites dans les formations de grès du Trias, à des températures de l’ordre de 200-250°C. Étant donné le gradient géothermique estimé dans cette région à 50-60°C/km, ces saumures se seraient formées au centre du fossé, là où les formations sédimentaires sont les plus profondes (≥ 4 km), et auraient ensuite migré vers les bordures ouest du fossé, à la fois dans les formations sédimentaires et dans le socle granitique, à travers un système complexe de failles NW-SE et NE-SW. On sait que ce type de roches (granites, pegmatites, grès…) peuvent contenir d’importantes concentrations de Li. Page 6 sur 7 Toutes ces saumures suivent à peu près la relation thermométrique Na/Li définie pour les saumures profondes de bassins sédimentaires (fig. 3). Les concentrations de Li, dans les saumures géothermales à T ≥ 120°C, semblent être principalement contrôlées par la présence de minéraux argileux car cet élément s’incorpore facilement dans leurs couches octaédriques. D’après des données de la littérature, ainsi que de considérations thermodynamiques tirées des relations thermométriques Na-Li et de données de fractionnement isotopique de Li, les principales sources de cet élément semblent être la dissolution des micas et des biotites. Dans certains cas, une partie de ce lithium pourrait être aussi remobilisé par la précipitation d’illite, car le lithium peut facilement se substituer au magnésium (rayon de taille équivalente) dans les sites octaédriques de ce type de minéraux. Pour les saumures issues du Fossé rhénan, la source principale de Li serait la dissolution des micas des grès du Buntsandstein. Le socle granitique qui contient aussi de tels minéraux pourrait aussi y contribuer, mais à un moindre degré, comme le suggèrent des travaux expérimentaux d’interaction saumure-granite, qui ont été menés en laboratoire jusqu’à des températures de 200°C. Les concentrations de Li des saumures géothermales (15-500 mg/l) sont, en général, moins élevées que celles des salars (200-5 000 mg/l), provenant de l’évaporation de grands lacs salés, exploités en surface, dans la cordillère des Andes, au Chili, en Bolivie et en Argentine, et sur le plateau tibétain, en Chine. Si les coûts associés à ce dernier type d’exploitation sont relativement bas, il existe, néanmoins, plusieurs inconvénients : la lenteur du processus basé sur l’évaporation naturelle (jusqu’à 2 ans), la dépendance aux conditions climatiques, un taux de rendement de seulement 50 % et l’éloignement de ces ressources pour les marchés européens. De plus, en ce qui concerne les saumures géothermales, elles constituent une source de chaleur qui est également exploitable et peut les rendre compétitives, sans compter les avantages de la proximité de ces ressources. Si les valeurs des concentrations de Li de ces saumures ne semblent pas être le facteur qui peut bloquer une exploitation pour extraire cet élément, il faut maintenant s’intéresser à évaluer le volume de ces masses d’eau, à mieux comprendre leur origine et leur circulation profonde en milieu fracturé, ainsi que la source de leur alimentation en Li, pour donner une estimation aussi précise que possible des ressources en lithium de ces saumures. C’est une information clé si l’on veut progresser dans le développement de ce type d’exploitation. B. Sanjuan, B. Gourcerol, R. Millot BRGM Page 7 sur 7