Chasseurs de trésors

La première étude géologique nationale des États-Unis depuis une génération pourrait révéler des réserves indispensables de minéraux rares.

« Le Maine, vu d’en haut, est un vaste territoire forestier couvrant 90 % de l’État. Cependant, sous cette couche de verdure, se trouvent des formations géologiques variées résultant de la collision entre des îles volcaniques et l’Amérique du Nord il y a des millions d’années.

Il y a deux ans, des avions équipés de capteurs ont cartographié ces régions riches en éléments géochimiques à la recherche de minéraux précieux. Un signal inhabituel a été détecté provenant de la montagne Pennington, à 50 kilomètres de la frontière canadienne. Des géologues ont prélevé des échantillons de roches dans les forêts de pins utilisées par l’industrie papetière, découvrant des gisements renfermant des milliards de dollars en zirconium, niobium et autres éléments essentiels aux technologies électroniques, de défense et d’énergies renouvelables. John Slack, un scientifique émérite de l’United States Geological Survey (USGS), impliqué dans cette étude au Maine, qualifie cette découverte d’exceptionnelle et estime que le potentiel de découvertes similaires s’étend sur toute la région des Appalaches. »

À Washington, D.C., la quête de sources fiables de « minéraux critiques » bénéficie d’un large soutien bipartisan. Ces minéraux, au nombre de 50, sont principalement importés, notamment de pays potentiellement hostiles ou instables. La liste, établie par l’USGS sur ordre du Congrès, inclut non seulement les 17 terres rares, principalement produites en Chine, mais aussi des matériaux plus courants tels que le zinc et le cobalt. Cependant, malgré cette reconnaissance, les États-Unis sont confrontés à un défi majeur : l’absence de cartographie détaillée de leurs propres réserves minérales. Cette lacune découle en partie du déplacement des opérations minières à l’étranger pour éviter les réglementations environnementales strictes du pays. Ainsi, l’exploration des ressources minérales nécessaires pour stimuler l’intérêt des entreprises a été négligée, entraînant un retard dans la connaissance et l’exploitation des ressources minérales nationales.

Pour combler ce vide de connaissances, l’USGS a lancé en 2019 l’Initiative de cartographie des ressources terrestres (Earth MRI). Avec un budget annuel de 10 millions de dollars, l’agence travaille avec les services géologiques des États pour numériser les données et cartographier en détail les terrains prometteurs.

En 2021, la loi sur l’infrastructure bipartite a alloué 320 millions de dollars au programme sur 5 ans. Ces dépenses permettent des vols de reconnaissance et favorisent la géologie économique et la recherche fondamentale. Les découvertes pourraient encourager l’exploitation minière, mais des préoccupations environnementales persistent.

Les sociétés minières, y compris Rio Tinto, s’engagent dans l’initiative Earth MRI en partageant des données et en finançant des vols. Cette approche adopte une méthode « systèmes minéraux », anticipant la localisation des minéraux critiques en fonction de leur formation géologique. Par exemple, la recherche de terres rares pourrait cibler des roches carbonatées ou des sédiments argileux susceptibles de les contenir.

Pour comprendre l’histoire géologique, les scientifiques de l’USGS intègrent diverses sources d’informations, notamment des cartes géologiques et des relevés sismiques. Les survols aériens d’Earth MRI ajoutent des détails avec des outils tels que des magnétomètres pour détecter les minéraux magnétiques et des spectromètres gamma pour repérer les éléments associés aux minéraux critiques. Les altimètres laser et les instruments hyperspectraux fournissent des données sur le relief et les minéraux en surface, permettant une compréhension approfondie de la géologie sous-jacente.

Des haut et des bas

Fort d’un soutien financier de 320 millions de dollars du Congrès, le U.S. Geological Survey finance des campagnes aériennes et sur le terrain pour identifier les roches susceptibles de contenir des minéraux cruciaux pour l’énergie renouvelable et l’électronique, tels que le lithium et les terres rares. La campagne, appelée Initiative de cartographie des ressources terrestres (Earth MRI), constitue la première évaluation majeure de la richesse minérale du pays depuis près d’un demi-siècle. Elle déploie différentes techniques en fonction de la géologie de chaque région.

Géophysique – Indiqué en bleu.

Des avions volant à basse altitude équipés de magnétomètres peuvent cartographier les roches riches en fer cachées dans le sol peu profond. Les spectromètres gamma recherchent la signature radioactive des éléments des terres rares.

Hyperspectral – Indiqué en vert.

Dans l’Ouest aride, où les arbres ne bloquent pas la vue, des vols utilisant un instrument hyperspectral de la NASA chercheront les minéraux caractéristiques dans des centaines de canaux de lumière réfléchie.

Lidar – Indiqué en violet.

Earth MRI contribue à achever des altimètres laser aéroportés topographiques haute résolution, ou lidar. Ces données sont essentielles pour la cartographie géologique et peuvent révéler l’expression de surface des formations terrestres anciennes.

Sur le terrain – Indiqué en beige.

L’agence soutient des campagnes de cartographie sur le terrain menées par des géologues d’État. Elle finance également des études et des enquêtes géochimiques plus larges sur les ressources minérales laissées dans d’anciens dépôts de déchets miniers.

Lors de premières explorations, les avions de l’Earth MRI ont sillonné la Caroline du Nord et du Sud, retrouvant les racines anciennes du paysage. Sous les fermes de tabac de ces États se cachent des plages fossilisées marquant les lignes de côte laissées lors des périodes chaudes entre les âges glaciaires passés, lorsque le niveau de la mer était plus élevé qu’aujourd’hui. Les cartes d’altimétrie laser capturant les reliefs subtils fleurissent avec ces lignes de côte et les paléorivières qui les ont découpées, explique Kathleen Farrell, géomorphologue à la North Carolina Geological Survey. « Il y a beaucoup plus de plaines côtières que ce que l’on pensait. »

Les plages anciennes renferment des dépôts de sables noirs, érodés des montagnes et déposés par les rivières, riches en éléments lourds. En combinant les nouvelles données aériennes collectées par Shah avec la cartographie sur le terrain et les forages réalisés pour échantillonner les sédiments profonds, Farrell et ses collègues espèrent comprendre l’origine des sables de Caroline. Ils veulent savoir comment les plaines côtières se sont assemblées au fil du temps, pourquoi les sables lourds se sont formés uniquement pendant certaines périodes, et d’où venaient ces sables en amont. Les réponses devraient aider les géologues à découvrir de nouveaux gisements de métaux lourds ; des sites similaires dans le nord de la Floride sont parmi les rares sources commerciales de titane aux États-Unis.

Les campagnes aériennes en Caroline du Sud auront un autre avantage, ajoute Shah : elles ont survolé Charleston, collectant des données magnétiques qui, en identifiant les décalages et les déplacements dans les roches souterraines, révèlent les failles sismiques cachées qui se sont rompues lors du séisme de 1886, d’une magnitude de près de 7. Un tel séisme, s’il se produisait à nouveau aujourd’hui, causerait des dommages de plusieurs milliards de dollars.

Les réponses devraient aider les géologues à découvrir de nouveaux gisements de métaux lourds ; des sites similaires dans le nord de la Floride sont parmi les rares sources commerciales de titane aux États-Unis. Les campagnes aériennes en Caroline du Sud auront un autre avantage, ajoute Shah : elles ont survolé Charleston, collectant des données magnétiques qui, en identifiant les décalages et les déplacements dans les roches souterraines, révèlent les failles sismiques cachées qui se sont rompues lors du séisme de 1886, d’une magnitude de près de 7. Un tel séisme, s’il se produisait à nouveau aujourd’hui, causerait des dommages de plusieurs milliards de dollars.

/// Au Nevada, un hélicoptère remorquant une bobine d’induction mesure la résistance électrique du sous-sol tandis qu’un chercheur étalonne les données collectées par un capteur hyperspectral aérien. Au Maine, des géologues utilisent des capteurs pour cartographier la radioactivité des roches. ///

Les études géophysiques en cours pourraient également révéler une ressource peu exploitée : l’hydrogène naturel, un combustible propre. Certains chercheurs estiment que la Terre renferme d’importantes réserves de ce gaz, contrairement à ce que l’on pensait. Les roches volcaniques riches en fer du Rift de Reelfoot pourraient être propices à la production d’hydrogène. Yaoguo Li, géophysicien à l’École des Mines du Colorado, envisage de prospecter ces roches grâce aux données de l’USGS.

Ces études permettront également d’identifier les puits de pétrole et de gaz abandonnés qui fuient des gaz à effet de serre, ainsi que les réservoirs rocheux pouvant stocker du dioxyde de carbone. De plus, elles pourraient cartographier les variations dans les roches radioactives émettant du gaz radon, un danger pour la santé. Par ailleurs, le lithium, utilisé dans les batteries de téléphones et de voitures électriques, pourrait être une ressource critique. Malgré une seule mine aux États-Unis, au Nevada, l’État a le potentiel de devenir un centre international du lithium.

Le lithium est souvent présent dans les roches ignées, formées par le magma cristallisé en profondeur ou la lave refroidie à la surface. De nombreux gisements connus se trouvent dans le nord de l’État, dans la caldeira de McDermitt, formée il y a 16 millions d’années par le point chaud profond actuellement alimentant le Yellowstone. Les eaux de pluie tombant dans la caldeira ou les eaux chaudes venant de la profondeur ont concentré le lithium dans les dépôts d’argile caldériques à des niveaux jamais atteints ailleurs, dans d’autres éruptions du point chaud du Yellowstone.

Carolina Muñoz-Saez, géologue à l’Université du Nevada à Reno, se demande pourquoi cette minéralisation s’est produite. Elle et ses collaborateurs étudient la géochimie du lithium et des argiles pour déterminer si l’élément s’est formé et concentré pendant l’éruption elle-même par de l’eau surchauffée ou si la concentration est venue plus tard, lorsque l’eau a infiltré les roches riches en cendres de la caldeira. La réponse pourrait conduire les géologues vers d’autres gisements tout aussi riches.

Earth MRI a déjà montré que les prospecteurs de lithium ne doivent pas nécessairement se limiter aux caldeiras. Les géologues de terrain ont découvert des roches riches en lithium dans des bassins bordés par des blocs de croûte soulevés par la tectonique. Le Nevada, célèbre pour sa topographie de type « bassin et chaîne », compte de nombreux endroits de ce type, explique Faulds. Mieux encore, les bassins ont tendance à abriter des systèmes de saumure chaude, une source potentielle d’énergie géothermique – une des raisons pour lesquelles le département de l’Énergie (DOE) finance des relevés dans cet État, selon Jonathan Glen, géophysicien à l’United States Geological Survey (USGS).

Juste au sud du Nevada, le DOE a également investi dans des vols de l’USGS au-dessus de la mer de Salton en Californie, qui est étirée par le mouvement des plaques tectoniques nord-américaine et pacifique, laissant la croûte mince et chaude. « Les températures sont vraiment élevées », explique Glen. « Il y a un énorme potentiel géothermique. » Au-delà de la cartographie des gisements potentiels de lithium et des sites géothermiques, les relevés ont également révélé de nouvelles failles à l’extrémité sud de la faille de San Andreas, ainsi que ce qui semble être des volcans enfouis sous la mer de Salton.

Les vols d’Earth MRI utilisant des magnétomètres, des radiomètres et des altimètres laser fournissent des données précieuses sur les formations géologiques et les ressources minières. Les relevés hyperspectraux prévus permettront de détecter des gisements en analysant les réflexions spectrales des minéraux, notamment du lithium et des terres rares. De plus, Earth MRI accélère l’identification des ressources minérales dans les résidus de mines abandonnées, tout en soulignant les défis environnementaux et les questions de développement associés à l’exploitation minière aux États-Unis.

Ces questions sont actuellement abordées au niveau des États. En Nevada, la prospection du lithium est en plein essor, tandis que dans le Maine, des amendements à la loi minière sont envisagés suite à la découverte de gisements de terres rares et de lithium. Les groupes environnementaux adoucissent leur position sur l’exploitation minière des minéraux critiques en raison des exigences de la technologie verte et de la recyclabilité des minéraux utilisés dans les batteries et les éoliennes.