Comportement des phases porteuses de carbone en subsurface: du stockage géologique du CO2 à l’altération de la lithosphère océanique

Ce mémoire d’habilitation à diriger des recherches dresse le bilan de mes activités de recherche à l’IPGP depuis mon recrutement en septembre 1996. C’est à la suite de mes travaux de thèse, portant sur la production d’éléments volatils lors d’impacts de météorites, puis de mon post-doctorat en expérimentation haute pression haute température, que j’ai choisi de m’intéresser à la réactivité de l’eau et du CO2 dans les roches et minéraux. Ces travaux ont débuté par l’étude expérimentale des fluides produits en zone de subduction, au moyen d’une expérience pionnière couplant la cellule à enclume de diamant et une ligne d’absorption des rayons X à l’ESRF (synchrotron européen, Grenoble). La création du Centre de Recherches sur le stockage géologique du CO2 à l’IPG en 2003 (en partenariat avec Total, Schlumberger et l’ADEME) sous l’impulsion de Claude Jaupart et d’Alain Bonneville a marqué un véritable tournant dans mes thématiques de recherches. J’ai en effet alors effectué un travail expérimental sur l’altération des roches basiques/ultrabasiques en conditions hydrothermales en vue de mieux modéliser la séquestration minérale du CO2 (c’est à dire son stockage sous forme de carbonates solides). C’est ce travail qui est présenté dans la première partie de synthèse des travaux de recherches. Ces expériences ont peu à peu débouché sur l’étude d’analogues naturels tels que les massifs ophiolitiques (Oman, Nouvelle Calédonie) mais aussi plus généralement la lithosphère océanique (basaltique ou péridotitique) dont l’interaction avec l’océan contrôle le piégeage global de CO2, sous forme de carbonates et, comme j’ai pu le démontrer, de carbone organique. Le comportement ultérieur, du carbone ainsi capturé et stocké dans la lithosphère océanique, lors de la subduction, représente le 3ème volet du travail de recherches présenté dans ce document. Il est le fruit d’une collaboration avec Olivier Beyssac, Matthieu Galvez et Alberto Vitale-Brovarone (IMPMC), pétrologues et géologues de terrain, qui m’ont permis d’étudier des échantillons exceptionnels. Les principaux résultats de ces travaux sont présentés brièvement et plus largement détaillés dans une sélection de publications. Ces travaux m’ont ouvert de nouvelles perspectives de recherche. L’une d’entre elles est la formation de composés carbonés « organiques » lors de l’altération des minéraux riches en fer de la lithosphère océanique par interaction entre l’H2 produit et le CO2 de l’eau de mer et/ou magmatique. De telles réactions H2-CO2 sont connues dans l’industrie par exemple pour la production de méthane et de carburants liquides synthétiques mais leur transposition au milieu géologique, en particulier du point de vue des catalyseurs naturels, n’est pas aisée. Je résume les questions en suspens à ce sujet et la façon dont je souhaite les traiter dans la dernière partie du document. L’originalité de ce projet de recherches sera de le conduire en collaboration avec des chimistes spécialistes de la catalyse en phase aqueuse.