Au cœur des champs d’or d’Afrique du Sud, un gaz inattendu s’est accumulé pendant des milliards d’années. L’hélium, essentiel pour les scanners IRM et les recherches avancées, est piégé dans les anciennes roches du Bassin de Witwatersrand à des concentrations rarement observées ailleurs.
Sur le site du projet gaziers de Virginia, du gaz naturel riche en hélium parvient déjà aux consommateurs, et les estimations suggèrent que le réservoir pourrait contenir plus de 400 milliards de pieds cubes de cet élément précieux.
Ce site se transforme en un véritable laboratoire pour les scientifiques cherchant à comprendre comment l’hélium se forme, migre à travers les roches et subsiste sous terre pendant des ères géologiques.
La recherche est dirigée par Fin Stuart du Centre pour les Sciences Isotopiques de l’Université de Glasgow. Son équipe utilise des mesures d’hélium pour suivre le mouvement des gaz dans certaines des plus anciennes croûtes terrestres.
En traçant l’hélium provenant de minéraux radioactifs enfouis jusqu’aux puits de gaz modernes, les scientifiques espèrent révéler des indices pouvant transformer la manière dont le monde cherche cette ressource irremplaçable.
Un hélium ancien sous l’Afrique du Sud
Dans le sud du Bassin de Witwatersrand, le projet gaziers de Virginia exploite du gaz naturel contenant jusqu’à 12 % d’hélium, selon des travaux approfondis. Les géologues estiment que le réservoir retient l’hélium depuis que les sédiments de Karoo l’ont recouvert, il y a environ 270 millions d’années.
L’équipe soupçonne que les filons aurifères riches en uranium sous le bassin fournissent la majorité de l’hélium, tandis qu’un socle en granite fracturé profondément en dessous constitue une source supplémentaire.
Un gaz dont dépendent les hôpitaux
L’hélium refroidit les aimants supraconducteurs, qui transportent l’électricité sans résistance, à l’intérieur des scanners IRM dans les hôpitaux du monde entier. Étant donné que l’hélium se forme lentement par la désintégration de l’uranium et du thorium, il est non renouvelable et ne se reproduit pas à l’échelle humaine.
Ce décalage entre la production lente et l’utilisation rapide a déjà provoqué des pénuries d’hélium pour les laboratoires, les fabricants de semi-conducteurs et les centres médicaux. Un champ capable de soutenir plusieurs décennies de production d’hélium revêt donc une importance qui dépasse le cadre d’une seule mine, influençant la planification à long terme des chaînes d’approvisionnement mondiales.
Des roches radioactives à l’origine de l’hélium
L’hélium du champ de Virginia est principalement d’origine radiogénique, c’est-à-dire qu’il se forme par la désintégration radioactive dans les roches au fil des millions d’années. Le Supergroupe de Witwatersrand comprend des filons aurifères âgés de 2,8 à 3 milliards d’années qui concentrent des minéraux d’uranium et de thorium.
En dessous de ces sédiments se trouve un socle en granite, une ancienne roche cristalline composée de grains minéraux entremêlés, qui produit de l’hélium qui s’infiltre dans des fractures profondes.
En estimant les contributions d’hélium de chaque unité rocheuse, l’équipe peut juger de la longévité du champ et identifier d’autres accumulations similaires ailleurs.
Des indices anciens dans du gaz moderne
Le projet utilisera la pétrographie, l’étude microscopique de fines tranches de roches, pour cartographier quels minéraux dans les échantillons contiennent de l’uranium, du thorium et de l’hélium piégé. Les chercheurs appliqueront une méthode de thermocronologie qui mesure la formation d’hélium dans les minéraux, révélant quels grains retiennent l’hélium et lesquels le libèrent rapidement.
Des instruments de gaz nobles dans les laboratoires de SUERC chaufferont les grains pour libérer leurs isotopes, révélant quand l’hélium s’est échappé. En combinant les mesures rocheuses et les données sur l’hélium et le méthane des puits, l’équipe élaborera un modèle de formation, de stockage et d’évasion de l’hélium.
Microbes, méthane et eau en mouvement
Les études classifient le méthane de Virginia comme biogénique, produit par des microbes plutôt que par des réactions à haute température. Dans des mines voisines, les scientifiques ont prélevé des échantillons d’eaux contenant des microbes se nourrissant de produits chimiques, documentés lors d’une enquête métagénomique à environ 3 kilomètres de profondeur.
Les eaux souterraines circulant par le réseau de failles du bassin absorbent méthane et hélium, transportant des gaz et des sels alors qu’elles circulent à travers des fractures profondes. À mesure que cette eau riche en gaz remonte, des bulles de méthane se forment, emportant l’hélium et s’accumulant dans des pièges structurels tels que le champ de Virginia.
Du gaz au liquide
Renergen a résolu les problèmes de refroidissement de son usine de liquéfaction d’hélium, atteignant -269 °C afin que de l’hélium liquide puisse être produit sur site. “Cette approche pratique se poursuivra jusqu’à ce que notre usine atteigne une capacité nominale proche de sa pleine capacité”, a déclaré Stefano Marani, PDG de Renergen.
L’usine de Phase 1 est conçue pour produire du gaz naturel liquéfié et environ 350 kg d’hélium liquide chaque jour. Alors que la production augmente, il sera crucial d’aligner la production d’hélium avec le modèle géologique pour rétablir la confiance des clients et planifier la deuxième phase.
Recrutement de chercheurs en hélium
L’Université de Glasgow recrute un chercheur en doctorat pour mener à bien ce projet sur l’hélium dans le cadre d’un doctorat entièrement financé. Le programme cible un scientifique physique en début de carrière et l’implique dans la recherche pendant plusieurs années.
Plutôt que d’analyser uniquement des ensembles de données existants, le rôle se concentre sur l’échantillonnage sur le terrain, les mesures en laboratoire et la collaboration étroite avec des partenaires académiques et industriels. Le chercheur deviendra l’investigateur principal exécutant le travail, traduisant la théorie géologique en mesures qui expliquent comment l’hélium ancien a atteint le champ gazier de Virginia.
Mesurer les roches et les gaz
Le chercheur doctorant collectera des échantillons de roches, préparera des sections minces et documentera la minéralogie et les textures qui contrôlent le stockage des gaz. En laboratoire, l’étudiant mesurera la rétention d’uranium, de thorium et d’hélium dans différents types de roches, puis comparera les résultats avec les compositions gazifiées des puits.
Un travail dans les laboratoires de SUERC forme le chercheur aux spectromètres de masse, des instruments qui séparent les ions par masse, pour mesurer l’hélium et les gaz nobles. Des placements avec Renergen fourniront une expérience pratique sur l’hélium et connecteront la géochimie, l’étude des patterns chimiques dans les roches, avec les opérations d’un champ gazier.
L’hélium guide de futurs forages
Comprendre la migration de l’hélium au sein de la structure de Virginia pourrait aider les géologues à cibler des cratons, ces anciens cœurs de croûte continentale stables, où les roches fracturées retiennent l’hélium. Dans de tels réservoirs, des signatures de gaz nobles distinctives, les rapports d’hélium à d’autres gaz inertes, peuvent indiquer qu’un champ est resté scellé pendant des éons.
La recherche à Virginia pourrait aider les scientifiques à affiner les estimations de la quantité d’hélium libérée lorsque des opérateurs injectent du dioxyde de carbone dans des aquifères profonds utilisés pour le stockage. Puisque l’hélium est inerte et facile à mesurer, les signaux d’hélium peuvent suivre si le dioxyde de carbone injecté reste sous terre ou remonte à la surface.
Regarder vers l’avenir, 3 milliards d’années en avant
L’histoire de l’hélium à Witwatersrand relie la désintégration radioactive de la croûte ancienne, la vie microbienne à plusieurs kilomètres de profondeur et la demande actuelle pour des combustibles et une imagerie médicale fiable. En utilisant le projet gaziers de Virginia comme laboratoire, les scientifiques peuvent étudier comment les facteurs géologiques et techniques interagissent pour développer une ressource riche en hélium.
Alors que le modèle de l’hélium s’améliore, les entreprises et les régulateurs comprendront mieux combien de temps la ressource de Virginia pourrait durer et comment la produire avec prudence. Les leçons tirées de cette région d’Afrique du Sud pourraient guider les recherches futures pour des champs gaziers riches en hélium dans d’autres terrains anciens à travers le monde.
Points à retenir
- L’hélium est piégé dans le Bassin de Witwatersrand, un site rarissime pour sa concentration.
- Le champ de Virginia pourrait contenir plus de 400 milliards de pieds cubes d’hélium.
- Ce gaz est crucial pour le fonctionnement des scanners IRM dans le domaine médical.
- La production d’hélium est non renouvelable, ce qui conduit à des pénuries sur le marché.
- Les recherches actuelles se concentrent sur la formation et la migration de l’hélium à travers les roches.
- Les collaborations entre universités et industries sont essentielles pour l’avancement de cette recherche.
Pour moi, plonger dans ce sujet est fascinant. L’hélium, souvent sous-estimé, tient un rôle central dans notre quotidien moderne, surtout dans le domaine médical. Cette ressource précieuse, pétrie de millions d’années d’histoire, nous enseigne non seulement sur le passé géologique de notre planète, mais aussi sur les défis de l’avenir en matière de ressources non renouvelables. Comment donc concilier l’extraction de cette ressource unique avec les nécessités de durabilité et de responsabilité ? C’est un débat qui mérite toute notre attention et qui nous engage à réfléchir sur l’impact de notre utilisation des ressources naturelles sur notre futur.