La fiche de cours
Résumé en cinq points
Une ressource géologique est une concentration anormale par rapport au fond géochimique, produite par une histoire géologique locale. Expliquer une ressource, c'est identifier le processus concentrateur et la propriété qu'il exploite.
L'eau souterraine dépend de la porosité et de la perméabilité des formations. Nappes libres, nappes captives et aquifères karstiques se distinguent par leur recharge, leur vulnérabilité et leur vitesse de renouvellement, autant d'informations lisibles sur une carte géologique.
Les minerais se concentrent par quatre grandes voies : ségrégation magmatique, circulation hydrothermale, processus sédimentaires et superficiels dont l'altération et les placers, et remobilisation métamorphique.
Les ressources énergétiques exigent des conditions cumulatives. Un gisement d'hydrocarbures suppose roche mère, maturation, migration, réservoir, couverture et piège, exigences que l'on retrouve pour le stockage géologique du dioxyde de carbone.
L'inégale répartition des ressources organise les échanges planétaires et contraint les activités humaines. La connaissance géologique guide l'exploration, quantifie les gisements avec leurs incertitudes et éclaire des décisions qui la dépassent.
Pourquoi ce chapitre
C'est un chapitre de synthèse. Il ne contient presque pas de notion nouvelle et remobilise volontairement tout le programme de sciences de la Terre : le phénomène sédimentaire pour les bassins et l'altération, le magmatisme pour les concentrations liées aux chambres et aux fluides, le métamorphisme pour l'hydrothermalisme, la carte géologique pour la lecture de terrain, la mesure du temps pour l'histoire des bassins.
Son fil directeur tient en une phrase. Une ressource géologique est une concentration anormale d'un élément ou d'un matériau, et cette concentration est toujours le produit d'une histoire géologique locale. Expliquer une ressource, c'est donc identifier le processus qui a concentré, le moment où il a agi, et les conditions qui l'ont permis.
La conséquence est géographique et politique. Comme chaque histoire géologique est locale, les ressources sont inégalement réparties à la surface de la Terre. Cette inégalité impose des adaptations aux sociétés et organise des échanges planétaires. Le programme demande enfin de montrer que la connaissance géologique éclaire les décisions d'exploration et d'exploitation, sans se substituer à elles.
Aux concours, ce chapitre apparaît surtout en analyse de documents et en exploitation de cartes, plus rarement comme question de cours autonome. Le nombre d'exemples attendus est restreint et aucun détail d'utilisation industrielle n'est à mémoriser.
Notions et mécanismes
Ressource, gisement, concentration
Il faut distinguer trois mots. Une ressource est un ensemble de matériaux naturels utilisables. Un gisement est une concentration localisée, suffisante en teneur et en quantité pour être exploitée dans les conditions techniques et économiques du moment. Une réserve est la part d'un gisement effectivement exploitable, notion qui varie avec les prix et les techniques, alors que la quantité présente dans le sol ne varie pas.
La notion centrale est le facteur d'enrichissement. La croûte terrestre contient tous les éléments, mais à des teneurs moyennes très faibles, appelées fond géochimique. Pour qu'un élément soit exploitable, il faut qu'un processus l'ait concentré d'un facteur souvent compris entre dix et plusieurs milliers. La question à se poser devant tout gisement est donc : quel processus a séparé cet élément du reste, et grâce à quelle propriété physique ou chimique.
Les propriétés exploitées par la nature sont peu nombreuses. La densité, pour les tris mécaniques. La solubilité, pour les transports en solution et les précipitations. Le comportement compatible ou incompatible dans un magma, pour les concentrations magmatiques. La résistance à l'altération, pour les résidus. Retenir cette liste permet de reconstruire n'importe quel mécanisme de formation.
Les ressources en eau
L'eau souterraine est une ressource géologique à part entière. Un aquifère est une formation capable de contenir et de laisser circuler de l'eau, ce qui suppose à la fois une porosité suffisante, pour le stockage, et une perméabilité suffisante, pour la circulation. Les deux propriétés ne vont pas nécessairement ensemble, une argile étant très poreuse et très peu perméable.
Deux géométries sont à connaître. Une nappe libre a sa surface supérieure au contact de l'air dans les pores, elle est directement rechargée par les précipitations et donc vulnérable aux pollutions de surface. Une nappe captive est emprisonnée entre deux formations imperméables, sa recharge se fait par un affleurement souvent éloigné, elle est mieux protégée mais se renouvelle lentement. Un forage dans une nappe captive peut être jaillissant si la pression est suffisante.
Les aquifères karstiques, développés dans les calcaires par dissolution, se comportent différemment : la circulation s'y fait dans un réseau de conduits, les vitesses sont élevées, la filtration est faible et la réponse aux pluies est rapide.
La lecture d'une carte géologique permet de repérer les aquifères potentiels par la lithologie, de situer les contacts perméable sur imperméable, qui expliquent l'alignement des sources, et d'identifier les zones de recharge à protéger.
Les matériaux
Les matériaux sont des ressources de faible valeur unitaire mais de volumes considérables. Les granulats, sables et graviers issus d'alluvions ou de roches concassées, sont la ressource la plus consommée après l'eau. S'y ajoutent les pierres de construction, les calcaires et argiles pour la fabrication du ciment, le gypse pour le plâtre, les argiles pour la céramique, les sables siliceux pour le verre.
Leur caractère pondéreux impose une contrainte économique forte : le coût de transport devient rapidement supérieur au prix du matériau, si bien que ces ressources sont nécessairement exploitées à proximité des lieux de consommation. Cela explique la densité des carrières autour des grandes agglomérations et les conflits d'usage du sol qui en découlent. C'est un bon exemple d'adaptation de l'activité humaine aux conditions géologiques locales.
Les minerais et leurs mécanismes de concentration
Quatre familles de mécanismes doivent être identifiées.
Les concentrations magmatiques se produisent dans une chambre. Des minéraux denses cristallisés précocement, oxydes de chrome, de fer et de titane, se déposent au plancher et forment des niveaux enrichis. Des liquides sulfurés non miscibles peuvent se séparer du liquide silicaté et concentrer nickel, cuivre et métaux associés. À l'opposé, les derniers liquides résiduels, très enrichis en éléments incompatibles et en eau, cristallisent en pegmatites à très gros cristaux, porteuses d'éléments rares.
Les concentrations hydrothermales résultent de la circulation de fluides chauds, d'origine magmatique, métamorphique ou météorique, chauffés par une anomalie thermique. Ces fluides dissolvent des métaux dans l'encaissant, circulent dans les fractures, et précipitent leur charge lorsque la température, la pression ou les conditions chimiques changent. Il en résulte des filons, souvent à gangue de quartz, porteurs de plomb, de zinc, d'étain, de tungstène ou d'or. Ce mécanisme opère aussi à l'axe des dorsales, où l'eau de mer circule dans la croûte océanique chaude.
Les concentrations sédimentaires et superficielles sont les plus variées. L'évaporation d'une saumure en bassin confiné dépose des évaporites, sel gemme, gypse et potasse. L'altération intense en climat chaud et humide lessive la silice et les bases et laisse un résidu enrichi en aluminium ou en fer, ce qui donne bauxites et latérites. Le tri mécanique par un courant sépare les minéraux selon leur densité et concentre les minéraux lourds, denses, chimiquement stables et mécaniquement résistants. Ce sont les placers, fluviatiles dans les zones de ralentissement d'une rivière, ou marins sur les plages et les cordons littoraux. Ils livrent diamant, or et minéraux lourds variés, et il faut noter qu'ils constituent une concentration secondaire, la source primaire étant généralement filonienne. Le trajet complet, filon puis érosion puis transport puis dépôt sélectif, est un bon exemple à maîtriser.
Le métamorphisme, enfin, ne crée guère de concentration mais remobilise et recristallise des concentrations préexistantes.
Les ressources énergétiques
Les hydrocarbures demandent la réunion de plusieurs conditions, dont l'absence d'une seule suffit à empêcher tout gisement. Il faut une roche mère, sédiment fin riche en matière organique déposé en milieu réducteur, ce qui suppose une forte production et une mauvaise oxygénation du fond. Il faut un enfouissement amenant cette roche mère dans la fenêtre de maturation, où la matière organique se transforme en huile puis, plus profondément et plus chaudement, en gaz. Il faut une migration des hydrocarbures, moins denses que l'eau, vers le haut. Il faut une roche réservoir, poreuse et perméable, capable de les stocker. Il faut enfin une roche couverture imperméable et un piège, structural comme un anticlinal ou un compartiment de faille, ou stratigraphique comme une terminaison de biseau.
Le charbon résulte au contraire de l'accumulation de végétaux continentaux en milieu palustre, préservés de l'oxydation, puis de leur enrichissement progressif en carbone avec l'enfouissement.
L'uranium se concentre soit dans des granites et leurs filons associés, soit dans des séries sédimentaires où un changement de conditions d'oxydoréduction provoque sa précipitation.
La géothermie exploite le flux de chaleur interne. La géothermie de basse énergie utilise l'eau tiède d'aquifères profonds de bassins sédimentaires pour le chauffage. La géothermie de haute énergie exige un contexte volcanique ou un gradient géothermique anormalement élevé pour produire de l'électricité.
Le programme demande également de mentionner le rôle potentiel des roches sédimentaires pour le stockage du dioxyde de carbone, qui repose exactement sur les mêmes exigences que les hydrocarbures : un réservoir poreux et perméable surmonté d'une couverture imperméable.
Répartition inégale et décision
Toutes ces conditions étant locales, les ressources sont très inégalement réparties. Un pays peut concentrer une part majeure de la production mondiale d'un métal parce qu'il possède le contexte géologique adéquat. Il en résulte une organisation des échanges à l'échelle planétaire et une dépendance des sociétés à des approvisionnements lointains.
Les connaissances géologiques interviennent à trois moments. À l'exploration, en guidant la prospection vers les contextes favorables, ce qui évite des campagnes coûteuses et inutiles. À l'évaluation, en quantifiant le gisement avec ses incertitudes. À la décision, en éclairant les conséquences de l'exploitation, notamment les impacts sur les nappes, les mouvements de terrain liés aux vides souterrains et la gestion des résidus. Comme pour les risques, l'expertise géologique est un élément de la décision et non la décision elle-même.
Enfin, toutes ces ressources se forment sur des temps géologiques, très longs devant les temps d'exploitation. Elles sont donc non renouvelables à l'échelle humaine, à l'exception partielle de l'eau des nappes, dont le renouvellement dépend du rythme de recharge.
Exemples et ordres de grandeur
Le fond géochimique du cuivre dans la croûte continentale est de l'ordre de quelques dizaines de grammes par tonne, alors qu'un minerai exploitable titre plusieurs kilogrammes par tonne, soit un facteur d'enrichissement d'environ cent. Pour l'or, le contraste est bien plus fort : quelques milligrammes par tonne dans la croûte contre quelques grammes par tonne dans un minerai, soit un facteur de l'ordre du millier.
La fenêtre à huile correspond approximativement à des températures de 60 à 120 degrés, soit, pour un gradient de 30 degrés par kilomètre, des profondeurs de l'ordre de 2 à 4 kilomètres. Au-delà, on passe dans la fenêtre à gaz.
En France, le Bassin parisien fournit un catalogue commode. Sa craie constitue un aquifère majeur, ses calcaires ont servi de pierre de taille, son gypse alimente l'industrie du plâtre, ses argiles et ses sables ont été largement exploités. Les bauxites du Sud-Est de la France illustrent l'altération en climat chaud et humide. Les anciens bassins houillers du Nord et du Massif central illustrent l'accumulation de matière organique continentale.
Trois schémas sont utiles. Une coupe de piège à hydrocarbures montrant roche mère, migration, réservoir, couverture et fermeture anticlinale. Une coupe d'un versant montrant une nappe libre, un contact perméable sur imperméable et la source associée. Un profil de rivière montrant le ralentissement du courant à l'intérieur d'un méandre et la concentration des minéraux denses.
Méthodes et savoir-faire
Remobiliser les connaissances de sciences de la Terre pour expliquer le mécanisme de formation d'une ressource. La méthode consiste toujours à identifier la propriété physique ou chimique exploitée, puis le processus géologique qui l'a mise en jeu, puis le contexte qui a rendu ce processus possible.
Identifier des ressources géologiques lors d'une analyse cartographique. On repère les formations par leur lithologie, on en déduit les usages possibles, on cherche les contacts qui commandent les circulations d'eau, et l'on croise avec la topographie et l'occupation du sol.
Exploiter une notice de carte et des documents complémentaires pour retrouver l'histoire géologique qui explique la présence d'une ressource en un point donné.
Reconstituer la chaîne complète d'un placer, depuis la source filonienne jusqu'au dépôt trié.
Analyser les conditions nécessaires à un gisement d'hydrocarbures et discuter l'absence de gisement lorsqu'une condition manque.
Transposer ce raisonnement au stockage géologique du dioxyde de carbone.
Discuter les conséquences d'une exploitation sur le milieu et sur les autres usages, en particulier sur la ressource en eau.
Ce qu'il faut savoir mobiliser en colle et à l'écrit
La définition d'une ressource comme concentration anormale, avec la notion de fond géochimique et de facteur d'enrichissement.
La distinction porosité et perméabilité, et la comparaison nappe libre et nappe captive sur la recharge, la vulnérabilité et le renouvellement.
Les quatre familles de mécanismes de concentration des minerais, avec un exemple pour chacune et la propriété physique ou chimique exploitée.
La chaîne complète du placer, qui relie roches filoniennes, érosion, transport et tri par densité.
Les cinq conditions d'un gisement d'hydrocarbures, énoncées dans l'ordre chronologique et illustrées par une coupe.
L'argument du caractère pondéreux des matériaux et ses conséquences sur la localisation des carrières.
Le raisonnement sur le caractère non renouvelable à l'échelle humaine, fondé sur la comparaison des temps de formation et des temps d'exploitation.
Deux pièges. Ne pas confondre ressource et réserve, la seconde dépendant du contexte économique et technique alors que la première est une donnée géologique. Ne pas se contenter d'affirmer qu'une région est riche en un métal, il faut nommer le processus qui l'a concentré et le contexte qui l'a permis.
Fiche rédigée à partir du programme officiel de BCPST (2021), thématique « Sciences de la Terre », partie ST-I « Les risques et les ressources géologiques », sous-partie ST-I-2. Elle traite des ressources en eau, en matériaux, en minerais et en énergie, des mécanismes géologiques qui les concentrent, et de leur identification par analyse cartographique ou documentaire.