Du vert au noir : le charbon 9782759819553

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à portée de main

D charbon u vert au noir : le

Patrick De Wever & François Baudin

Dans la même collection : La valse des continents, P. De Wever et F. Duranthon, 2015, ISBN : 978-2-7598-1182-3. L’eau de la vie, P. De Wever, 2015, ISBN : 978-2-7598-1189-2. Voyage d’un grain de sable, P. De Wever et F. Duranthon, 2015, ISBN : 978-2-7598-1183-0.

Collection « La terre à portée de main » dirigée par Patrick De Wever Cette collection, dont les textes sont ponctués d’anecdotes, de petites questions et richement illustrés, est destinée à un très large public. Elle a pour vocation de présenter et de donner des notions très abordables en géologie sur les phénomènes et constituants de notre planète.

Imprimé en France ISBN : 978-2-7598-1791-7 Tous droits de traduction, d’adaptation et de reproduction par tous procédés, réservés pour tous pays. La loi du 11 mars 1957 n’autorisant, aux termes des alinéas 2 et 3 de l’article 41, d’une part, que les « copies ou reproductions strictement réservées à l’usage privé du copiste et non destinées à une utilisation collective », et d’autre part, que les analyses et les courtes citations dans un but d’exemple et d’illustration, « toute représentation intégrale, ou partielle, faite sans le consentement de l’auteur ou de ses ayants droit ou ayants cause est illicite » (alinéa 1er de l’article 40). Cette représentation ou reproduction, par quelque procédé que ce soit, constituerait donc une contrefaçon sanctionnée par les articles 425 et suivants du code pénal. © EDP Sciences 2015

Remerciements Les auteurs tiennent à remercier toutes celles et tous ceux qui les ont aidés à l’élaboration de cet ouvrage : Laurent Carpentier, Marie Dey-Barret, Fabien Graveleau, Guillaume Lemoine, Lilian Cazes, Francis Meilliez, Thierry Oudoire, Thanh Thuy Nguyen Tu. Nous avons bénéficié de la relecture attentive et amicale de Isabelle Baudin, Dominique Carpentier, France Citrini et Aurélie Chastaingt. Les dessins sont l’œuvre d’Alexandre Lethiers aussi efficace que compétent.

Sommaire Remerciements. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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1 Qu’est-ce que le charbon ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Un peu de vocabulaire  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Du graphite pour écrire. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Le charbon de bois . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .



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2 À l’origine du charbon. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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De la lumière à la plante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . De la plante au charbon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Les tourbières : des écosystèmes protégés . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Évolution des plantes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .



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3 Lente (trans)formation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Portrait de famille… des plus jeunes aux plus anciens . . . . . . .

Tourbe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 Lignite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 Houille. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

 nvironnements et conditions de dépôt des charbons. . . . . . . . E Pourquoi des veines de charbon ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Le charbon et le climat : glaciation et réchauffement climatique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Depuis quand utilise-t-on le charbon ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Quels sont les modes d’exploitation ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Terrils !. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Pourquoi exploite-t-on le charbon ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .



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Chauffage. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Enduit imperméable. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Machine à charbon. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Électricité. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gazéification et liquéfaction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Coke. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5 Ressources / Réserves. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Échanges commerciaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Âge des principaux gisements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Répartition des gisements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Coût humain de l’exploitation du charbon. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6 Charbon et arts

Fusain. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Pierre noire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Jais. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Le charbon des blasons ou « et pourtant c’est vrai ! » . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Le charbon dans l’art… culinaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .



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Charbon et citations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Glossaire. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Bibliographie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Qu’est-ce que le charbon ?

© F. Baudin

© DR

Le charbon est connu de tous mais il s’agit d’un terme très général qui désigne toute une famille de roches contenant au moins 50 % de carbone organique (Fig. 1). Son origine est sédimentaire, c’est-à-dire qu’il est formé par l’accumulation de particules qui se sont déposées, généralement dans l’eau. Fig. 1 • Charbons ardents. Habituellement noir, L’image des boulets de charbon rouparfois brun foncé, le char- geoyant dans le poêle est familière même si, bon a comme origine des aujourd’hui en France, peu de foyers se chaufrestes végétaux lentement fent encore ainsi. transformés. La majorité des charbons est formée à partir de végétaux terrestres (on parle alors de charbons humiques*), mais une autre catégorie de charbons est constituée par l’accumulation d’algues lacustres ou marines. On parle alors de charbons sapropéliques* (sapros voulant dire «  pourriture  » en grec) ou bogheads (ce qui veut dire «  tête de marécage »). D’autres, plus rares, sont issus de l’accumulation de spores et de grains Fig. 2 • Charbon d’algues. Photographie d’une fine tranche d’un charbon de pollen (Fig.  2). On les d’algues déposé il y a 295 millions d’années appelle des cannel coal (ou dans la région d’Autun. Chaque petite tache candel coal) car on les taillait jaune correspond à l’enveloppe d’une colonnie d’algues d’un à deux dixièmes de milli- en forme de chandelle pour l’éclairage. mètre de diamètre. 7

Du vert au noir : le charbon

Un peu de vocabulaire  Le mot charbon vient du latin carbo (« braise ») dont est aussi issu le mot carbone. Le charbon, de fait, s’inscrit dans une lignée de matériaux qui passent progressivement de l’un à l’autre : tourbe*, lignite*, houille* et anthracite*. On utilise le mot charbon alors qu’il serait préférable d’utiliser le vocable houille pour la roche située entre le lignite, encore très fibreux, et l’anthracite, tellement pur qu’il a parfois du mal à brûler. Le mot houille* vient d’un terme wallon hulhes, hoye pour « fragment, morceau, motte », pour désigner la houille en morceaux qui se trouvait à la surface de la terre. Les charbonniers de la ville de Liège sont d’ailleurs appelés des hoyeux. Il y a charbon et charbon… Ce mot recouvre différentes acceptions. Il peut s’agir : – d’un combustible fossile : la houille. Autrefois appelée charbon de terre ou charbon minéral ; – d’une inflammation gangreneuse due au bacille du charbon ; – d’une maladie des céréales, en agriculture, due à un champignon microscopique ; – d’une pièce conductrice de l’électricité, un balai, assurant la liaison entre les parties fixes et mobiles de machines électriques (moteur, générateur) et qui est constituée en grande partie de charbon ; – du nom commun d’une plante discrète, la succise des prés (Succisa ­pratensis) ou mors du diable.

Du graphite pour écrire Le graphite est une espèce minérale qui est, avec le diamant, l’une des formes naturelles cristallisées du carbone pur (Fig. 3 et 4). Son nom vient du grec graphein = écrire, ce matériau étant celui de nos crayons de papier. Le graphite laisse une trace sur le papier car sa structure cristalline est en feuillets. Ceux-ci se détachant facilement, certains éléments restent sur le papier, laissant une trace. À l’inverse, le diamant, matériau naturel le plus dur, correspond à un cristal très compact, constitué de cubes solidement reliés entre eux dans les trois dimensions de l’espace. Ils sont donc particulièrement solides. Les crayons à papier, ou crayon-mine, sont utilisés pour écrire ou dessiner et résistent à la pluie car le graphite n’est pas soluble dans l’eau. Le mot crayon-mine est utilisé car il vient du crayon à mine de plomb, longtemps utilisé. 8

1.Qu’est-ce que le charbon

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© L. Cazes

© 350z33 CC-3.0b.

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Fig. 3 • Il y a carbone et carbone… a. Le diamant bleu, le Hope, est aujourd’hui déposé au National Museum of Natural History (aux États-Unis). Sa taille est de 26  31 mm. À l’origine il était un peu plus gros et ornait la toison d’or du roi de France. Volé lors de la Révolution française, il a été retaillé pour être revendu. b. Crayon de bois. La trace laissée est du graphite, un type de carbone.

Diamant Graphite

Fig. 4 • Arrangement des atomes de carbone dans le diamant et le graphite.

 ourquoi le charbon est-il noir… P alors que le diamant est transparent ? La réponse est électronique ! L’atome de carbone est constitué d’un noyau entouré de six électrons, dont deux se trouvent sur une orbite proche du noyau et quatre sur une orbite plus éloignée. Or cette orbite peut accueillir jusqu’à huit électrons. Concrètement, cela veut dire que les quatre électrons périphériques de l’atome de carbone peuvent attirer ou être attirés par d’autres électrons et former ainsi de nombreuses molécules. Cela explique pourquoi le carbone est au centre de la chimie du vivant. Lorsque l’on passe des atomes aux molécules, les électrons fusionnent au point de former des orbitales moléculaires et non plus atomiques. Il y a deux types d’orbitales moléculaires : les liaisons pi (de la lettre 9

Du vert au noir : le charbon

grecque π) ou les liaisons sigma (σ). Dans le diamant, il n’y a que les liaisons sigma, où les électrons ont peu de marge de manœuvre, alors que dans le charbon ou le graphite, on compte un quart de liaisons pi dans lesquelles les électrons sont plus libres d’aller et venir. Lorsque la lumière vient frapper un diamant dans lequel les électrons sont stables, elle n’est pas absorbée et les photons en ressortent quasi inchangés. Au contraire, dans le graphite ou le charbon, les liaisons sigma capturent les photons et toute la lumière visible est absorbée, ce qui les fait apparaître noirs à nos yeux. Le noir des grottes ornées est-il du charbon ?

© CC-BY-SA-2.0, flic.kr/p/9x7tZY

La peinture des grottes ornées fait appel à deux pigments : noir et ocre (Fig. 5). L’ocre, du jaune au rouge, est à dominante d’oxyde de fer. Le noir est constitué soit par du charbon de bois (de genévrier ou de pin) ou plus rarement par du charbon d’os, soit par de l’oxyde de manganèse (grottes de Lascaux, Chauvet, Pech-Merle…). Cette association n’est pas neutre. En effet, quand l’oxyde de manganèse est mélangé à du charbon de bois, les propriétés toxiques sont équivalentes à celles d’une drogue (de type mescaline ou L.S.D.) et peuvent favoriser un état de transe, parfois évoqué pour les conditions de réalisation de ces peintures (chamanisme). Ce carbone permet la datation de l’art pariétal en utilisant le carbone 14, une variété de carbone, dont l’activité radioactive décroît régulièrement avec le temps.

Fig. 5 • Chevaux et bovins de la grotte Chauvet. 10

1.Qu’est-ce que le charbon

Le charbon de bois Le charbon de bois dont on se sert pour le barbecue n’est pas un charbon naturel. Il est obtenu par pyrolyse du bois à 400 °C. On la réalisait autrefois dans les forêts, dans de grandes meules (tas de bois protégés de l’air pour éviter qu’ils ne brûlent), à l’intérieur desquelles on mettait le feu. Aujourd’hui, on utilise plutôt de petites unités de production industrielle moins polluantes, où la pyrolyse s’effectue par contact de gaz chauds. Le charbon de bois ne sert pas uniquement à allumer un barbecue, on l’utilise également dans des filtres, par exemple pour l’épuration des eaux (voir encadré ci-après). Pilé, il peut également être utilisé pour améliorer ou régénérer les sols agricoles ou forestiers, car il contribue à en restaurer les propriétés physiques, chimiques et biologiques. Il participe ainsi au stockage du carbone, ce qui explique que ce charbon de bois (ou de tout autre végétal), que l’on appelle alors « biochar », suscite un intérêt croissant dans le contexte des préoccupations concernant l’augmentation du CO2 d’origine humaine. En effet, stocker beaucoup de biochar dans les sols permettrait de diminuer la concentration en CO2 de l’atmosphère. Pourquoi le charbon actif est-il épurant ? Le charbon actif est utilisé depuis l’Antiquité, vers 1550 ans av. J.-C., par les Égyptiens en médecine et pour la purification de l’eau. Le charbon actif, ou charbon activé, est constitué essentiellement de carbone à structure poreuse. Le charbon a subi une préparation de carbonisation à haute température et, de ce fait, possède la propriété de fixer et de retenir des molécules amenées à son contact par adsorption, c’est-à-dire qu’il est capable de retenir à sa surface des molécules. Le charbon actif est utilisé pour ses propriétés adsorbantes et réductrices dans de nombreux domaines : pour la filtration d’air (d’abris souterrains, hottes de cuisine, filtres à cigarettes, masques à gaz), pour la décontamination d’eau (captation des pesticides) dans les aquariums, mais aussi, en chimie, sur des textiles pour le « détachage » de vins blancs (pigments de raisins retenus par le charbon), pour extraire l’or des minerais, ou encore en médecine (épuration digestive, antidiarrhéique, aigreurs d’estomac…). On peut produire du charbon actif à partir de matériaux très différents (noix de coco, tourbe*, houille*…). Le produit est activé par un traitement thermique ou chimique pour accroître sa porosité (la taille des pores) et ses capacités d’adsorption. Les industriels le fournissent en poudre ou en grains. Certains charbons actifs sont régénérables, d’autres pas…

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À l’origine du charbon

De la lumière à la plante Un organisme vivant reste quelque chose d’extrêmement improbable, non seulement parce qu’il est très localisé à l’échelle de l’Univers, mais aussi parce qu’il possède une structure très ordonnée alors que les principes fondamentaux de la thermodynamique indiquent que le désordre (« l’entropie » pour donner le mot savant) doit augmenter avec le temps. Il semble y avoir là un paradoxe. L’explication réside tout simplement dans la capacité des êtres vivants à consommer de l’énergie. Quand un organisme n’a plus cette capacité, il retourne vers le désordre, c’est-à-dire qu’il se décompose et disparaît. Bref, il n’y a pas de vie s’il n’y a pas consommation d’énergie, et réciproquement. La première nécessité pour la vie est donc de Energie solaire disposer d’une source d’énergie. À la surface de la Terre, l’énergie la plus aisément disponible est Dioxyde de Photosynthèse carbone + Eau l’énergie solaire. Fort logiquement, les premières formes de vie l’ont utilisée, directement ou indirectement. Respiration Les organismes photosynSucre + Produits chimiques thétiques utilisent le rayonnedi-oxygène haute énergie essentiels à la vie ment du Soleil pour convertir l’eau et le dioxyde de carbone Energies fossiles en sucres (Fig. 6) grâce à leurs pigments et à l’énergie lumiFig. 6 • Schéma de la photosynthèse. neuse selon :

v

6CO2 + 6H2O az carbonique + eau G

énergie lumineuse Ò C6H12O6 + 6O2 Ò sucre + oxygène

chlorophylle 12

2.À l’origine du charbon

Six molécules de gaz carbonique et six molécules d’eau réagissent pour former une molécule de sucre (glucose) et six molécules de dioxygène. Environ 5 % de l’énergie solaire incidente est convertie en matière végétale. Les végétaux ont transformé l’énergie lumineuse, fugace et diffuse, en énergie chimique susceptible d’être stockée. Mais ces processus de transformation libèrent un sous-produit, un déchet en quelque sorte : l’oxygène (voir encadré « un déchet vital » ci-après). Un déchet vital Très oxydant, l’oxygène rejeté lors de la photosynthèse a bien entendu été nocif pour les organismes d’alors. Mais la vie s’adapte à tout et certains organismes ont même fini par incorporer ce produit toxique dans leur métabolisme, à tel point que l’on pourrait croire que l’oxygène est un élément fondamental de toute vie.

Les organismes qui réalisent la photosynthèse sont appelés les producteurs primaires de la chaîne alimentaire. Il s’agit des plantes vertes et de certaines bactéries. D’autres organismes puisent à leur tour cette énergie stockée sous forme chimique en se nourrissant des plantes dont ils digèrent les sucres. Ils consomment aussi l’oxygène produit par les végétaux pour « brûler » leur nourriture dans des réactions qui dégagent de l’énergie. Plus loin dans la chaîne alimentaire, d’autres animaux mangent ces herbivores, et ainsi de suite. De même, quand nous exploitons des énergies fossiles, telles que le charbon, le pétrole ou le gaz naturel, c’est la réaction inverse de la photosynthèse effectuée il y a très longtemps qui se produit. Quand nous brûlons un charbon de l’époque Carbonifère, c’est de l’énergie solaire stockée chimiquement il y a 300 millions d’années qui nous chauffe. Quand un organisme meurt, sa matière organique se décompose et restitue alors la vapeur d’eau, le gaz carbonique (CO2) et l’énergie stockée. Ce processus se fait par le feu (forêts, savanes) en dégageant de la chaleur, ou dans le sol par l’intermédiaire de bactéries ou encore quand cette matière organique est consommée par les animaux, dont l’Homme. La biosphère interagit ainsi avec deux composants atmosphériques influents : la vapeur d’eau et le gaz carbonique. Quand cette énergie n’est pas dissipée précocement, elle peut être stockée pendant des millions d’années et donner naissance à des ressources* énergétiques exploitables pour l’homme moderne (charbon, pétrole).

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Du vert au noir : le charbon

Quelles molécules constituent les végétaux terrestres ?

© M. Barret

La matière organique produite par les végétaux est essentiellement constituée d’un petit nombre de molécules chimiques :

Fig. 7 • Coupe transversale dans une jeune feuille d’iris. Le contenu cellulaire a été détruit et les parois ont été colorées au carmin-vert d’iode, ce qui fait apparaître les tissus cellulosiques en rose et les tissus lignifiés (bois) en verdâtre. La cuticule de la surface de la feuille est bien soulignée par des alignements de cellules très rouges.

– la cellulose est le matériau le plus important des cellules végétales. C’est un polymère constitué de l’assemblage de plusieurs centaines de fois la molécule de glucose produite lors de la photosynthèse. L’assemblage de plusieurs polymères permet la formation de feuillets assez rigides pour constituer la charpente des végétaux. Cette charpente organique est imprégnée d’une matrice constituée de pectine et d’hémicelluloses. Si la pectine est gorgée d’eau (ce qui assure l’hydratation permanente des cellules), les hémicelluloses ont une composition chimique très comparable à celle de la cellulose ; – la lignine* est également un polymère organique mais non linéaire et plus complexe chimiquement que la cellulose. Elle sert d’armature aux végétaux en constituant les parties résistantes du bois. La lignine repousse l’eau (on dit qu’elle est hydrophobe), ce qui explique d’ailleurs en partie pourquoi le bois flotte lorsqu’on le met sur l’eau. Du fait de cette hydrophobie et de sa complexité chimique, ce polymère est très difficilement dégradable. C’est pourquoi, bien que la lignine représente 15 à 30  % du bois sec, elle est un constituant majeur (80  %) des charbons. Seuls les champignons, de type pourriture blanche, sont capables de s’y attaquer  ; 14

2.À l’origine du charbon

– la surface des feuilles, ou épiderme, et des jeunes tiges sont recouvertes d’une couche imperméable : la cuticule. Celle-ci est formée par des cires naturelles (des graisses) qui réduisent les pertes en eau par évapotranspiration et protègent de certains herbivores et des bactéries.

De la plante au charbon

© MHN Lille

© L. Carpentier

Quand une plante meurt, elle se décompose généralement en restituant son énergie, du gaz carbonique et de l’eau. Néanmoins, si elle est enfouie rapidement et soustraite à l’oxydation ou à sa consommation par d’autres organismes (vers, fourmis, insectes, bactéries…), elle a quelques chances de se conserver, mais pas forcément dans son état initial (Fig. 8 à 10). Elle subit des transformations au cours du temps, en fonction des conditions de son environnement (température, pression, réactions chimiques…). Parfois elle reste constituée majoritairement de matière organique, d’autres fois elle est imprégnée de composés qui la minéralisent et devient une véritable pierre (Fig. 10). C’est ainsi par exemple que l’on retrouve de magnifiques troncs d’arbres fossiles silicifiés en Arizona (États-Unis) qui ont près de 250 millions d’années, ils sont si nombreux que le lieu est dénommé la Petrified Forest (forêt pétrifiée).

Fig. 8 • Coupe dans un bois fossile. La qualité est telle que l’on distingue facilement, dans un « cylindre central », les gros vaisseaux conducteurs de la sève brute coupés transversalement. Autour, on peut compter trois cernes d’accroissement dont les lignes « limitantes » sont parfaitement visibles (largeur : environ 3 mm).

Fig. 9 • Bois ancien parfaitement préservé. Ces bois ont été enfouis, probablement lors d’un orage violent associé à une forte crue (Nouvelle-Zélande). Ces bois de Kauri, qui ont plus de 50 000 ans, sont parfaitement conservés, comme en attestent les fils du bois bien visibles et le bibelot, fait avec ce bois, représentant l’oiseau emblématique de Nouvelle-Zélande : un kiwi.

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Du vert au noir : le charbon

© P. De Wever

Fig. 10 • Bois pétrifié.

Ce tronc silicifié d’Araucaria du parc national Petrified Forest (Arizona, États-Unis) date de près de 250 millions d’années. La pétrification, lente, laisse encore voir les auréoles de croissance de l’arbre.

Les tourbières : des écosystèmes protégés Une tourbière* (Fig. 11a) est une zone humide caractérisée par l’accumulation progressive de matière organique d’origine végétale, peu ou pas décomposée, qui constitue le sol. Cet écosystème fragile produit du méthane, certes, mais représente néanmoins un puits de carbone car il y a plus de production de matière organique que de dégradation. Ces zones humides abritent une biodiversité importante et très souvent des espèces rares ou dont les conditions de vie sont fragiles. La végétation et la faune y présentent souvent des adaptations ou des caractéristiques singulières, parfois uniques : les plantes carnivores (Fig. 11b) sont fréquentes et on trouve de nombreux invertébrés rares dans les tourbières. Les végétaux affectionnant les tourbières sont, entre autres, les mousses, en particulier les sphaignes, mais aussi de nombreux joncs et carex dont les résidus partiellement décomposés forment, après plusieurs siècles, la tourbe*. Les tourbières étant souvent situées dans des secteurs froids ou à humidité très élevée durant une grande partie de l’année, elles accueillent parfois des espèces reliques des périodes glaciaires. Des plantes trouvent ainsi refuge dans les tourbières, parfois très loin de leur aire actuelle de répartition située dans les zones boréales. Elles abritent aussi une grande quantité de micro-organismes, dont des bactéries et cyanobactéries (un milliard d’individus environ par litre d’eau), des algues unicellulaires (même nombre) qui sont consommées par des protozoaires et des rotifères (100 000 individus par litre présents chacun). On y trouve aussi des vers nématodes (10 000 par litre) et certaines larves d’invertébrés ainsi que des amphibiens. 16

2.À l’origine du charbon

La majorité des tourbières est située dans les zones de moyenne et haute montagne, près des sources des grands fleuves et rivières. On dit qu’elles sont en « tête de bassin-versant ». Comme les autres types de zones humides, elles ont un rôle important dans le cycle de l’eau : – pour la rétention de l’eau, elles jouent un rôle de régulation des flux hydriques, en retenant l’eau pendant une période plus ou moins longue avant de la restituer au milieu, évitant des crues. Cela est notamment dû aux caractéristiques de certaines mousses (sphaignes), qui se comportent comme de véritables éponges ; – pour le filtrage et l’assainissement de l’eau.

© P. De Wever

a

© P. De Wever

b

17

Fig. 11 • Tourbière des Narcettes. a. La tourbière (Plateau de Montselgues, vers 1000 m d’altitude, Ardèche) est un régulateur et épurateur de l’eau. Elle abrite de nombreuses sphaignes et les célèbres Drosera, plantes carnivores b. Elle bénéficie de plusieurs critères d’intérêt naturel (réseau Natura 2000, ZNIEFF II, CREN…). (b) La Drosera rotundifolia est une plante carnivore (poils rouges gluants qui entourent la partie digestive vert jaunâtre), fréquente au milieu des sphaignes (vertes) dans les zones humides acides.

Du vert au noir : le charbon

Un reste végétal conservé est-il du charbon ? Exemple des feuilles fossiles du Cénomanien d’Anjou. Les fossiles sont les témoins des temps passés. Ces témoins sont d’autant plus rares qu’ils sont fragiles : on retrouve plus facilement les restes d’un escargot que ceux des limaces qui cohabitaient avec eux dans le jardin l’an passé. Les fossiles sont donc souvent des squelettes minéralisés  : coquilles de gastéropodes, de bivalves, voire os de vertébrés. En revanche, peu de poulpes ou méduses, peu de vers ou chenilles, mais qu’en est-il des végétaux ? Les végétaux ont un potentiel de préservation intermédiaire grâce aux composants macromoléculaires qui imprègnent leurs parois cellulaires ou recouvrent leurs organes. La sporopollénine, macromolécule qui constitue les spores et les grains de pollen, est très résistante et conduit fréquemment à la préservation de ces petits éléments végétaux. Les feuilles sont quant à elles, recouvertes de cutine, une macromolécule moins résistante à la dégradation que la sporopollénine. Ainsi, parfois des fossiles sont si bien conservés qu’à côté les momies égyptiennes, avec leurs quelques milliers d’années, ne sont que des poussières en bandelettes. On trouve par exemple en Anjou des feuilles remarquablement conservées dans des argiles* déposées il y a presque 100 millions d’années (Cénomanien inférieur). Elles sont en si bon état qu’elles ont été prises, dans un premier temps, pour des feuilles mortes actuelles (Fig. 12). Cependant, comme les botanistes n’arrivaient pas à les identifier, en les regardant de plus près, ils ont fini par admettre qu’il s’agissait de feuilles fossiles. Ils les ont retrouvées par la suite dans le sédiment du sous-sol. Elles étaient si bien préservées que l’on en a étudié la composition chimique dans une thèse1. D’autres collègues bretons ont été impressionnés par leur souplesse. Ils pouvaient encore les rouler ! Les rouler ? Tiens, tiens… en rouler une… Une idée leur est alors venue… et si on en roulait une ? Sitôt dit, sitôt fait (le géologue est un homme d’action !). 

© T.T. Nguyen Tu

Fig. 12 • Une feuille souple de 100 millions d’années (Cénomanien inférieur). Feuille d’Eretmophyllum andegavense. Sa longueur est d’un peu plus de 5 cm. Localité : carrière de Brouillard, Le Gué de Moré, près d’Angers.

1.  Nguyen Tu T.T. (1999). Étude isotopique et moléculaire de plantes terrestres cénomaniennes. Thèse de l’université Paris 6, 175 pages. 18

2.À l’origine du charbon

Évolution des plantes

© P. De Wever

Si les premières plantes, similaires aux lichens et aux mousses, apparaissent sur Terre il y a 480 millions d’années, la conquête des continents par les végétaux s’est réellement faite entre -435 et -415 millions d’années (au Silurien) dans des conditions climatiques favorables, équatoriales à tempérées. Les plantes terrestres évoluent progressivement avec notamment le développement de vaisseaux permettant le transport de la sève, de racines, d’un tronc et de feuilles. Les fougères géantes (Fig. 13) obtiennent ainsi un net avantage sur les autres végétaux et envahissent d’immenses surfaces. Les charbons humiques* (dérivant de végétaux terrestres) les plus anciens datent de -400 millions d’années (Dévonien)

Fig. 13 • Forêt de fougères arborescentes. Cette forêt de Nouvelle-Zélande évoque les forêts de l’ère primaire. 19

Du vert au noir : le charbon

et ont été produits par des cryptogames vasculaires (fougères, lycopodes…). Vers -390 millions d’années, l’apparition de la graine offre une nouvelle opportunité aux végétaux de se disséminer et de s’implanter loin des zones humides. Au début du Carbonifère (-345 millions d’années), les gymnospermes (conifères) font leur apparition et des forêts se développent avec une grande variété d’espèces structurées en différentes strates. Le Carbonifère et le Permien sont des périodes géologiques très favorables au dépôt des charbons humiques. Durant les 150 millions d’années suivantes, les dépôts de charbons sont nettement moins abondants. Cela peut tenir à des conditions climatiques plus arides mais selon une étude ayant comparé une trentaine d’espèces de champignons (« pourriture blanche » et « pourriture brune »), cet arrêt de formation du charbon semble pouvoir être expliqué par l’apparition de nouvelles espèces de champignons capables de dégrader rapidement la totalité de la lignine* grâce à des enzymes. Après une longue période sans évolution marquée et une chute de la diversité végétale suite à différentes crises biologiques, les plantes à fleurs, ou angiospermes, font leur apparition au Crétacé (-130 millions d’années) et de nouveaux dépôts de charbons sont enregistrés. Cette évolution des végétaux terrestres conduit inévitablement à des différences dans la nature des charbons humiques déposés au cours des temps géologiques. Les algues étant apparues bien avant les végétaux terrestres, les charbons sapropéliques* peuvent être bien plus anciens et l’on en connaît qui datent du Cambrien (-540 millions d’années), voire du Précambrien (1,8 milliard d’années) comme en Sibérie. Pourquoi fait-il plus frais en forêt ? On comprend pourquoi il fait plus frais en été dans les forêts : il y a l’ombre, certes, qui produit un effet parasol, mais il y a aussi l’évapotranspiration et… le prélèvement d’énergie solaire par la synthèse chlorophyllienne. Énergie solaire pompée par une forêt : en prenant une chaleur latente de vaporisation de l’eau de 540 cal/g et en comptant approximativement qu’une forêt de feuillus évapore 100 tonnes d’eau/ha/jour (les valeurs varient entre 5 et 500, 5 étant pour les résineux). La puissance prise à l’atmosphère est d’environ 3 MW/ha (ce qui équivaut à la puissance de sortie mécanique d’une locomotive Diesel). De fait, quand en hiver nous brûlons une bûche dans la cheminée, c’est le processus inverse qui se produit : le CO2 et l’énergie sont évacués.

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3

Lente (trans)formation

© Musée de Silkeborg

Quand les plantes s’accumulent, leurs composants les plus instables, mobiles chimiquement, s’échappent et se transforment. Les parties plus stables s’entassent, conduisant en quelques siècles ou milliers d’années, à la tourbe* (Fig.  14). Avec le temps, la pression, la chaleur… cette tourbe devint du lignite*, puis de la houille*, voire de l’anthracite*, le carbone devenant le composé de plus en plus majoritaire. Les débris végétaux à l’origine du charbon ont donc subi des transformations plus ou moins complètes et irréversibles, dont le résultat est une déshydratation, un appauvrissement en matières volatiles* et, en parallèle, un enrichissement relatif en carbone d’où le terme de carbonification* pour désigner l’ensemble de ces transformations. Les débris, qui vont s’accumuler dans l’eau et former une litière végétale, ne sont pas à l’abri de bactéries qui vivent sans l’oxygène de l’air. Cette première phase de transformation, biochimique, est appelée tourbification*. Lors de cette dégradation, les bactéries extraient les éléments dont elles ont besoin. Le résidu, principalement composé de carbone et d’hydrogène, commence à s’enrichir relativement en carbone par dégagement de matières volatiles*. Le « gaz des marais » par exemple est du méthane (CH4), issu de la putréfaction des matières organiques en décomposition. Cette phase biologique conduit à la formaFig. 14 • Tête de l’« homme de Tollund ». Ce corps, naturellement momifié, a été trouvé tion de lignites tendres. La phase suivante, phyà Tollunden (Danemark) en 1950 et a été daté de 375 - 210 av. J.-C. La qualité de conserva- sico-chimique, voit un enrition est telle que l’on voit encore nettement la chissement supplémentaire corde qu’il a autour du cou et les poils sur le en carbone du matériel (que menton. De nombreuses autres momies ont été trouvées dans les tourbières* du nord de l’on appelle à ce stade kérogène, cet état étant un interl’Europe. 21

Du vert au noir : le charbon

médiaire entre la matière végétale et le combustible fossile). Des matières volatiles sont encore expulsées avec l’augmentation de température et de pression par ce que l’on appelle la pyrolyse (pyros = feu et lyse = détachement, cassure). Cette augmentation de température se fait avec l’enfouissement (augmentation d’environ 1 °C tous les 30 m). Pour que la pyrolyse commence, vers 60 - 70 °C, le sédiment doit être recouvert d’une couche d’environ 1 500 mètres. Cette lente transformation est appelée houillification ou charbonification*. Avec l’enfouissement, la pression augmente aussi, conduisant au tassement maximum (compaction) des éléments enfouis (Fig. 15). Selon l’importance de la transformation, la teneur en matières volatiles résiduelles peut varier, autrement dit, le degré de houillification varie. On distingue ainsi un certain nombre de catégories de houilles : houille grasse, houille maigre, houille anthraciteuse et anthracite* (pratiquement dépourvue de matière volatile).

Tourbe 50 % C

Lignite 70 % C

Houille

80-85 % C

Anthracite 90-95 % C

Fig. 15 • Termes successifs de la série des charbons. Modifications de la tourbe fraîchement déposée à l’anthracite, fortement transformée par la température, la pression et le temps. Au cours de cette transformation, on assiste à un enrichissement relatif en carbone du fait de la perte des autres éléments chimiques. On constate aussi un changement physique du charbon, depuis des roches brunes et mates à des roches brillantes, plus compactes mais fracturées. 22

3.Lente (trans)formation

De façon simplifiée, la teneur en carbone des charbons (graphite mis à part) est en rapport avec leur âge. La tourbe correspond à des dépôts plus ou moins actuels, les lignites* sont d’âge tertiaire, les houilles* et anthracites* s’étagent du Crétacé inférieur (vers -120 millions d’années) jusqu’aux formations plus anciennes du Carbonifère (vers -300 millions d’années). Un minimum de temps est nécessaire, mais ce n’est pas une condition suffisante. En effet, le charbon du bassin de Moscou par exemple date d’environ 355 millions d’années (Carbonifère inférieur), il est donc plus ancien de près de 40 millions d’années que la houille du bassin du Nord-Pas-de-Calais et pourtant il est resté à l’état de lignite parce que la plateforme russe, stable, ne s’est pas enfoncée suffisamment et n’a alors pas pu accumuler une épaisseur de sédiment suffisante pour permettre la charbonification*.

 ortrait de famille… des plus jeunes P aux plus anciens Tourbe*

© F. Baudin

La tourbe formée par accumulation de végétaux (Fig. 16), essentiellement dans un milieu saturé en eau, forme la majeure partie des sols des tourbières*. La tourbe s’accumule lentement, à raison de 2 à 5 mm par an. Séchée, elle donne un combustible brun à noirâtre qui chauffe moins que le bois et le charbon. Selon leur composition et leur degré d’évolution, on distingue plusieurs types de tourbes : – les tourbes blondes, riches en fibres de cellulose et en carbone, de faible densité, et forte teneur en eau. Elles sont souvent jeunes (3 000 - 4 000 ans) ; – l es tourbes brunes proviennent de la transfor- Fig. 16 • Bloc de tourbe (Irlande, région mation de débris végétaux du Kerry). ligneux (arbres divers) et de La tourbe, constituée de l’accumulation de bruyères. Elles sont com- plantes peu transformées, laisse encore voir posées de fibres mélangées des fragments distincts de tiges et/ou racines. 23

à des éléments plus fins, provenant d’une dégradation plus poussée des végétaux. Elles sont plus âgées que les précédentes (5 000 ans) ; • les tourbes noires proviennent de la transformation de plantes herbacées (laîches, papyrus…). Elles sont riches en particules minérales et organiques fines. Il y a moins de carbone et plus de cendres*. Ces tourbes sont plastiques et moins fibreuses. Une tourbe blonde très ancienne tend à se rapprocher, par certains caractères, de la tourbe noire (10 000 - 12 000 ans).

© P. De Wever

Du vert au noir : le charbon

Fig. 17 • La Tour penchée de Saint-­ Martin à Étampes. Lors de la construction de la tour, à la Renaissance, il est apparu qu’une partie du terrain se tassait sous le poids. La tour penchait et les travaux ont été arrêtés. L’ensemble s’étant stabilisé, avec 1,20 m de décalage avec la verticale, la construction de la tour a été poursuivie verticalement. Elle est localement appelée la « petite Pise du Nord ».

© P. De Wever

La tourbe est gorgée d’eau, si bien que les bâtiments construits sur sols tourbeux ont tendance à la tasser, parfois de façon différentielle, plus d’un côté que de l’autre, ce qui incline certaines constructions (Fig.  17). D’anciennes tourbières* recouvertes par du sable sur des plages normandes ont conduit à l’enlisement de quelques chars et autres véhicules militaires pesants lors du débarquement de juin 1944 (Fig. 18). Fig. 18 • Char Sherman de la Seconde Guerre mondiale. L’un des plus utilisés par les Alliés, ce type de chars a particulièrement servi pour le débarquement de Normandie. En dépit des reconnaissances de terrain effectuées, notamment par la Résistance française, certaines zones tourbeuses masquées par du sable ont été de redoutables pièges pour les lourds blindés, que ce soit sur certaines plages ou dans le marais de Carentan.

24

3.Lente (trans)formation

Quand la tourbe est extraite du sol, elle se dégorge, devient poreuse et peut alors constituer un matériau de construction bien isolant, telle qu’elle fut utilisée en Islande et en Irlande jusqu’au xviiie siècle. Elle a aussi été utilisée comme combustible (voir chapitre 4 « Exploitation » ).

Lignite* © USGS, domaine public

Le lignite est une roche intermédiaire entre la tourbe* et la houille* (Fig. 19). Il est constitué de restes de plantes, d’où son nom, la lignine* étant un des principaux éléments constitutifs du bois, avec la cellulose (voir encadré «  Quelles molécules Fig. 19 • Blocs de lignite (Pliocène de constituent les végétaux ter- Serbie, -4 millions d’années environ). L’aspect végétal est beaucoup moins net que restres ? » chapitre 2). Le lignite est composé de pour la tourbe, mais se distingue quand même encore un peu. 65 à 75 % de carbone. Il est utilisé pour le chauffage et pour produire de l’électricité. Le lignite à l’état naturel contient un grand pourcentage d’eau (50 %). Il est broyé et séché de façon à réduire la teneur en eau à environ 11 %, et pas moins, sinon les volatils, très instables, contenus dans le lignite risquent de s’enflammer tous seuls. Du charbon dans les météorites ? On signale souvent que des substances organiques extraterrestres pourraient être à l’origine de la vie sur Terre. Néanmoins, plusieurs éléments constitutifs du vivant ne sont pas plus le vivant lui-même que quelques briques ne sont une maison. La réputée présence de charbon dans les météorites date du début du xixe siècle. En effet, en 1806, une météorite tombe dans la région d’Alès, dans les Cévennes. Quelques semaines après, le chimiste Louis Thénard observa que la météorite était riche en matière organique similaire à de la tourbe. En mai 1864 tombe la célèbre météorite d’Orgueil (Tarn-et-Garonne) dans laquelle le chimiste français Marcelin Berthelot insiste sur « l’analogie entre la substance charbonneuse des météorites et les matières charbonneuses d’origine organique qui se rencontrent à la surface du globe  ». Ces observations ont fondé ce que l’on appelle aujourd’hui l’exobiologie, c’est-à-dire la recherche de la Vie ailleurs que sur Terre.

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Du vert au noir : le charbon

Houille*

© F. Baudin - A. Lethiers

La houille est le «  personnage  » emblématique de la famille des charbons. Elle fut longtemps appelée charbon de terre en opposition au charbon de bois. Au cours de plusieurs millions d’années, l’accumulation et la sédimentation de débris végétaux dans un environnement de type tourbière* provoquent une modification graduelle des conditions de température, de pression et des conditions chimiques dans la couche qui conduit, par carbonisation, à la formation de composés de plus en plus riches en carbone : la tourbe (vers 50 %), le lignite (55 à 75 %), la houille (75 à 90  %) et l’anthracite (plus de 90 %). Plus la quantité de carbone est élevée, plus la teneur en eau est faible, plus le pouvoir calorifique* est important. Les charbons riches en carbone sont donc des combustibles de meilleure qualité. Les charbons moins riches en carbone sont brunâtres, ternes et friables ; ceux qui sont plus riches sont plus noirs, bril- Fig. 20 • Bloc de houille. lants, plus durs et plus frac- Des fibres végétales ne sont plus visibles et les cassures sont brillantes. turés (Fig. 20).

 nvironnements et conditions de dépôt E des charbons Les sédiments riches en végétaux qui se sont accumulés pour donner des tourbières* puis des charbons ont rapidement été mis à l’abri de la dégradation par enfouissement important. Ce processus est d’autant plus efficace quand le fond du bassin s’abaisse et que les sédiments s’y accumulent. De tels bassins existent par exemple dans des fossés d’effondrement ou à l’avant d’une chaîne de montagnes (Fig. 21). Dans le cas de fossés d’effondrement, les environnements marécageux et lacustres conduisent à des charbons limniques* (du grec limnos = lac). Quand ils 26

3.Lente (trans)formation

© D.R.

sont à l’avant d’une chaîne de montagnes, on obtient des charbons dits paraliques* (du grec paralia = plage). L’intérêt de ces derniers réside dans leurs étendues parfois considérables (de plusieurs centaines à plusieurs milliers de kilomètres carrés), avec des couches assez régulières, mais des veines de charbon assez peu épaisses. C’est le cas des bassins du nord et de l’est de la France, qui étaient alors à l’avant d’une chaîne de montagnes en cours d’érosion : la chaîne hercynienne (qui s’étendait de la Bretagne à l’Allemagne en passant par le Massif central) il y a 310 millions d’années. Ces forêts n’avaient pas encore la diversité que l’on connaît aujourd’hui (les plantes à fleurs n’existaient pas), la végétation était dominée par des fougères arborescentes (lépidodendrons, etc.) et des prêles géantes. Ces plantes ont une croissance très rapide et une durée de vie courte, donc un taux de renouvellement élevé, facilitant l’accumulation de biomasse végétale.

Fig. 21 • Reconstitution d’un paysage de la forêt houillère. Vue d’artiste de ce que devait être le paysage au moment des dépôts qui donneront le charbon du type de celui de la région Nord-Pas-de-Calais. Dans cette forêt tropicale chaude et humide, le milieu devait grouiller de toutes sortes de petits animaux et des insectes devaient bruisser partout, surtout avec des libellules grandes comme des mouettes !

Les charbons de lacs sont moins étendus mais possèdent en revanche des veines parfois plus épaisses. Les bassins de Blanzy-Montceau-lesMines, Saint-Étienne, Decazeville et Graissessac appartiennent à cette 27

Du vert au noir : le charbon

catégorie. Ces bassins du Massif central se sont formés quand la chaîne de montagnes était en « fin de vie ». Avec la décompression, des bassins d’effondrement se sont individualisés. Les charbons sont un peu plus récents que ceux du nord et de l’est de la France, ils ont environ 300 millions d’années (Fig. 22).

Boulonnais is Nord et Pas-de-Cala

Littry Erquy Quimper

e

rr Sa et e n i rra Lalaye Lo

St Pierre-la-Cour Laval Ancenis

Ronchamp

Sincey Autun-Epinac Decize

Vendée

Autunien Stéphanien Westphalien Namurien

Lons-le-Saunier Noyant Blanzy Bert Ahun Lyon Bert Ste Foy Bosmoreau St Eloi Masseix St Etienne Alpes Brassac Alpes Brive internes externes Champagnac Langeac Brianconnais Argentat Figeac Prades La mure Decazeville Commentry

Rodez Gard Requista Carmaux Graissessac Lodève Ibantelly

Plan de la Tour

Reyran

Corbières W. Moltifao Osani

Fig. 22 • Répartition des bassins houillers français et leur âge. Les âges sont donnés en millions d’années (Ma). Les bassins datant du Namurien (-325 – -315 Ma) et du Westphalien (-315 – -307 Ma) correspondent à des charbons déposés en bordure d’un littoral marin (charbons paraliques*) alors que les charbons du Stéphanien (-307 – -300 Ma) et de l’Autunien (-300 – -295 Ma) se sont déposés dans des petits bassins lacustres (charbons limniques*).

Pourquoi des veines de charbon ? La région qui s’étend aujourd’hui du nord de la France à la Lorraine et en Allemagne était située au nord de la chaîne hercynienne en cours d’érosion. Sur les zones planes, sortes de plages qui s’éten28

3.Lente (trans)formation

daient au pied des montagnes, se développait une végétation luxuriante. De grands arbres y poussaient et mouraient. Dans la zone marécageuse s’accumulaient du bois, des feuilles, des racines, dans un gigantesque enchevêtrement comme on en connaît dans les forêts primaires. De temps en temps, le platier sur lequel se développait cette forêt s’enfonçait un peu et se retrouvait sous l’eau, noyant la forêt qui disparaissait alors. Puis, les apports détritiques* (sables et argiles) comblaient cette dépression. La végétation reprenait le dessus, se développait et commençait de nouveau à s’accumuler, jusqu’à ce qu’un autre enfoncement interrompe cette luxuriance. Ces cycles se sont répétés de très nombreuses fois (400 fois pour le bassin houiller du nord de la France), ce qui explique qu’aujourd’hui on observe des veines de charbon séparées par des niveaux de grès* et de schistes* (les sables sont devenus des grès, les argiles* des schistes). On trouve de nombreux restes végétaux : racines, parties de troncs d’arbres, feuilles et même certains troncs en position de vie sont retrouvés en place (Fig. 23 - 26). Les restes de végétaux sont incontestablement les plus nombreux, néanmoins on trouve parfois aussi des éléments d’autres organismes vivants : araignées, libellules, blattes… Une caractéristique des dépôts de charbon est leur aspect rythmé. Un même thème est répété cycliquement, d’où le nom de cyclothème. La répétition des cycles montre qu’en fait la partie qui contient du charbon représente entre 2 et 4  % de la totalité des roches. Pour le bassin du nord de la France par exemple il y a, en cumulé, 45 m de houille* pour une épaisseur totale de roches sédimentaire de 2000 m. Un cyclothème comprend les éléments suivants : 1. sous le charbon, un niveau avec des restes de racines (stigmaria). Il s’agit d’un ancien sol de végétation. Les racines témoignent d’une ancienne forêt en place, qui s’est développée sur une terre émergée, ou presque ; 2. une couche de charbon. Pour que les végétaux se conservent, ces derniers devaient s’accumuler dans un faible niveau d’eau pauvre en oxygène. La forêt se développait pendant environ 100 000 ans pour chaque veine de charbon d’un mètre d’épaisseur, ce qui indique un dépôt très calme (à l’origine, la veine devait représenter environ 12 m de tourbe*) avec peut-être, de temps en temps, des périodes d’émersion ou d’ennoyage plus profond ; 29

Du vert au noir : le charbon Chute du niveau marin

Réinstallation d'une mangrove/tourbière

Temps 3

Futures veines de charbon Montée relative du niveau marin

Temps 2

Migration (rétrogradation) d es t

ourbières Mangrove/tourbière

Temps 1

Plaine d'inondation

Dépôts fluviatiles

Tourbe

Argi les

marin es

Succession visible en mine ou en carrière Grès Conglomérat Argilite / Schiste Cyclothème charbonneux

Veine de charbon Traces de racines (Stigmaria)

Argilite / Schiste Veine de charbon Grès

Fig. 23 • À l’origine des veines. Reconstitution de quelques cycles ayant conduit à l’empilement de veines de charbon dans un bassin de type de celui du nord de la France.

3. des sédiments fins, anciennes argiles*, devenues des schistes*, avec des restes de végétaux assez grands conservés à plats (Fig. 24 et 25), mais plus de racines du tout. L’absence de racines montre que la végétation ne pouvait plus se développer, à cause d’une épaisseur d’eau trop importante 30

3.Lente (trans)formation

(plus de 2 m sans doute). Les beaux fossiles que l’on rencontre, à plat, ont été amenés là après un transport depuis les terres voisines ;

© P. De Wever

4. des niveaux grossiers, anciens sables à galets, puis de plus en plus fins jusqu’à retrouver des niveaux à racines.

© F. Baudin - A. Lethiers

Fig. 24 • Feuille de fougère conservée en ramure dans un grès* du Carbonifère (Musée de Lille).

Fig. 25 • Feuilles d’Annularia. Plante fossile du Carbonifère appartenant au même groupe que les prêles actuelles (équisétales) mais dont certaines espèces pouvaient atteindre 10 m de hauteur. Annularia correspond au feuillage, le tronc étant appelé Calamites. Ici, il s’agit d’un spécimen de petite taille, le trait en haut à droite représentant 1 cm (Collection UPMC). 31

Du vert au noir : le charbon

© P. De Wever

Dans les bassins d’effondrement, ceux connus dans le Massif central par exemple, l’enregistrement est un peu différent. En effet, souvent l’enfoncement est plus rapide, les veines de charbon sont donc plus épaisses. Mais le fond des bassins ne s’enfonce pas partout de la même façon, il se peut qu’un des côtés s’effondre plus vite que l’autre, devenant plus profond. Alors les sédiments, encore relativement plastiques, sensibles à la gravité, s’écoulent en masse, provoquant des ondulations, voire des plis dans l’empilement des couches de tourbe* et de sable (Fig.  26)  – irrégularités que l’on retrouve dans les bassins et qui n’ont pas toujours facilité les prévisions d’exploitation.

Fig. 26 • Série charbonneuse d’un ancien lac instable. Cette ancienne exploitation à ciel ouvert montre un chemin qui barre la photo en son milieu. Ces charbons du Carbonifère supérieur (300 millions d’années) de Graissessac (Hérault) se sont déposés dans un bassin instable qui s’enfonçait plus vers la droite que vers la gauche. Les sédiments montrent donc un mouvement d’écoulement vers la droite.

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3.Lente (trans)formation

 e charbon et le climat : L glaciation et réchauffement climatique

© P. De Wever

De nos jours, le charbon est généralement considéré comme une des causes du réchauffement climatique à cause du dégagement de CO2, gaz à effet de serre, qu’il produit en brûlant. Pourtant, force est de constater qu’il est aussi relié à une glaciation. En effet, la formation de matière organique se fait par consommation de CO2 et, quand le bois est enfoui, du CO2 est soustrait de l’atmosphère. Au Carbonifère (vers -300 millions d’années), l’enfouissement de matière végétale a été tellement important qu’il a provoqué une diminution énorme du Fig. 27 • Fragments de troncs d’arbres taux de CO2 dans l’air, le plus bas que la Terre ait connu restés en position de vie (Calamites). Le tronc de gauche, prélevé, ne laisse que son (Fig. 27). Ainsi, déclarer que empreinte. Celui de droite montre encore les le taux de CO aujourd’hui 2 segments de son tronc. Il s’agissait de sortes est plus élevé que jamais, de très grandes prêles. Ils se situent dans le comme on l’entend parbassin carbonifère de Graissessac (Hérault). fois dans les médias, est une erreur à l’échelle des temps géologiques puisque l’on se situe dans des niveaux parmi les plus bas depuis 500 millions d’années. Il existe, cependant, une remontée rapide actuellement, à l’échelle du temps humain. Le gaz à effet de serre qu’est le CO2 diminuant, la température de la planète a baissé et a fini par conduire à un refroidissement allant jusqu’à des glaciations (Fig. 28). On a émis l’hypothèse que l’enfouissement de grandes quantités de bois est dû au fait que les bactéries et les champignons n’étaient pas encore assez évolués pour être capables de digérer et de décomposer les végétaux ligneux 33

Du vert au noir : le charbon

nouvellement apparus. La lignine* est en effet difficile à décomposer. De plus, les plantes ligneuses de cette période comportaient proportionnellement beaucoup plus d’écorces que de bois. Les écorces devaient comporter entre 40 et 60 % de lignine. La lignine n’est pas soluble, elle peut rester dans le sol pendant des centaines d’années et inhiber la décomposition d’autres substances végétales, bref permettre la conservation. L’intense activité photosynthétique, donc accompagnée d’une forte production d’oxygène, a pu conduire à un surplus d’oxygène dans l’air au Carbonifère. Ces taux élevés d’oxygène, jusque près de 30 % (contre 21 % aujourd’hui) sont une des causes avancées au gigantisme de certains organismes : libellules de 70 cm d’envergure, scorpions de 75 cm, mille-pattes de 2 m de long, amphibiens ; pour tous ces organismes, la taille est inversement corrélée à leur capacité à absorber de l’oxygène. Périodes glaciaires majeures

chaud froid

Ordovicien

30

PermoCarbonifère

Jurassique supérieur/ Crétacé inférieur Néogène

25

% O2

20 15 10 5 0

RCO2 Niveau actuel de CO2

-5 600

Camb. Ord. S. Dévo. 500

400

Carb. Perm. Trias 300

Jura.

200

Crétacé 100

Pal. N. 0

Âge en millions d'années

Fig. 28 • Évolution de la température et du taux de CO2 depuis 600 millions d’années. La courbe noire donne la quantité de CO2 par rapport au niveau actuel. On constate que la quantité de CO2 a souvent été 5 à 10 fois plus importante qu’aujourd’hui, allant jusqu’à être 25 fois plus importante il y a environ 500 millions d’années (modèle Geocarb de Berner, 2007). Deux des quatre périodes glaciaires sont directement liées à des taux bas de CO2 : au Carbonifère, époque du dépôt de charbon, et récemment (à l’échelle géologique), depuis 35 millions d’années. On constate également que lorsque la forêt du Carbonifère s’est développée, elle a produit une grande quantité d’oxygène, avec des concentrations pouvant atteindre 29 % des gaz atmosphériques contre 21 % actuellement. 34

4

Exploitation

Depuis quand utilise-t-on le charbon ? Les charbons sont exploités depuis la plus haute Antiquité, et pas toujours en tant que matériau énergétique. En effet, on connaît des perles de jais* datant du Néolithique et des pendeloques de lignite* du Paléolithique (voir chapitre « Charbon et Art », Fig. 59). À l’aune de l’humanité, l’exploitation de la houille* comme source d’énergie est relativement récente ; elle était inconnue 3000 ans avant notre ère, alors que l’homme exploitait certaines autres richesses du sous-sol. D’après le philosophe grec Théophraste (-371 à -288 avant J.-C.), les forgerons grecs l’employaient dès le ive siècle avant notre ère. Le charbon était déjà utilisé en Gaule à l’époque de la conquête romaine. À cette époque, seuls les Gaulois et les Chinois exploitaient le charbon. Mais il faut attendre les ixe et xe siècles, pour que l’usage du charbon entre dans les mœurs en Europe occidentale ; alors la « pierre qui brûle » devient le charbon « de terre » par opposition au charbon de bois. Une charte de Petersborough, datée de 853, en fait état pour la première fois. Les amorces de son extraction sont datées de l’an 1000 en Saxe et de 1049 en Belgique. En France, un document officiel en porte mention en 1201. Le droit d’ouvrir une mine de charbon est devenu l’une des prérogatives de la féodalité. Elle est déjà un enjeu économique comme en témoigne, au xiiie siècle, l’attribution de quota par l’évêque de Cambrai à une abbaye du Hainaut (Belgique).

Extraction industrielle Une véritable extraction n’a commencé qu’au xive siècle quand l’emploi du charbon s’impose partout où il affleure, car l’existence d’un gisement ne pouvait être décelée qu’aux rares endroits où la couche, dénudée par l’érosion, apparaissait à la surface du sol. On exploite alors ces couches à Saint-Étienne, au Creusot, à Alès, à Graissessac, à Commentry et à Carmaux. Henri IV se penche sur la condition sociale du mineur et il prescrit d’entretenir dans chaque mine un poste de secours « afin que 35

Du vert au noir : le charbon

l’usage du charbon se développât ». Un médecin allemand, Agricola, publie des ouvrages pour apprendre aux hommes à exploiter, en profondeur, les richesses minérales. En attendant, on exploite donc les « affleurements » en s’avançant peu dans la couche lorsqu’elle est située à flanc de coteau, ou bien on creuse des puits, trous de quelques mètres de profondeur équipés d’un treuil en bois. Les mineurs sont des paysans grattant leurs champs pour arracher du combustible. Au xviie siècle, la prospection du sous-sol dans le royaume de France se heurte partout à l’hostilité superstitieuse des populations. Mais, dès le xviiie siècle, des radeaux construits au bord de l’Allier et chargés du charbon d’Auvergne et de tonneaux de vin vont jusqu’à Paris où tout est vendu  : charbon, vin et bois des radeaux. D’abord simple concurrent du bois, le charbon voit peu à peu son exploitation s’intensifier avec le déboisement progressif des pays d’Europe occidentale. Au xixe siècle, la mise au point de la machine à vapeur permet d’améliorer grandement les techniques d’extraction avec des treuils plus puissants et des pompes à eau qui permettent de maintenir les galeries au sec. L’exploitation du charbon s’intensifie, ce qui va permettre l’explosion industrielle et marquerait, pour certains, Fig. 29 • Hiercheuse. le début de l’Anthropocène Ces ouvrières de la mine ont beaucoup inspiré le peintre Constantin Meunier. (Fig. 29).

36

4.Exploitation

Charbon et Anthropocène : une nouvelle une ère géologique ? En géologie, comme en biologie ou en histoire, la position des limites est un sujet de controverses. L’échelle des temps géologiques découpe l’histoire de la Terre, en une succession de durées hiérarchisées appelées ères, système, série, étage… marquées fondamentalement par les grandes crises de la biodiversité ou, plus récemment, par l’apparition d’espèces (voir échelle des temps, p. 6). Chacune de ces périodes dure plusieurs millions d’années et toute modification est gérée par une instance scientifique internationale. En 2006, la Société géologique de Londres2 a voulu ajouter une subdivision en distinguant l’émergence de la société industrielle comme force géologique. Ils invoquent la Terre entrée dans « un intervalle stratigraphique sans précédent comparable au cours des derniers millions d’années ». En plus de l’accumulation de gaz à effet de serre, ils évoquent la transformation humaine des paysages qui « dépasse maintenant sensiblement la production sédimentaire naturelle », ainsi que l’acidification des océans et la destruction du vivant. Aucune autre instance internationale de géologues n’a retenu cette proposition, mais elle fait florès dans les médias. Le terme « Anthropocène » (anthropos = humain et cenos = qui se voit, c’està-dire empreinte visible de l’Homme) a été cité pour la première fois par le journaliste Andrew Revkin en 1992 qui présupposait que les activités anthropiques seraient devenues la contrainte dominante devant toutes les autres forces géologiques et naturelles prévalant jusque-là. Certains scientifiques partisans de cette définition, tels le prix Nobel de chimie Paul Crutzen, font débuter cette époque en 1784, date du brevet de la machine à vapeur par James Watt3, prémices de la révolution industrielle. Mais d’autres dates sont proposées : le début du xxe siècle, la Renaissance, ou même le Néolithique puisque l’homme a alors commencé à brûler beaucoup de bois… Le concept d’Anthropocène semble souligner l’importance globale, mais c’est négliger qu’une ère géologique n’a pas du tout la même durée. Le pas de temps n’est pas comparable. L’ère géologique la plus courte atteint 65 millions d’années, elle est 430 000 fois plus longue ! Personne ne conteste l’influence que l’Homme exerce sur la planète entière, mais cette globalité ne justifie pas l’appellation géologique qui implique une temporalité bien différente. Il n’est donc pas interdit de différencier l’Anthropocène, mais le présenter comme une ère géologique est inapproprié.

2. Cette décision n’a en fait aucune portée car, pour être reconnu, un étage doit être

validé par une commission internationale. 3. La machine à vapeur telle que l’a améliorée et brevetée James Watt, par exemple, résulte d’un long processus d’évolution entre 1765 et 1780 qui a permis de passer d’une machine d’usage limité, au milieu du siècle, à une machine efficace aux nombreuses applications à la fin du même siècle. Ce fut la source d’énergie mécanique de la Révolution industrielle naissante. Elle fut essentielle pour le pompage de l’eau des mines et la remontée du charbon, puis dans les progrès qui ont suivi dans le domaine des transports, comme le bateau à vapeur ou de la locomotive. 37

Du vert au noir : le charbon

Selon le type de charbon, l’usage peut varier car ils ne sont pas tous générateurs de la même quantité de chaleur (Fig. 30). Celle-ci s’exprime en pouvoir calorifique*, c’est-à-dire la quantité d’énergie dégagée sous forme de chaleur par la réaction de combustion par l’oxygène. Il est exprimé en général en kilojoule par kilogramme (noté kJ/kg). Teneur en carbone 50 55

Teneur en eau

75 % 90

Pouvoir calorifique (en kJ/kg)

Usages

Tourbe

12 500

(Combustible traditionnel) Horticulture

Lignite

25 000

Production d'électricité

Houille

32 000 à 37 000

Anthracite

34 000 à 35 000

sub-bitumineux bitumineux

Production d'électricité Cimenteries Autres industries Acieries Usages domestiques et industriels

Fig. 30 • Comparaison entre les différents types de charbons et leurs usages. La teneur en eau diminue en profondeur quand la teneur en carbone augmente.

Quels sont les modes d’exploitation ?

© F. Baudin

Les gisements de tourbe* se trouvent généralement en surface puisqu’ils sont récents. Ils sont donc exploités à ciel ouvert (Fig. 31).

Fig. 31 • Tourbière en exploitation en Irlande (région du Kerry). Les blocs de tourbe sont extraits avec une longue bêche, appelée louchet, et sont mis à sécher sur place (à l’arrière-plan), puis en tas avant d’être évacués. L’aspect souple des blocs montre que le matériau a plus la constitution de la terre que celle d’une roche. 38

4.Exploitation

© D.R.

L’extraction de la tourbe a été l’une des causes de disparition ou de dégradation de nombreuses zones humides, laissant parfois place à de vastes étangs (Fig. 32).

Fig. 32 • Étang du marais de Saint-Omer. En se retirant au ive siècle av. J.-C., la mer a laissé un vaste marécage, réputé autrefois dans la région pour être une zone de « marais impraticable ». Le secteur fut notamment exploité pour ses dépôts de tourbe par Guillaume Romelaëre du xviiie à la fin du xixe siècle.

La tourbe* accumulée depuis des centaines de milliers d’années représenterait à l’échelle de la planète environ 500 milliards de tonnes de carbone, soit environ l’équivalent de soixante-dix ans d’émissions anthropiques. Elle est exploitée en zone tempérée depuis plus de 1 000 ans comme combustible, mais de moins en moins en raison de la dégradation des sols que cette exploitation entraîne. En revanche, la tourbe est toujours exploitée pour l’horticulture. En zone tropicale, certains incendies de tourbières* se prolongent parfois durant plusieurs mois par une lente combustion. Ce problème concerne surtout les forêts d’Indonésie (Bornéo, Sumatra, Java…), dont les sols concentrent 60 % de la tourbe mondiale. Ces forêts de tourbières sont brûlées pour être transformées en terres agricoles pour la culture de l’huile de palme (ensuite exportée pour l’alimentation, les produits de beauté, les biocarburants). En tenant compte de ces rejets, l’Indonésie serait devenue le troisième émetteur de carbone après les États-Unis et la Chine. 39

Du vert au noir : le charbon

© OnkelHolz CC BY-SA 4.0

Les gisements de lignite* sont généralement relativement proches de la surface de la terre, situés à quelques mètres ou dizaines de mètres de profondeur et peuvent constituer des couches de grande étendue. Ces combustibles sont généralement extraits dans des mines à ciel ouvert occupant souvent une surface très importante (Fig. 33). Surtout utilisé pour produire de l’électricité dans les centrales thermiques, le lignite peut servir également au chauffage d’espaces habités et dans certains processus industriels, par exemple la métallurgie ou l’industrie papetière. Compte tenu du faible pouvoir énergétique du lignite, de grandes quantités sont nécessaires et le transport n’est pas rentable sur de longues distances. Les centrales thermiques doivent en conséquence être situées à proximité immédiate des mines.

Fig. 33 • Exploitation de lignite à ciel ouvert (à Welzow, dans la région du Brandebourg en Allemagne).

Les mines à ciel ouvert occupent de grands espaces. Son exploitation en Allemagne a conduit à déplacer des villages, ce qui pose des problèmes d’acceptabilité, même si deux tiers des surfaces sont remises en culture. Le lignite étant par ailleurs riche en sulfure, il cause des pollutions responsables de pluies acides. La teneur en soufre du lignite dépend fortement de l’origine du gisement. Il existe des gisements relativement pauvres en soufre, dont le gisement rhénan fait partie. Les 40

4.Exploitation

mines de lignite sont aussi des sources de radon, impliquées dans la genèse de nombreux cancers du poumon. Les taux peuvent fortement varier selon les lieux et moments. Jusqu’au xixe siècle, la plupart des exploitations de houille* (appelées charbonnages) ne sont que des modestes fosses. Les exploitants travaillent alors sur des terres appartenant à des seigneurs et leur versent une redevance. Ce sont de simples mineurs, mais aussi des marchands et nobles, propriétaires du gisement concerné, ainsi que des apporteurs de capitaux extérieurs au chantier. Pour des problèmes techniques et notamment le pompage de l’eau dans les exploitations souterraines, les puits sont creusés là où les veines de charbon apparaissent en surface. Le matériel est souvent rudimentaire : treuil à bras, ou manège à chevaux actionnant une machine à molette, une chaîne servant à la remontée des paniers de houilles, une baraque servant au maître de fosse et aux ouvriers. Le transport du charbon est réalisé par portage humain jusqu’aux aires de stockage et de vente. Le puits est subdivisé en deux par une cloison de planches. Un compartiment sert à l’extraction, l’autre à la ventilation. La profondeur excède rarement 80 ou 100 mètres. Au-dessus du compartiment de ventilation, un brasero au charbon et une cheminée de brique servent à accélérer l’extraction de l’air. L’eau est remontée par des tonneaux ou par des pompes. La mise au point de la machine à vapeur permet un pompage efficace de l’eau et de remonter de lourdes charges de charbon qui, lui-même, alimente ce type de machine. Le charbon était meilleur marché et beaucoup plus efficace énergétiquement que le bois dans la plupart des machines à vapeur. Les techniques d’extraction à petite échelle n’étaient plus adaptées à la demande croissante au fur et à mesure de l’avancement de la révolution industrielle. On descendait jusqu’à 200 mètres sous terre et extrayait le charbon à la pioche et à la pelle. Le métier était dangereux, les coups de grisou* et de poussier* étaient fréquents. un ennemi gazeux : le grisou* Lors de la maturation du charbon, ou houillification, se forment des gaz, dont le méthane (CH4), qui restent dans les pores ou les microfissures comme « collés » au charbon (adsorbé). Dans certaines circonstances, lors de l’exploitation, le méthane est libéré (formant le grisou). Or, quand il est entre 5 et 15 % dans l’air, le grisou devient dangereux car, en de telles proportions, le mélange air - grisou est très explosif. Ce gaz est donc très redouté des mineurs, d’autant qu’il est inodore. Comme le radon, à très faible dose, il fait partie de l’atmosphère normale des mines profondes et il dégaze d’autant plus que le charbon est fracturé.

41

Du vert au noir : le charbon

© C. Courbois, domaine public

Les explosions, appelées « coups de grisou », ont causé de nombreuses victimes dans les mines du monde entier. Les compagnies minières préviennent les risques par la ventilation des chantiers de taille, puits et galeries, mais il existe toujours un risque de rupture d’une poche de grisou accumulée dans un système de failles. Le charbon contient en général entre 0 et 15 m3 de grisou par tonne de charbon. L’explosion de Courrières en 1906 est la plus importante d’Europe, ayant fait plus de 1000 victimes. Avant l’inven- Fig. 34 • Canari jaune. Cet oiseau a sauvé bien tion des grisoumètres, le mineur emmenait une des vies dans les mines. cage avec un canari comme détecteur de grisou : quand l’oiseau se sentait mal, c’est qu’il y avait trop de grisou dans l’air (Fig. 34 et 35). À côté du canari, les rats, certes moins agréables à côtoyer, étaient observés car cet animal a la capacité de sentir les vibrations annonçant un éboulement et prévenait ainsi les mineurs. Fig. 35 • Lampe de sécurité inventée en 1815 pour le travail en atmosphère grisouteuse. Il fut découvert qu’une flamme enfermée dans un maillage très fin n’enflamme pas le grisou. L’écran joue en outre un rôle pareflamme. Cette lampe était utilisée comme détecteur et outil de quantification de grisou grâce à une jauge de mesure de la hauteur de flamme. En présence de grisou, la flamme grandit et prend une teinte bleutée. Cette lampe pouvait aussi être posée au sol pour détecter une accumulation de dioxyde de carbone (plus lourd que l’air) qui diminue la hauteur de la flamme ou l’éteint lorsque l’oxygène vient à manquer.

Le poussier* : ennemi des mineurs et des utilisateurs Lorsque le charbon est abattu dans la mine et manipulé, il produit de fines poussières de carbone qui restent en suspension et que l’on appelle « poussier ». Le charbon a besoin d’air pour brûler, or, en fine poussière, il présente une grande surface de contact avec l’air, il peut alors s’embraser spontanément et provoquer une explosion. Ce risque est diminué en humidifiant l’air au maximum, ce qui capte les particules. Beaucoup d’explosions ont eu lieu dans les soutes des bateaux de la marine à vapeur, ce qui a poussé le Premier lord de l’Amirauté, Winston Churchill, à équiper les bateaux de marine de guerre britanniques de moteurs fonctionnant au pétrole dès 1911. Toutes les marines du monde suivront cet exemple. 42

© Allan C. Green, domaine public

4.Exploitation

Fig. 36 • Le bateau à vapeur Ozone fonctionnant avec des roues à aubes.

Une mine comportait des éléments sous la terre, la mine elle-même et tout un ensemble de bâtiments en surface, dont les plus connus sont le chevalement, par lequel montaient et descendaient les berlines de charbon et les hommes. Une exploitation, dite aussi charbonnage, fonctionnait au moins avec deux puits (fosses). L’un servait pour l’entrée d’air et l’autre pour le retour. Les galeries partant des puits étaient creusées avec une légère pente qui facilitait le roulage des wagonnets ramenant le charbon des tailles (Fig. 37). terril machine d’extraction

chevalement

puits de retour d’air et accès aux galeries

voie inférieure

ventilateur recette

voie supérieure

puits d’entrée d’air et accès aux galeries

grande galerie taille

ascenseur ou cage

Fig. 37 • Schéma de l’organisation d’un charbonnage. 43

Du vert au noir : le charbon

Les déchets, parties si peu riches en carbone qu’elles ne sont pas rentables, étaient stockés en surface sur le côté, en forme de grands tas généralement coniques : les terrils.

Terrils !

© libre

Un terril* est un tas de « déchets », d’où le nom accessoire de crassier* ou de halde* (Fig. 38). Le nom viendrait de « stériles » qui, par altération, serait devenu « terri » ou « terril ».

Fig. 38 • Figure emblématique de l’exploitation du charbon : le terril. Ces réalisations humaines ainsi que les habitats associés sont aujourd’hui classés au patrimoine mondial de l’humanité. Ici, il s’agit du terril de Harnes, au nord de Courrières (Nord-Pas-de-Calais).

D’abord plats, tant que les pousseurs de wagonnets étaient des humains (en fait, surtout des femmes et des enfants) ou tirés par des chevaux (force animale), les terrils sont devenus coniques avec la mécanisation : les bennes accrochées à un câble déversaient leur contenu en haut du terril. Les déchets ne sont pas inertes. Contenant tout de même une certaine quantité de carbone, ils se consument de l’intérieur et les schistes* noirs et friables deviennent rouges et durs. Ce matériau est aujourd’hui réexploité, notamment comme soubassement de routes ou pour des allées de parcs et jardins. En outre, de nouvelles techniques de lessivage 44

4.Exploitation

© G. Lemoine

par des solvants permettent d’extraire des éléments très recherchés pour les nouvelles technologies (terres rares : tellure, coltan…). Ces terrils ont aussi livré des minéraux uniques, formés par la transformation à haute température de minéraux préexistants (vingt espèces minérales différentes). Comme beaucoup de milieux pollués ou difficiles pour la vie, les terrils sont des milieux uniques pour la faune et la flore pour plusieurs raisons. D’une part, ce sont des environnements qui témoignent d’une recolonisation naturelle  : par le vent, les oiseaux (plumes, fientes). D’autre part, la qualité biologique d’un grand nombre de terrils est un élément essentiel du patrimoine qui justifie leur préservation (zone Natura2000 et ZNIEFF). Les terrils, par leurs caractéristiques morphologiques, climatiques et édaphiques (ces schistes secs ou humides, chauds ou normaux, acides ou normaux), présentent une grande diversité de biotopes, souvent originaux, et abritent donc des organismes exotiques. Outre les graines apportées par le vent ou les échanges commerciaux, ou même les stationnements militaires, certaines des espèces importées viennent des bois, qui contenaient parfois des graines, des insectes ou des champignons… Les bois utilisés au fond de la mine étaient remontés et jetés quand ils devenaient trop abîmés. Selon la source d’approvisionnement au cours du temps, on trouve une zonalité des espèces introduites. Mais certaines espèces sont aussi liées à la particularité du milieu. On n’en donnera ici qu’un exemple  : un champignon mobile (Fig.  39)  ! Cham- Fig. 39 • Champignon mobile des terrils. pignon mobile ? Vous avez Un Astraeus hygrometricus Morgan photographié sur un terril du nord de la France. bien lu ! Il s’agit de l’Astrée hygrométrique (Astraeus hygrometricus Morgan). Il possède une couche externe découpée en lanières, jaunâtres à brunes, plus ou moins foncées. La zone centrale est constituée d’une zone sphérique plus grise, contenant les spores, qui s’ouvre vers le sommet à maturité. Son caractère à réagir fortement à l’humidité lui a donné son nom. Ses lamelles se referment alors pour se rouvrir à la première pluie, ce qui fait qu’au gré des ouvertures et fermetures 45

Du vert au noir : le charbon

ce champignon se déplace4. On le trouve habituellement sur les sols secs du sud de l’Europe. Le fait de le trouver sur les terrils souligne le caractère « chauffant » des terrils. Les terrils sont réputés pour être typiques des paysages du nord de la France. D’abord considérés comme laids, comme des « verrues  », ils ont été revendiqués par les nordistes et font partie du patrimoine mondial de l’humanité depuis juin 2012. Aux yeux de l’Unesco, le bassin minier est désormais reconnu en tant que « paysage culturel évolutif ».

Pour quoi exploite-t-on le charbon ? Chauffage

© F. Baudin - A. Lethiers

En général, le pouvoir calorifique* d’un charbon augmente avec son degré d’évolution (Fig. 40). L’anthracite* dégage trois fois plus de chaleur que la tourbe*. Quand le charbon était la principale source de chauffage des habitations, l’anthracite était donc le plus cher, d’autant plus qu’il se consumait plus lentement, ce qui n’était pas Fig. 40 • Briquettes de lignite*. sans inconvénient d’ailleurs Leur pouvoir calorifique est intermédiaire entre (voir encadré « Pourquoi les celui du bois et celui de la houille. feux à anthracite* ont tué par asphyxie ? »). On pouvait donc, avec des poêles « à feu continu », mettre le feu en veilleuse pour la nuit et le réactiver le matin suivant, alors qu’avec un charbon gras il fallait rallumer le feu tous les matins. Une corvée à la maison, mais aussi pour les écoliers qui, à tour de rôle, venaient avant l’ouverture des classes allumer le feu avec ce qu’il fallait de papier et de bois (l’un des auteurs peut en témoigner…). Les poêles, quel que soit le type de charbon,

4. Nous n’avons pas réussi à savoir si la vitesse de déplacement augmente quand on appuie sur ce champignon…

46

4.Exploitation

donnaient des cendres* qu’il fallait régulièrement enlever, attestant que de la matière minérale est contenue dans le charbon.

L’anthracite est un charbon très «  évolué  », constitué à plus de 90 % de carbone. Une bonne combustion est donc très généreuse en calories. Néanmoins, pour le confort des demeures, des chambres à coucher notamment, on a construit des poêles «  à combustion continue  », dits «  à feu continu », c’est-à-dire générant des feux qui pouvaient chauffer longtemps, jusqu’à 36 heures (Fig.  41). Si le feu n’est pas vif, il est susceptible de produire du monoxyde de carbone et du dioxyde de carbone (le gaz carbonique). Gaz inodores, ils ont provoqué de nombreux décès par asphyxie par temps de brouillard (quand le feu ne « tire » pas bien).

© DR

Pourquoi les feux à anthracite* ont tué par asphyxie ?

Fig. 41 • Poêle à feu continu. Ce type de poêles, à combustion lente, fonctionnant à l’anthracite était dangereux par temps de brouillard.

Enduit imperméable Le charbon gras, de rang inférieur à l’anthracite, est industriellement plus intéressant car sa distillation fournit toute une série de produits chimiques (domaine de la carbochimie). Des charbons gras, de consistance pâteuse, étaient chauffés pour les rendre plus fluides et donnaient un goudron* que l’on badigeonnait sur les bases des murs pour les protéger de l’humidité, alors que le haut était enduit de chaux, ce qui conférait un cachet particulier à beaucoup de maisons du nord de la France et de la Flandre (Fig. 42). Le macadam est une technique d’empierrement des chaussées développée par un ingénieur écossais de la fin du xviiie siècle : John Loudon McAdam, dont le patronyme est ainsi passé dans le langage courant. Par la suite, les chaussées macadamisées ont été enduites de goudron, sous-produit de la distillation de la houille* lors de la fabrication du coke* ou de sa gazéification. En anglais goudron se dit tar… si bien qu’une chaussée macadamisée recouverte de goudron était appelée tarmacadam ou tarmac, terme que l’on emploie encore dans les aéroports. Le goudron de houille a été depuis longtemps remplacé par du bitume, fraction issue du pétrole, mais, par habitude, on continue à parler d’une surface goudronnée. 47

© Lerichard, CC-BY-SA-3.0

Du vert au noir : le charbon

Fig. 42 • Maisons et chapelle du Béguinage, à Bruges (Belgique). Bruges étant la « petite Venise du Nord », on comprend que l’endroit soit humide. Le sous-sol argileux* invite à l’utilisation de la brique, poreuse. Un soubassement imperméabilisé avec du goudron* de charbon est donc le bienvenu.

Machine à charbon Le charbon a beaucoup alimenté les machines à vapeur, les usines, mais il a aussi permis un grand développement des transports, tant pour les bateaux que pour les chemins de fer avec les emblématiques locomotives (Fig. 43). L’inconvénient de cette source d’énergie, à l’usage, était, outre l’épaisse fumée noire, les escarbilles qui obligeaient les « chauffeurs », au sens vrai du terme, à porter des lunettes. À bord des bateaux, l’inconvénient de ce type d’alimentation énergétique était la poussière qui, s’accumulant, provoquait de dangereux coups de poussier, des explosions qui se déclenchaient spontanément (voir encadré « Le poussier », p. 42).

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© K.Dambrosio, CC BY-SA 4.0

4.Exploitation

Fig. 43 • Locomotive à vapeur du train des Cévennes.

Électricité Le charbon est le combustible fossile le plus utilisé dans le monde pour la production d’électricité : il produit plus de 40 % de l’électricité mondiale et de nombreux pays l’emploient encore comme source d’énergie principale, tels la Pologne (94 %), l’Afrique du Sud (92 %), la Chine (77 %) et l’Australie (76 %). Une centrale thermique produit de l’électricité à partir d’une source de chaleur selon le principe des machines thermiques (Fig. 44). Les centrales thermiques au charbon sont les plus répandues dans le monde, notamment dans les pays ayant d’importantes réserves* de charbon (Inde, Chine, États-Unis, Allemagne, etc.). Les améliorations technologiques ont permis de considérablement augmenter leur efficacité, ce qui les rend encore très compétitives, tant en termes de production d’électricité que de diminution des rejets nocifs (particules fines, gaz soufrés…). Aujourd’hui, l’un des défis reste la capture du CO2 car les centrales au charbon demeurent le principal émetteur de gaz à effet de serre au monde : elles émettent deux fois plus de CO2 par kilowattheure produit qu’une centrale au gaz. En France, le charbon n’est plus extrait des mines depuis 2004. Du charbon d’importation reste utilisé pour la production d’électricité d’origine thermique en période de pointe. En 2011, il a représenté environ 2,5 % de l’électricité produite en France et environ 30 % de l’électricité d’origine thermique non nucléaire. 49

Du vert au noir : le charbon

Fumées

2

3 Alternateur

4 Cheminée Arrivée d’air

Vapeur Chaudière

1

Turbine

Pompe

Circuit de refroidissement

5

Eau

Brûleurs

Pompe

Arrivée de combustible

6

Réserve d’eau froide

Fig. 44 • Principe de fonctionnement d’une centrale thermique. Le charbon est brûlé sous une chaudière (1). La chaleur dégagée (2) transforme l’eau de la chaudière en vapeur, qui entraîne une turbine couplée à un alternateur (3) et qui génère de l’électricité (4). En traversant le condenseur (5), refroidi à l’eau, la vapeur se retransforme en eau qui repart vers la chaudière (6).

Gazéification et liquéfaction Le charbon, quand il se forme, produit aussi du gaz : le dangereux grisou* par exemple. Mais ce gaz naturel peut aussi être récupéré. Dans le nord de la France, les installations de la société Gazonor récupèrent ce grisou et le réinjectent dans le réseau de Gaz de France (Engie). C’est aussi un moyen de faire en sorte que des quantités importantes de méthane (gaz à effet de serre important) ne rejoignent l’atmosphère sans être brûlées et transformées en CO2. La société European Gas Limited en Lorraine est la seule en France à mener des recherches de récupération de grisou dans des couches non-exploitées de charbon. La gazéification du charbon consiste, avec un apport d’oxygène, à transformer le charbon en gaz composé de monoxyde de carbone et d’hydrogène, appelé gaz de synthèse ou « syngas ». Ce mélange est en général brûlé pour produire de l’électricité. Il peut également être converti en hydrocarbures liquides. La liquéfaction du charbon consiste en la conversion du charbon en hydrocarbures liquides proches des carburants issus de la pétrochimie. 50

4.Exploitation

Deux familles de procédés existent : – la voie directe consiste en la dissolution de charbon pulvérisé dans le fluide qui tourne en boucle en présence d’hydrogène. Le produit est alors traité et purifié pour l’obtention de naphta et d’un simili-diesel ; – la voie indirecte consiste, dans un premier temps, à gazéifier le charbon. Le gaz obtenu est un mélange de monoxyde de carbone (CO) et d’hydrogène. Deux techniques permettent de le convertir en hydrocarbures liquides : le procédé Fischer-Tropsch, polymérisation en présence de catalyseurs, et la conversion en méthanol, intermédiaire classique du raffinage et de la pétrochimie. Gazogène

© Charles01 CC BY-SA 3.0

Le mot gazogène évoque généralement les voitures de la guerre 1939 1945 et les pénuries de carburants. Pourtant, bien avant la Première Guerre mondiale, des moteurs alimentés au gaz pauvre faisaient déjà tourner les usines et étaient utilisés pour l’éclairage des villes et le chauffage. Les gazogènes étaient alimentés en combustible par des charbons naturels (lignite*, houille*, anthracite*) et par du coke* (houille appauvrie). Les essais avec les gazogènes à bois furent peu concluants et furent abandonnés car le goudron* se solidifiait après refroidissement du moteur et le bloquait. Après la défaite de juin 1940 et la réquisition du carburant par l’armée allemande ainsi que l’arrêt d’importation du pétrole des pays producteurs, la seule solution trouvée pour continuer à rouler fut le gazogène (Fig. 45). Le principe du gazogène est de provoquer une combustion incomplète du bois ou du charbon, en contrôlant l’alimentation en air du foyer, de manière à produire des gaz combustibles tels que le monoxyde de carbone (CO), le dihydrogène (H2) et le méthane (CH4). Dans certains cas, on injecte de faibles quantités d’eau dans l’air de combustion, pour produire de plus grandes quantités d’hydrogène.

Fig. 45 • Peugeot 402B Limousine à gazogène.

51

Du vert au noir : le charbon

Les deux procédés ont été appliqués industriellement en Allemagne, notamment pendant la Seconde Guerre mondiale. Ils connaissent un intérêt variable selon le cours du pétrole car le coût de production est annoncé par les industriels entre 35 et 90 dollars le baril. En dépit de cette extrême variabilité (sans que l’on sache quel est le chiffre correct), il est sûr que cette technique est rentable quand le baril de pétrole dépasse les 100 dollars, ce qui était généralement le cas jusqu’en septembre 2014. L’Afrique du Sud, pour des raisons d’indépendance énergétique, maintient cependant une grande activité en ce domaine : 30 % de sa consommation d’hydrocarbures liquides est du charbon liquéfié.

Coke* L’utilisation de charbon pour le chauffage domestique diminue, en Europe occidentale en tout cas. Le charbon concentré, le coke, est utilisé en sidérurgie. Le coke ou l’anthracite*, mélangés à du minerai de fer, donne la fonte (alliage de fer et de carbone). La fabrication du coke, ou cokéfaction, consiste à porter un mélange de charbon à une température de 1 000 °C. Cette action de pyrolyse libère des gaz qui sont refroidis et traités. Une tonne de charbon donne ainsi : cinq kilos de goudrons*, quinze kilos de benzol et 500 mètres cubes de méthane, envoyé dans le réseau de gaz après l’avoir débarrassé de ses impuretés. Une pyrolyse du charbon chauffé à 700  °C permet de conserver des molécules aromatiques lourdes, les goudrons phénolés. Après traitement, ils servent à fabriquer des insecticides, des fongicides, des antioxydants, des résines utilisées pour accélérer le séchage de vernis ou d’encres. La 3D avant les ordinateurs Aujourd’hui, les reconstitutions 3D (en trois dimensions) sont fréquentes et l’on présente souvent des modèles que l’on peut «  faire tourner  » en manipulant une souris. Avant de bénéficier de ces outils informatiques, les besoins de disposer de visions en trois dimensions étaient les mêmes. Pour juger de la structure générale d’un objet d’étude, ou d’exploitation, on avait donc recours à des moyens différents. La juxtaposition de plaques de verre sur lesquelles étaient dessinées des coupes en était une. Les ingénieurs disposaient alors ces plaques de verre dans de grands meubles vitrés (Fig.46).

52

© Musée Lille

4.Exploitation

Fig. 46 • Table du bassin minier de la région d’Anzin (Nord-Pas-de-Calais). Les plaques de verre sur lesquelles sont dessinées les coupes sont bien visibles (mais pas les couches dessinées, la vue étant trop oblique sur ce cliché). Huit tables reconstituent le bassin houiller à l’échelle 1/10 000e. Elles ont été réalisées par le géomètre en chef de la Compagnie des mines de Lens en 1905. Les coupes N-S indiquent notamment le niveau du sol, les veines repères et les failles. L’espacement des coupes est de 1 km, une indication de profondeur est dessinée tous les 200 m (jusqu’à 2 000 m).

53

5

Ressources / Réserves

Entre 2000 et 2010, la production mondiale de charbon a connu un accroissement de 40 % passant de 4,5 à 6,5 milliards de tonnes (Gt) de charbon extraites chaque année. Sur la même période, l’accroissement de la consommation de pétrole n’a été que de 12 % et celle du gaz naturel de 20 %. Avec un tel rythme de consommation et compte tenu du temps nécessaire pour sa formation (plusieurs dizaines voire centaines de millions d’années), le charbon n’est pas une énergie renouvelable. Il est donc légitime de se demander quelles sont les réserves et à quelle échéance elles seront épuisées. Ressources ou réserves ? De quoi parle-t-on ?

© Croquant CC-BY-SA-3.0 & GFDL

Réserves* : Quantité d’un matériau (eau, pétrole, charbon, minerai…) que l’on peut exploiter techniquement et qui est économiquement rentable. Ressources* : Quantité totale d’un matériau naturel existant dans les couches géologiques, qu’il soit ou non économiquement exploitable. Les réserves sont la part des ressources qui sont techniquement et économiquement exploitables à une date donnée. Afin de faciliter la mémorisation de cette distinction, on peut se dire que lorsque l’on invite des amis, on a toujours une ou deux bouteilles de vin en réserve et que, si l’on en vient à en manquer quand même, on a toujours la ressource d’aller au magasin du coin (Fig. 47).

Fig. 47 • Une cave à vin chez le marchand est une ressource en cas de manque ! 54

5.Ressources / Réserves

Les ressources correspondent au volume total de charbon sur Terre qu’il soit ou non techniquement extractible. Les ressources mondiales, tous types de charbons confondus, pourraient dépasser les 15 000 milliards de tonnes (= 15 000 Gt). Par rapport aux autres combustibles fossiles – gaz et pétrole principalement –, les ressources de charbon sont plus également réparties à l’échelle mondiale (Fig. 48). L’Amérique du Nord, l’Asie/Océanie (notamment la Chine, l’Australie et l’Inde) et la Communauté des États indépendants renferment chacun environ un tiers des réserves* mondiales. Viennent ensuite l’Europe, l’Afrique puis l’Amérique du Sud et le MoyenOrient. La houille* et l’anthracite* sont de loin les formes de charbon les plus abondantes sur Terre alors que le lignite* ne représenterait que 12 % des ressources. Il est à noter que des ressources de charbon sont certainement présentes dans le sous-sol du Groenland et de l’Antarctique (sous la glace) mais qu’il est impossible d’en estimer le volume.

594

688 56

5 920

2 486

CEI

Europe

Amérique du Nord

464 0,1 7,4

Afrique

Amérique 31,8 du Sud

67

380 39 MoyenOrient

3 843 75

Océanie Lignite

Asie

136

Houille + Anthracite Unité : Gtec

(milliard de tonnes équivalent charbon)

Fig. 48 • Ressources mondiales de charbon. La ressource mondiale atteint 15  000 milliards de tonnes équivalent charbon (15 0000 Gtec) et la production annuelle atteint 6,5 Gtec. Au rythme actuel, il y aurait donc pour 2 300 années de consommation. Cependant ce sont des ressources, pas de réserves. Ces dernières assureraient un approvisionnement seulement pour 200 ans.

Les réserves sont la part des ressources économiquement et technologiquement exploitables à un moment donné. On parle souvent de réserves récupérables prouvées : elles correspondent à la part des res55

Du vert au noir : le charbon

sources que l’on peut facilement extraire avec les technologies actuelles et dans le contexte économique présent et attendu. Il s’agit de couches de charbons situées à des profondeurs maximales compatibles avec les moyens techniques d’extraction (c’est-à-dire généralement moins de 1 000 – 1 500 mètres de profondeur) et se présentant sous forme de veines suffisamment épaisses (au minimum 40 à 85 centimètres suivant le type et la qualité du charbon). Ce sont ces réserves prouvées qui sont utilisées pour classifier les pays et bâtir les scénarios énergétiques du futur. À cela s’ajoutent des réserves estimées correspondant à des volumes en place dont l’exploitation est jugée raisonnable dans le futur compte tenu des données géologiques et des techniques disponibles ou en développement. Quoi qu’il en soit, les réserves sont très nettement inférieures aux ressources et ne représenteraient même que 6 % de tout le charbon présent sur Terre. Ceci s’explique par l’existence de dépôts charbonneux trop profondément enfouis pour être exploités ou bien dont les veines sont dilacérées par la tectonique ou trop fines pour permettre

50,8

114 6,6 7,5

Amérique du Nord

130,1 10,9 12,7

n

18%

rbon

Pétrole

ha

140 Gtep ~40 ans

C

z Gaturel

18%

6,5 13 10,5

34,2

Afrique

CEI

11,6 51,5

140 Gtep 60 ans

a

61

Europe

5,3 4

6,9

90,8

5,1 159

Extrême-Orient et Océanie

Moyen-Orient

Amérique du Sud

64% 500 Gtep ~200 ans

Unité : Gtep

(milliard de tonnes équivalent pétrole)

Fig. 49 • Comparaison des réserves mondiales de combustibles fossiles. Les réserves de charbon, pétrole et gaz sont toutes exprimées en Gtep, c’est-à-dire en milliards de tonnes équivalent pétrole. En effet, l’énergie contenue dans une tonne de lignite représente seulement 0,4 tep et celle contenue dans 1 tonne de charbon bitumineux représente 0,65 tep. L’épuisement de ces différentes ressources énergétiques s’échelonne de 40 à 200 ans.

56

5.Ressources / Réserves

une exploitation économiquement rentable, ou encore situées dans des zones difficiles d’accès (montagnes, déserts froids ou chauds) ou trop éloignées des centres de consommation ou d’exportation. Les réserves prouvées fin 2010 sont estimées à 850 Gt de charbon, soit environ 150 à 200 ans de production au rythme de la production de 2007… ce qui représente beaucoup plus que le pétrole conventionnel (40 ans) ou le gaz conventionnel (60 ans) (Fig. 49). Sur ces 850 Gt de charbon, l’anthracite et les charbons bitumineux représentent environ la moitié (430 Gt), les charbons sub-bitumineux 270 Gt et le lignite 150 Gt.

Échanges commerciaux Le lignite est systématiquement consommé dans son pays de production car son faible pouvoir calorifique* rend son exportation non rentable économiquement. Le charbon est majoritairement consommé dans les pays qui le produisent. Seulement 16 % de la production mondiale de houille fait l’objet d’un commerce international contre 30 % pour le gaz naturel et 60 % pour le pétrole. Une autre raison des faibles échanges commerciaux de charbon tient au fait que les pays les plus consommateurs (Chine, ÉtatsUnis, Inde et Russie) sont aussi les plus gros producteurs (Fig. 50).

Russie 78

Canada 29

Pologne 4

États-Unis 37 Venezuela Colombie 74

Chine 53 Indonésie 189

Afrique du Sud 68

Australie 250

Fig. 50 • Échanges commerciaux de charbon en 2007. Les flèches représentent le sens et l’importance des échanges de charbon. Les chiffres sont donnés en millions de tonnes. Le plus gros pays exportateur est, de loin, l’Australie. 57

Du vert au noir : le charbon

© D.R.

La forte demande de charbon, au cours de la décennie 2000 - 2010, consécutive au développement de la Chine et de l’Inde et à la diminution de la production interne des pays européens, a entraîné une hausse des échanges commerciaux de près de 50 %. Alors que les échanges s’élevaient à 600 millions de tonnes (Mt) en 2000, ils ont atteint 905 Mt en 2007 (Fig. 51). Le Japon et la Chine importent principalement du charbon d’Australie et d’Indonésie alors que l’Europe importe du charbon du Venezuela, de Colombie, des États-Unis, d’Afrique du Sud et de Russie. L’énergie qui a permis la révolution industrielle n’est pas prête de disparaître. L’Agence internationale de l’énergie prévoit dans son scénario de référence une augmentation annuelle de 2 % de la demande en charbon pour la période 2010 - 2030.

Fig. 51 • Interminable train transportant le charbon. Ces trains ont fait la réputation d’immenses pays très plats, ici dans l’Ouest américain.

58

5.Ressources / Réserves

Âge des principaux gisements

Âges (Ma)

Les accumulations de charbons s’observent généralement sur des périodes géologiques couvrant plusieurs dizaines de millions d’années. Paradoxalement, alors que le Carbonifère (-360 à -295 millions d’années) tire son nom du charbon, ce n’est pas l’intervalle de temps qui a vu s’en déposer le plus (Fig. 52). En effet, le Carbonifère ne renferme que 13 % des réserves mondiales mais ce sont les premières à avoir été exploitées en Europe et aux États-Unis lors de la révolution industrielle. Le Permien (entre -295 et -245 millions d’années) qui fait suite au Carbonifère est, en réalité, la période la plus riche en charbon avec 30 % des réserves (Afrique du Sud, Russie, Chine). Le Jurassique inférieur (entre -200 et -170 millions d’années) renferme 12 % des réserves (Russie, Australie), le Crétacé inférieur (entre -130 et -100 millions Principales concentrations d’années) concentre Périodes de charbons géologiques 15 % des réserves (États(en % des réserves) Unis, Russie, Chine) et le Tertiaire enfin Tertiaire Amérique du Nord, 25 % (Paléogène, autour de Extrème-Orient 60 millions d’années) 100 Crétacé Amérique du Nord, Russie, 15 % Chine a vu s’accumuler 25  % Jurassique 12 % Russie, Asie, Australie des réserves. On trouve 200 Trias aussi quelques charbons Afrique, Russie, Chine 30 % Permien dans des périodes plus récentes en Australie, en 300 Carbonifère 13 % Amérique du Nord, Europe Europe du Nord et en Dévonien Alaska (vers -5 millions 400 Silurien d’années). Les charbons Pas de charbons plus vieux que le Dévonien car les plantes du Tertiaire étant les plus Ordovicien n’étaient pas encore apparues jeunes, ils sont encore au 500 sur les continents Cambrien stade lignite, donc de moins bonne qualité que les charbons du Carbo- Fig. 52 • Distribution temporelle des réserves de charbon. nifère et du Permien.

59

Du vert au noir : le charbon

Répartition des gisements Les conditions de dépôt favorables à l’accumulation du charbon sont des surfaces planes et bien alimentées en eau, comme on en rencontre actuellement dans les tourbières*. Aujourd’hui, les tourbières couvrent 4 millions de km², soit 3 % de la surface des continents. Quelle que soit la période géologique, ce type d’environnement s’est développé sous des climats tempérés à tropicaux. Or, depuis 300 millions d’années, le climat de la Terre a varié et la position des continents aussi (Fig. 53). En replaçant les charbons dans la position géographique du moment de leur dépôt, on constate que ceux du Carbonifère et du Permien se répartissent autour de l’équateur de l’époque dans la zone climatique tropicale. Les charbons qui datent du Jurassique et du Crétacé (vers -250 à -100 millions d’années) se sont mis en place alors que la Terre était nettement plus chaude qu’aujourd’hui et qu’un climat chaud et humide occupait une zone beaucoup plus étendue, dépassant de beaucoup la position des tropiques actuels. Les charbons du Paléogène (vers -60 à -25 millions d’années) se sont déposés dans des régions moins étendues, souvent dans des deltas formés par l’accumulation des roches érodées, issues de montagnes alors en pleine surrection.

Coût humain de l’exploitation du charbon Malgré les catastrophes de Tchernobyl et de Fukushima, le nucléaire n’est pas l’énergie dont l’exploitation provoque le plus de morts directes ou indirectes dans le monde. Les accidents lors de l’extraction du charbon ne sont pas rares du fait des coups de grisou*, de l’effondrement ou de l’inondation des galeries. En France, l’accident de Courrières, qui a fait plus de 1 000 morts en 1906 dans le bassin minier du Nord-Pas-deCalais, a conduit à une véritable prise de conscience du risque et du bilan humain lié au charbonnage. Aux États-Unis, plus de 100 000 mineurs auraient trouvé la mort dans des accidents au cours du xxe siècle. En dépit de l’amélioration des technologies de production, le nombre de décès aux États-Unis oscille annuellement entre 30 et 50 personnes lors de la dernière décennie. En Chine, selon les statistiques officielles, 2 433 personnes sont mortes en 2011 dans les mines de charbon, mais d’après des sources non gouvernementales le bilan humain serait en réalité beaucoup plus lourd. Il en va probablement de même en Inde. Ainsi, chaque année, entre 10 000 et 15 000 décès seraient directement imputables à l’exploitation du charbon. Par ailleurs, des millions de mineurs 60

5.Ressources / Réserves

Il y a 50 millions d’années

Il y a 160 millions d’années

Il y a 310 millions d’années

Fig. 53 • Position des continents au cours du temps et localisation des dépôts de charbons. Il y a 310 millions d’années (Carbonifère), les charbons se sont principalement déposés au niveau de l’équateur et des tropiques dans des bassins intramontagneux au cœur d’une grande chaîne de montagnes. Il y a 160 millions d’années (Jurassique inférieur), les charbons se sont formés à presque toutes les latitudes dans des zones deltaïques. Il y a 50 millions d’années (Paléogène), les charbons se sont accumulés à toutes les latitudes dans de grandes plaines marécageuses et dans des deltas au pied des montagnes. 61

Du vert au noir : le charbon

développent des affections respiratoires très handicapantes, voire mortelles à long terme (silicose…). Un ordre de grandeur de 400 000 morts différées par an paraît assez probable à l’échelle mondiale. Les veines de charbon comme piège à CO2 ? Le charbon est un matériau très adsorbant et de nombreux gaz y sont piégés dans des fractures et des trous de très petites tailles (ce que l’on appelle la micro ou nanoporosité). Le méthane est le principal de ces gaz et sa désorption peut entraîner des coups de grisou*. Mais le charbon peut aussi adsorber du CO2 et il a même une affinité plus grande pour ce dernier que pour le méthane. Autrement dit, en présence de ces deux gaz, il relâchera le méthane et adsorbera le CO2 en quantité deux fois plus importantes. On peut donc envisager de stocker du CO2 dans des veines de charbon inexploitables tout en récupérant le méthane ainsi libéré. On parle alors de récupération assistée de méthane de charbon (coal-bed methane ou CBM en anglais), dont la commercialisation permet de compenser une partie des coûts d’injection de CO2. Après des essais en laboratoire dans les années 1990, de nombreuses expériences grandeur nature ont été lancées de par le monde dans les années 2000 afin d’étudier ce procédé. Il s’agit notamment de projets américain et canadien, d’un projet financé par l’Union européenne sur des veines de charbon en Pologne ou encore du projet français CHARCO (2006 - 2010). Toutes les veines de charbon ne sont pas adaptées au stockage du CO2. Seules celles non exploitables représentent des sites potentiels de stockage, car il est inenvisageable de le faire dans d’anciennes mines dont les galeries constitueraient autant de chemins de migration du CO2 vers la surface. De même, il faut s’interdire toute exploitation ultérieure de veines dans lesquelles on aurait stocké du CO2 car il le relâcherait inévitablement dans l’atmosphère. L’une des limitations à ce procédé tient aussi au fait que lorsque le charbon adsorbe le CO2, il a tendance à gonfler et donc à diminuer en perméabilité, voire à devenir imperméable. On estime que la capacité de stockage s’élèverait à environ 40 milliards de tonnes de CO2 à l’échelle mondiale (les activités humaines produisent environ 6,5 milliards de tonnes/an).

62

6

Charbon et art

© P. De Wever

L’exploitation du charbon, notamment dans les mines, était souvent effectuée dans des conditions si difficiles qu’elles n’ont pas manqué d’inspirer bien des œuvres littéraires, cinématographiques ou même picturales. En littérature, les textes les plus célèbres sont bien sûr ceux d’Émile Zola : Germinal, qui traite des conditions de vie des mineurs, constitue le 13e tome de la saga des Rougon-Macquart. Ce livre a d’ailleurs été adapté dans plusieurs films. Il le fut d’abord en 1913, par Albert Capellani, puis en 1962 par Yves Allégret, et encore en 1993 par Claude Berri. À cette occasion d’ailleurs, un chevalement a été ajouté à la palette de ceux existants (Fig. 54).

Fig. 54 • Chevalements de Wallers. Les chevalements témoignent généralement de l’exploitation du charbon, mais pas systématiquement : ici l’un de ces trois chevalements a été construit pour les seuls besoins du film Germinal de Claude Berri (1993), d’après le roman d’Émile Zola.

Dans la littérature, on peut aussi retenir A. J. Cronin qui, dans son roman Sous le regard des étoiles (1937) évoque les risques d’accident dans les mines. Ce roman a aussi été adapté au cinéma par Carol Reed en 1939. 63

Du vert au noir : le charbon

© Jmh2o, CC-BY-SA 1.2

© D.R.

Les Virtuoses est un film britannique de 1996 écrit et réalisé par Mark Herman. Au milieu des années 1990, dans le nord de l’Angleterre, des mineurs se battent contre la fermeture de leur mine, menacée dans le cadre du programme national de suppression des houillères au Royaume-Uni, tout en essayant de sauver leur groupe de brass band. Plus récemment, en 2004, dans le roman Le bal des gueules noires, Daniel Crozes traite aussi du monde de la mine, de ses traditions de lutte, des reconversions industrielles, dans le Massif central cette fois, et d’un groupe qui se retrouve dans la musique. Deux ans plus tard, en 2006, le film L’Affaire Josey Aimes de Niki Caro évoque la difficulté pour une femme de vivre dans le monde très machiste des mines du Minnesota (Fig. 55).

Fig. 55 • Affiche du film L’affaire Josey Aimes.

Fig. 56 • Le Mineur par Constantin Meunier. La statue a été placée sur le pont-passerelle Roi Baudouin à Charleroi (Belgique). C’est une copie de l’œuvre éponyme du Monument du travail de Bruxelles.

De nombreuses chansons ont aussi été consacrées au monde de la mine du nord (en Picard5 le plus souvent) ou du centre de la France. Parmi elles, la plus célèbre reste Les Corons de Bachelet, sortie en 1982. En sculpture, ce sont encore les mineurs qui ont inspiré le plus souvent les artistes (Fig. 56), mais des pièces de charbon elles-mêmes ont parfois été utilisées, dès les temps préhistoriques.

5. Il y a souvent confusion entre un patois et une langue. Ce que l’on appelle « le patois du Nord » serait, de fait, une langue : le Picard, parce qu’il a sa propre grammaire. Cette langue se parle dans le polygone Beauvais-Laon, Charleroi-Calais. 64

6.Charbon et art

Le charbon, la mine, la vie difficile ont aussi inspiré les peintres tels que Van Gogh quand il était dans le Borinage, ou de manière plus gaie Constantin Meunier (Fig. 57) qui représente les femmes et les hommes (Fig. 58). Outre de nombreuses représentations de l’époque industrielle, le lignite était déjà remarqué comme une pierre spéciale dès la préhistoire, en témoignent les plaquettes de lignite du Magdalénien (Fig. 59). Le charbon est aussi une matière qui a été utilisée pour l’art, tels le fusain et le jais.

Fig. 57 • Les hiercheuses par Constantin Meunier (1885). Dans la mine, les hiercheuses étaient les ouvrières chargées de pousser les wagonnets pour l’évacuation du charbon.

Fig. 58 • À la sortie du travail par Constantin Meunier. 65

Du vert au noir : le charbon

© D. Descouens CC BY-SA 4.0

Fusain

© Flopinot, 2012 CC BY-SA 3.0

Parmi les premiers instruments à dessiner de l’humanité, le charbon de bois fut utilisé par nos ancêtres pour réaliser de fascinantes peintures rupestres (Fig. 5). De nos jours, si la feuille de papier a supplanté la roche comme support, le charbon Fig. 59 • Pendeloque en lignite du de bois sert toujours dans les Paléolithique. dessins dits au fusain. Cette pendeloque a été trouvée dans la grotte En fait, le bâtonnet de Marsoulas (Haute-Garonne) et date du appelé «  fusain  » n’est que Magdalénien (Paléolithique supérieur, entre très rarement fabriqué à par- -17 000 et -12 000 ans). Muséum de Toulouse. tir de cette plante ornementale à feuilles sombres et luisantes, portant des fruits rouges. Le bois de saule, de platane, de tilleul ou de vigne a détrôné celui du fusain depuis longtemps. Après carbonisation à l’abri de l’air, les fragments de bois taillés dans ces différentes essences produisent des bâtonnets sous plusieurs épaisseurs et formes. Il existe des fusains à section sensiblement circulaire – conservant presque intactes les formes des branches du bois calciné – que l’on désigne selon leur diamètre par les termes de mignonnette, petit buisson, moyen buisson, gros buisson, gros décor. Ces appellations tendent à disparaître du fait de la commercialisation de fusain à section carrée, façonné à partir de plus grosses branches. Le fusain de platane ou de saule est le plus dur, celui de saule est plus homogène. Le maniement du fusain est fondamentalement différent de celui de la plupart des autres outils permettant de dessiner. Contrairement au crayon, il autorise l’artiste à travailler par retraits sur une base volontairement noircie presque intégralement. Plus il est tendre, plus le fusain rend aisé le retrait si le Fig. 60 • Dessin au fusain papier accroche bien. d’Hector Berlioz vers 1850.

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6.Charbon et art

Pierre noire

© dom public

La pierre noire est un outil de dessin au noir sombre et mat, constitué d’ampélite. Cette roche doit son nom à ampelos (= vigne). Elle était en effet utilisée dans les vignes car la pyrite (un sulfure de fer) qu’elle contient était supposée éloigner les chenilles et les vers. Constituée d’argiles* et devenue un peu schisteuse, la roche contient une grande quantité de carbone (jusqu’à 20 %) qui lui confère cette couleur. La plupart des ampélites venaient de Bretagne et étaient utilisées sous forme de crayon, brut ou entouré de bois, ou de craie rectangulaire. Cette pierre est utilisée pour les esquisses ou pour des dessins plus raffinés (Fig. 61). Elle a été très utilisée pendant la Renaissance, souvent sur papier gris ou brun, et souvent accompagnée de rehauts de gouache blanche, d’encre de Chine sèche ou en lavis. La pierre noire, employée avec la sanguine et la craie blanche, est une technique dite « aux trois crayons ».

Fig. 61 • Achille et Briséis de Giuseppe Cades (Pierre noire). Dessin fait à la plume, encre noire, lavis gris, rehaut de blanc sur papier préparé en 1776. Montpellier, Musée Fabre (Inv. 877-I-8).

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Du vert au noir : le charbon

Jais

© F. Baudin

Le jais est une variété de lignite dure, se prêtant bien au polissage, et donnant un gemme noir brillant à reflets bleu métallique. Les Anciens l’ont appelé lapis gatates car ce matériau était ramassé en abondance à l’embouchure de la rivière Gaïas (ou Gagas) en Asie mineure. De cette appellation découlent les noms qui lui ont été donnés dans différentes langues : en anglais jet, en ancien français gaïet (ceci est peut-être lié à « Gaïette », nom de morceaux de charbon) ou jayet qui a donné jais, en arabe az abache et en espagnol azabache. Les plus anciennes perles de jais connues datent du Magdalénien (-17 000 à -10 000 ans). Dans l’Antiquité, le jais était aussi appelé « ambre noir », à cause de ses propriétés magiques analogues à celles de l’ambre (car, paradoxalement, il brûle avec de l’eau et s’éteint avec de l’huile). Le nord de l’Espagne (Asturies, León) en recèle de nombreux gisements et la ville de Compostelle était réputée dès le xiie siècle pour le travail de ses orfèvres qui vendaient aux pèlerins des souvenirs en jais : coquilles, statuettes de Saint-Jacques, pendentifs, bénitiers, rosaires et chapelets. La production a culminé aux xve et xvie siècles avant de connaître un déclin certain vers le xviiie siècle. En France, au xixe siècle, les bijoux de jais étaient les seuls que l’on pouvait porter lorsqu’on était en deuil d’un proche. Avec les exploitations de charbon au xviiie et au xixe siècles, certains morceaux d’anthracite*, et même de graphite, ont été utilisés comme matériaux substitutifs du jais (Fig.62).

Fig. 62 • Sculptures réalisées dans du graphite provenant de la mine Alibert, en Sibérie orientale. Cette mine, découverte par l’explorateur français Jean-Pierre Alibert en 1845, est un gisement d’une qualité exceptionnelle. Il fut exploité à la fin du xixe siècle pour produire des mines de crayon à papier. Des morceaux ont également été extraits pour réaliser des œuvres d’art, notamment une œuvre offerte en 1895 par Alibert à la Faculté des sciences de Paris. Le bloc photographié, haut de 10 cm, est une petite partie de ce « trésor » (propriété de l’UPMC). 68

6.Charbon et art

Tourbe* et whisky...

© Hajotthu CC-SA-3.0

Le whisky fait partie de ces très anciennes boissons traditionnelles dont les Irlandais et les Écossais se disputent la paternité. En s’installant près des tourbières*, les distillateurs trouvèrent un combustible abondant et facile à extraire, mais aussi un matériau qui allait transmettre ses parfums à l’alcool. La lente combustion de la tourbe est particulièrement appropriée à la dessiccation des grains d’orge germée (le malt) qui rentrent dans la fabrication du whisky. La température ne doit en effet jamais dépasser 70 °C pour préserver les enzymes et levures nécessaires à la fermentation. La fumée odorante de la tourbe transmet aux céréales des arômes spécifiques et parfois insolites, comme lorsque les tourbes littorales contenant quelques algues libèrent des notes iodées. Au moment du brassage, l’orge maltée est moulue et versée dans de l’eau, mais pas n’importe laquelle. Chaque distillerie possède sa source et la composition de l’eau détermine aussi le bouquet du produit final. Une eau légèrement tourbeuse rentrerait dans la fabrication des whiskies les plus forts. Après fermentation et deux distillations, le jeune alcool est mis à vieillir dans des fûts de chêne qui, libérant, eux aussi, lentement des molécules organiques contribuent à donner au whisky sa couleur et son parfum (Fig. 63).

Fig. 63 • Intérieur d’une distillerie de whisky.

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Du vert au noir : le charbon

Le charbon des blasons ou « et pourtant c’est vrai ! » Des blasons présentant des charbons ardents existent (Fig.  64). Il s’agit notamment de celui des Tours de Carbonnières (Corrèze) : elles sont érigées sur un promontoire rocheux au fond d’une vallée entre les rivières de la Bedaine et de la Maronne6. Les Tours de Carbonnières dressent leurs silhouettes dans la verdure. De forme carrée, elles datent du xiiie et du xve siècles. Leur présence montre l’existence de deux familles distinctes sur le rocher : les Carbonnières et les Montal. Les armes des Carbonnières sont aussi visibles au musée de Versailles.

Fig. 64 • Blason des Tours de Carbonnières. Les armes se décrivent de la façon suivante : « D’argent à trois bandes d’azur, accompagné de huit charbons de sables (= noirs) allumés en gueule et posés sur les branches 1-3 et 3-1 ».

© P. De Wever

Le charbon dans l’art… culinaire Quand un produit marque les esprits aussi fortement que le charbon, il n’est pas surprenant, dans notre pays de gastronomie, qu’il soit aussi présent dans la cuisine. On connaît donc, dans le nord de la France, le pâté au charbon (Fig. 65) qui est, de fait, une terrine avec de petites miettes de charbon.

Fig. 65 • Pâté au charbon. Une spécialité de Saint-Amand-les-Eaux élaborée à partir de viandes de poulet, de porc et, bien entendu aussi de genièvre. 6. Tout le monde sait ce qu’est une bedaine, cette partie du corps parfois opulente. Mais

la maronne est, dans le nord de la France, une culotte qui monte parfois fort haut et qui masque, ou soutient… la bedaine ! 70

Fig. 66 • Les gaïettes du Pays noir. Les gaïettes sont des truffes dont l’aspect extérieur, en chocolat noir, évoque ces morceaux de charbon que recevaient les mineurs pour se chauffer.

© F. Baudin

On trouve aussi, dans les confiseries, de la pâte d’amande noire à la poudre de charbon ou les gaïettes du Pays noir (Fig.  66). On pourrait tout aussi bien citer les «  bonbons sac de charbon », des sucreries livrées en petits sacs, ou les Pastilles du mineur (Fig. 67), des coussins de sucre de couleur noire au goût fort qui dégage les bronches grâce aux propriétés rafraîchissantes des extraits de plantes qui le composent : eucalyptus, menthe et anis étoilé.

© D.R.

6.Charbon et art

Fig. 67 • Un bonbon réservé aux mineurs. Les extraits naturels de plantes qui rentrent dans la composition de la « pastille du mineur » procuraient une sensation de fraîcheur, dégageait les voies respiratoires et étaient sensé compenser l’envie de fumer. 71

Charbon et citations « Le charbon se moque des cendres. » « L’amoureux est presque toujours un homme qui, ayant trouvé un charbon ardent, le met dans sa poche croyant que c’est un diamant. » Alphonse Karr « Rester en colère, c’est comme saisir un charbon ardent avec l’intention de le jeter sur quelqu’un ; c’est vous qui vous brûlez. » Bouddha « C’est réunis que les charbons brûlent ; c’est en se séparant que les charbons s’éteignent. » Proverbe bouddhiste « Ni feu, ni charbon ne sont aussi brûlants qu’un amour secret que chacun ignore. » «  Le mal est comme le charbon ; s’il ne vous brûle pas, il vous noircit. » Charles de Leusse « Londres est une ville de brouillards et de charbon de terre : au bout de huit jours, une chemise n’y est plus mettable. » Henri Monnier « Il y a deux sortes d’amis : celui qui donne du charbon quand il neige, et celui qui ajoute une fleur à un massif des fleurs. » Chow Ching Lie « Charbonnier est maître chez soi. »

Proverbe français

« Le passé des femmes, c’est comme les mines de charbon : il ne faut pas pénétrer trop profond, ou alors gare à l’explosion. » Alexandre Dumas père « C’est la chaude loi des hommes - Du raisin, ils font du vin - Du charbon, ils font du feu - Des baisers, ils font des hommes. » Paul Eluard

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Charbon et citations

« Nous pourrions lui donner le ministère de la guerre et nous serions sûrs de l’éviter ; pendant la guerre, il était ministre du charbon et nous n’avons jamais eu de charbon. » Sir Winston Churchill parlant d’un opposant politique « Il semble que la foi du charbonnier soit un peu moins vive depuis la découverte du pétrole. » André Frossard « Il y a détournement de mineurs lorsqu’on préfère les inscrire au chômage plutôt que de les envoyer au charbon. » Philippe Bouvard « De sac à charbon, il ne peut sortir blanche farine. » Proverbe français « L’amour est un charbon qu’il faut éteindre, sinon il met tout le cœur en feu. » William Shakespeare « Je voulus fixer davantage mes pensées favorites, et, à l’aide de charbons et de morceaux de brique que je ramassais, je couvris bientôt les murs d’une série de fresques où se réalisaient mes impressions. » Gérard de Nerval « Le capital du forgeron doit être en charbon. »

Proverbe turc

«  Dans une verrerie, les ouvriers jettent fréquemment de petites quantités de charbon de terre, qui semblent étouffer le feu, mais le raniment, au contraire. Ceci peut s’appliquer aux passions, qu’il convient de remuer modérément pour que l’âme ne s’alanguisse pas. » Jonathan Swift « Vice et vertu sont parents, comme diamant et charbon. » Karl Kraus

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Glossaire Anthracite : variété de charbon, noire et brillante, renfermant 92 à 95 % de carbone, constituant le terme ultime, le plus mature, de la lignée des charbons. Argile : groupe de minéraux issus de la dégradation des feldspaths et des micas, caractérisés par leur structure en feuillets et présentant une taille inférieure à deux micromètres dans les roches. Roche sédimentaire silicatée présentant une structure en feuillets. Les minéraux caractéristiques des argiles sont : chlorite, illite, kaolinite, montmorillonite... Carbonification ou charbonification : Processus par lesquels les accumulations de végétaux se transforment en charbons. Synonyme de houillification. Cendres (Teneur en...) : Proportion des substances minérales (silicates, carbonates, sulfures…) associées au charbon, déterminée après une combustion à 825 °C. Charbon humique  : Charbon stratifié, présentant des bandes parallèles alternativement brillantes et mates, composé de microlithotypes dérivant de différents débris de végétaux supérieurs. Charbon sapropélique  : Charbon pratiquement non lité, peu ou pas fissuré, à la surface mate et à l’éclat légèrement gras, à cassure conchoïdale, formé principalement de l’accumulation d’algues, de spores et de grains de pollen. Les bogheads et les cannel coals sont les principaux représentants des charbons sapropéliques. Coke : Carbone pratiquement pur obtenu par élimination des matières volatiles de la houille dans un four. Utilisé en sidérurgie pour réduire le minerai de fer et le carburer dans un haut-fourneau, ce qui donne de la fonte, précurseur de l’acier. Crassier : synonyme de terril. Détritique : se dit d’une roche qui est issue de la dégradation d’autres roches. Goudron : mélange de liquides visqueux provenant de la condensation des vapeurs de distillation sèche de matières organiques. On désigne les goudrons par leur précurseur : bois, lignite, houille. 74

Glossaire

Grès : roche dure formée par cimentation d’un ancien sable. Les grains sont généralement dominés par le quartz ; le ciment peut être siliceux ou calcaire… Grisou : mélange gazeux inflammable, surtout composé de méthane, qui se dégage dans les mines de charbon. Son explosion provoque un coup de grisou. Halde : amoncellement formé par les déchets et stériles issus de l’extraction du minerai. Synonyme de terril, crassier, verse, terrasse. Houille : troisième terme de la lignée des charbons, entre les lignites et les anthracites dans l’ordre croissant de maturation. Suivant leur teneur en matières volatiles, on distingue des houilles maigres (< 14 % mat. vol.), demi-grasses (12 à 24 %), grasses (18 à 34 %) et flambantes (> 30 %). Les houilles maigres et demi-grasses sont brûlées, les grasses servent à la production du coke, les flambantes sont utilisées en carbochimie. Jais : variété de lignite, noire et brillante, parfois utilisée en bijou-

terie. Synonyme de jayet.

Lignine : polymère phénolique, synthétisé par les plantes vascularisées, qui imprègne les membranes cellulosiques des tissus de soutien et de conduction de la sève. Lignite : du latin lignum (bois). Variété peu évoluée de charbon, contenant environ 75 % de carbone. Les lignites forment le deuxième terme de la lignée des charbons. Limnique (Bassin) : s’applique à des bassins lacustres ou marécageux, souvent riches en dépôts organiques, par opposition aux bassins paraliques. Matières volatiles : proportion massique de produits disparais-

sant au cours du chauffage d’un charbon à une température de 960 °C à l’abri de l’air. Abréviation : MV ou mat. vol.

Paralique (Bassin) : s’applique à des bassins et à leurs sédiments souvent charbonneux, situés en bordure de littoral, par opposition aux bassins limniques. Poussier : particule charbonneuse d’une taille inférieure à 1 mm,

pouvant faire explosion dans les galeries de mine lorsque leur concentration augmente trop fortement dans l’air (coup de poussier).

Pouvoir calorifique : paramètre de classement des charbons en fonction de la quantité de calories dégagées par la combustion d’un gramme de matière. 75

Du vert au noir : le charbon

Réserve : quantité d’un matériau, par exemple de charbon, que l’on peut produire techniquement et économiquement à un moment donné. Ressource : quantité totale d’un matériau naturel existant dans les couches géologiques, qu’il soit ou non économiquement productible. Schiste : roche présentant un débit en feuillets plus ou moins minces suivant des plans de schistosité (plans où les minéraux constitutifs de la roche sont orientés parallèlement les uns par rapport aux autres sous l’influence de fortes pressions). Les schistes sont associés aux zones de métamorphisme. Le terme représente parfois aussi une roche sédimentaire argileuse, alors, les géologues anglophones préfèrent utiliser le terme shale et des francophones pélites. Cette dernière distinction est importante car une roche métamorphique ne peut pas contenir une quantité significative d’hydrocarbures puisque la température lors de la formation de ces roches dégrade ce type de molécules. Il serait donc plus précis de parler de gaz de shale bien que le terme gaz de schiste ait été popularisé. Terril : colline artificielle constituée des déblais extraits d’une mine. Tourbe : roche sédimentaire légère, brunâtre, constituée essentiellement de débris de mousses, formée dans les tourbières. Elle constitue le premier terme de la lignée des charbons, bien qu’étant un combustible d’assez mauvaise qualité (50 % de carbone). Tourbière : milieu lacustre ou marécageux où se développent des sols hydromorphes, à accumulation de matière organique incomplètement dégradée, provenant de plantes hygrophiles. Tourbification ou turbification : processus de formation de

la tourbe qui se produit en milieu anoxique, conduisant à la destruction de la cellulose et à la transformation partielle de la lignine en acides humiques.

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Bibliographie • Baudin F., Tribovillard N. & Trichet J. (2007). Géologie de la matière organique. Vuibert-SGF, 263 p. • De Wever P., David D. B., Néraudeau D. (2010). Paléobiosphère : Regards croisés des sciences de la Vie et de la Terre. MNHN-Vuibert-SGF, 816 p. • Kalaydjian F. & Cornot-Gandolphe S. (2009). La nouvelle donne du charbon. Technip, 206 p. • Mauriaud P., Breton P. & De Wever P. (2013). La faim de pétrole, une civilisation de l’énergie vue par des géologues. EDP science, 223 p. • Pays’âges (2007)... au début, il y avait la forêt : [exposition, Musée d’histoire naturelle], 16 décembre 2007 - 03 août 2008, Musée d’histoire naturelle de Lille, 108 p.

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Index A

centrale thermique 40, 49, 50 champignon 45 char 24 charbon actif 11 charbon d’algues 7 charbon de bois 10, 11 charbonnage 43 charbons humiques 19, 20 charbons limniques 26, 28 charbons paraliques 27, 28 chauffage 46, 52 chauffeurs 48 Chine 55, 58, 60 Churchill Winston 42 climat 33 CO2 33, 34, 49, 50, 62 coke 52 combustible 49 combustion 38 Crétacé 20, 59, 60 Crutzen Paul 37 culinaire 70 cycles 29 cyclothème 29

âge 59 Agricola 36 algues 20 Allemagne 40 ambre noir 68 ampélite 67 Anjou 18 anthracite 8, 21, 22, 23, 38, 46, 47, 52, 55 Anthropocène 36, 37 Antiquité 35 arbres 29, 33 Ardèche 17 asphyxie 47 Australie 58

B bassins houillers 28 bateau à vapeur 43 Béguinage 48 biodiversité 16 biosphère 13 blasons 70 bogheads 7 bois fossile 15 bois pétrifié 16

D Danemark 21 Decazeville 27 diamant 9

C Cambrien 20 cannel coal 7 carbone 8, 9, 23, 26, 52 carbone 14 10 Carbonifère 20, 23, 31, 32, 33, 34, 59, 60, 61 catastrophes 60 cellulose 14

E échanges commerciaux 57 échelle des temps 37 électricité 49 énergie solaire 12 ère géologique 37 78

Index

J

évolution 19 exploitation 38, 60 explosions 48 extraction 36

jais 65 Jurassique 59, 60, 61

L lampe 42 Lascaux 10 libellules 27 lignine 14, 34 lignite 8, 21, 22, 23, 25, 38, 40, 41, 46, 55, 65, 66, 68 liquéfaction 50 locomotives 48

F feuille 18 forêt 20, 29, 34 forêt houillère 27 forêt pétrifiée 15, 16 fosses 43 fossiles 18 fougères 19, 20, 31 fusain 65, 66

M macadam 47 machine à charbon 48 machine à vapeur 36, 37, 41 Massif central 28, 32, 64 McAdam John Loudon 47 météorites 25 méthane 21, 41, 52, 62 Meunier Constantin 36, 64, 65 mines 40, 41, 49, 64, 65 mineurs 35, 36, 64 Montceau-les-Mines 27 Moscou 23

G gaïet 68 gaïettes 71 Gaule 35 gaz à effet de serre 33 gaz carbonique 13 gaz des marais 21 gazéification 50 gazogène 51 Germinal 63 gisements 59, 60 goudrons 47, 52 Graissessac 32, 33, 35 graphite 8, 9, 23, 68 grisou 41, 42, 60 grotte Chauvet 10

N Nord-Pas-de-Calais 23, 53 Nouvelle-Zélande 19

H

O

halde 44 homme de Tollund 21 houille 8, 21, 22, 26, 38, 55 houillification 22

origine 12 oxygène 13

P Paléolithique 66 pâté 70 Pech-Merle 10

I Inde 58 79

Du vert au noir : le charbon

Périodes glaciaires 34 Permien 59, 60 pétrole 13, 57 photosynthèse 12 pierre noire 67 plante 12, 21 plantes carnivores 16 pollutions 40 poussier 42 pouvoir calorifique 38 procédé Fischer-Tropsch 51 puits 41, 43

R rejets nocifs 49 réserves 54, 57 réserves mondiales 56 ressources 54 ressources mondiales 55

S Saint-Omer 39 schistes 44 Sibérie 20 Silurien 19

stockage du CO2 62 synthèse chlorophyllienne 20

T tarmac 47 terrils 43, 44, 45, 46 Tertiaire 59 tourbe 8, 21, 22, 23, 32, 38, 39, 69 tourbes blondes 23 tourbes brunes 23 tourbes noires 24 tourbières 16, 17, 24, 26, 38, 39

V végétaux 7, 14, 16, 18 veines de charbon 28, 30, 41, 62

W Watt James 37 whisky 69

Z Zola Émile 63