Evaluation du potentiel de génération d’hydrogène naturel (H2) des Banded Iron Formations

L’hydrogène moléculaire (H2) pourrait jouer un rôle clé dans la transition énergétique, à condition d’être produit de manière décarbonée. Actuellement, la production d’H2 repose majoritairement sur des procédés industriels très émetteurs de CO2, mais des alternatives à faible empreinte carbone sont explorées. Des découvertes récentes d’accumulations d’H2 naturel en subsurface, comme au Mali, en Australie et en Albanie, suscitent un intérêt croissant pour cette ressource générée naturellement lors de réactions chimiques dans la croûte terrestre.
La formation d’H2 naturel par oxydation du FeII et réduction de la molécule d’eau lors d’interactions fluide-roche a été étudiée depuis 40 ans, essentiellement au prisme de la serpentinisation des roches (ultra)basiques. D’autres formations riches en FeII pourraient également générer de l’H2 lors de leur altération hydrothermale. Au travers de différents travaux de pétrographie, de modélisation thermodynamique, d’expériences de laboratoire et enfin de terrain, cette thèse s’est attachée à évaluer le potentiel H2 des Banded Iron Formations (BIF), des roches précambriennes riches en fer.
Supportés par des observations pétrographiques, les travaux expérimentaux et de modélisation menés ont permis de mettre en évidence l’influence clé des conditions d’altération (e.g., rapport eau-roche, minéralogie de départ) sur la dynamique de formation et de consommation d’H2 naturel à partir de l’altération hydrothermale des BIF. Particulièrement, la présence de sidérite et la stœchiométrie de la magnétite primaire semblent contraindre les rendements finaux de génération d’H2 en jouant sur les concentrations en FeII dissout disponible pour oxydation, et en CO2 pour consommer l’H2.
Les travaux de prospection sur le terrain en Namibie ont révélé des émissions d’H2, dont l’origine présumée est l’altération de BIF d’âge Néoprotérozoïque riches notamment en magnétite et sidérite. Cette découverte soutient l'hypothèse d’un potentiel important de génération d'H2 naturel à partir de ces formations ferriphères, et vient ouvrir la voie à un nouveau champ d’exploration pour l’H2 naturel.

Molecular hydrogen (H2) could play a key role in the energy transition, if it is produced in a carbon-neutral manner. Currently, H2 production mainly relies on industrial processes that emit significant amounts of CO2, but low-carbon alternatives are being explored. Recent discoveries of natural H2 accumulations in the subsurface, such as in Mali, Australia, and Albania, have sparked growing interest in this resource, which is naturally generated through chemical reactions in the Earth's crust.
The formation of natural H2 through the oxidation of FeII and the reduction of water molecules during fluid-rock interactions has been studied for 40 years, primarily in the context of serpentinization of (ultra)basic rocks. Other FeII-rich formations may similarily generate H2 during hydrothermal alteration. Through various petrographic studies, thermodynamic modeling, laboratory experiments, and fieldwork, this thesis has focused on assessing the H2 potential of iron-rich Precambrian rocks, namely the Banded Iron Formations (BIF).
Supported by petrographic observations, experimental and modeling work has highlighted the key influence of alteration conditions (e.g., water-rock ratio, initial mineralogy) on the dynamics of natural H2 formation and consumption through the hydrothermal alteration of BIF. In particular, the presence of siderite and the stoichiometry of primary magnetite appear to constrain the final H2 yields by affecting the dissolved FeII available for oxidation and the CO2 required to consume the H2.
Field prospecting in Namibia revealed H2 emissions, which are presumed to originate from the alteration of Neoproterozoic BIF, particularly rich in magnetite and siderite. This discovery supports the hypothesis of a potential for natural H2 generation from these iron-rich formations and opens up a new field of exploration for natural hydrogen.