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
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Submitted on 28 Sep 2021
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Les saumures géothermales : une nouvelle ressource en lithium ?
Dans le domaine de la géothermie, le lithium (Li) est reconnu comme un élément dont la
concentration croît avec la température, à l’instar de la plupart des éléments alcalins (potassium,
rubidium et césium). Si de nombreuses eaux géothermales indiquent des concentrations de Li
élevées allant jusqu’à 90 mg/l à travers le monde, peu possèdent des concentrations supérieures
à cette valeur, et encore moins à 150 mg/l. Cette valeur est le seuil minimal estimé à partir duquel
l’extraction de cet élément des eaux géothermales pourrait devenir industriellement intéressante
à l’aide des technologies extractives disponibles à ce jour.
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
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(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).
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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.
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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
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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).
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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
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