Comment l'hélium se forme-t-il sous la surface de la Terre ?
Introduction
La grande majorité de l'hélium exploitable dans les gisements de gaz est le résultat de la désintégration radioactive de l'uranium et du thorium dans la croûte terrestre, un processus qui s'étend sur des échelles de temps géologiques.
Bien que sa présence soit diffuse à l’échelle du globe, l’hélium peut atteindre des concentrations significatives dans certains contextes géologiques favorables. Ces accumulations résultent d’une combinaison de facteurs, notamment la production en profondeur, la migration et le confinement, qui permettent la formation de ressources exploitables lorsque les conditions sont réunies. Comprendre son origine est donc essentiel pour évaluer le potentiel d’un territoire d’exploration et pour mieux saisir le rôle de l’uranium et du thorium, qui agissent comme de véritables sources naturelles d’hélium dans le sous-sol.
L'hélium dans la croûte : origine et rareté
L'hélium est produit en continu dans l'ensemble de la croûte terrestre, mais il n’atteint des concentrations exploitables que dans certains contextes géologiques favorables. La formation d’un gisement repose sur la présence d’une source radiogénique suffisante ainsi que sur un système de piégeage efficace [1].
Cette distribution s’explique par les propriétés physiques de l’hélium. En raison de sa très petite taille atomique, ce gaz migre facilement à travers de nombreuses roches. Les formations argileuses, bien qu’efficaces pour retenir certains gaz comme le méthane, ne permettent généralement pas de le confiner durablement. En revanche, des roches très peu perméables, telles que le sel gemme ou l’anhydrite, peuvent agir comme des barrières efficaces et favoriser son accumulation. Dans les environnements où ces conditions sont réunies, l’hélium peut ainsi être conservé et atteindre des concentrations d’intérêt.
Pour aller plus loin : "Comprendre l'hélium : une ressource stratégique"
La désintégration radioactive : le moteur de la production d'hélium
La formation de l’hélium dans le sous-sol repose sur un processus fondamental qui se produit à l’échelle atomique et dont les effets s’accumulent sur de longues périodes. Pour en comprendre l’origine, il est utile d’examiner à la fois les mécanismes microscopiques en jeu dans les roches et leur impact à l’échelle des systèmes géologiques.
Définition : La désintégration radioactive est le processus naturel par lequel un atome instable, comme l’uranium ou le thorium, se transforme progressivement en un atome plus stable en émettant de l’énergie et des particules. Ce phénomène se produit spontanément et s’étend sur des millions à des milliards d’années.
De l'atome à la particule alpha : la physique expliquée simplement
Lors de leur désintégration, plusieurs isotopes radioactifs jouent un rôle clé, notamment l’uranium-238 (²³⁸U), l’uranium-235 (²³⁵U) et le thorium-232 (²³²Th). Au cours de leur transformation, ils émettent des particules alpha, qui correspondent à des noyaux d’hélium-4 (⁴He). Ces noyaux finissent par capter deux électrons dans le milieu environnant et deviennent des atomes d’hélium stables [2].
Pour illustrer ce mécanisme, prenons l'uranium-238 comme exemple. Au cours de sa désintégration complète en plomb-206, cet isotope émet 8 particules alpha, soit 8 noyaux d'hélium, chacun constitué de deux protons et deux neutrons [3]. Une fois expulsé du noyau atomique lors de la réaction, ce noyau d'hélium ralentit, capte deux électrons et devient un atome d'hélium neutre et stable. Ce processus, répété à très grande échelle et sur de longues périodes, conduit à une production continue d’hélium au sein des minéraux.
La production d'hélium à l'échelle de la roche : lente mais cumulative
La quantité d’hélium produite dans une roche est directement liée à sa radioactivité. Plus une roche émet de particules alpha, plus elle génère d’hélium [4]. Ce taux a d'ailleurs été mesuré avec précision : le taux moyen de production locale de ⁴He dans la croûte est estimé à 3,5 ± 1,4 × 10⁻¹³ cm³ STP g⁻¹ roche yr⁻¹ pour une production en état stable d'uranium et de thorium locaux [5]. À l’échelle humaine, cette quantité est presque négligeable. Cependant, sur des millions d’années et dans de grands volumes de roche riches en uranium et thorium, l’hélium s’accumule progressivement et peut atteindre des quantités significatives.
Lorsque les roches sont fracturées, par exemple sous l’effet de la tectonique ou d’activités de forage, l’hélium accumulé peut être libéré plus rapidement dans les fluides souterrains. Dans certains cas, ces libérations peuvent être de 300 à 600 fois supérieures au rythme de production local [5]. Ce comportement montre que l’hélium peut quitter sa roche d’origine, migrer à travers le sous-sol et, lorsque les conditions sont favorables, s’accumuler dans des réservoirs exploitables.
Les roches-sources : quelles géologies génèrent le plus d'hélium ?
Tous les types de roches ne génèrent pas la même quantité d'hélium. Les formations granitiques et métamorphiques anciennes, naturellement enrichies en uranium et thorium, constituent les meilleures "fabriques" d'hélium radiogénique.
Définition : Les roches felsiques (comme les granites et les gneiss) contiennent généralement davantage d’éléments radioactifs, dont l’uranium et le thorium, que les roches mafiques ou basaltiques. Elles constituent ainsi les principales roches-sources d’hélium dans la croûte terrestre.
L’hélium présent dans la croûte terrestre est principalement issu de la désintégration de l’uranium et du thorium. Plus une roche contient ces éléments et plus elle est ancienne, plus elle a eu le temps de produire de l’hélium [1]. C'est ce qui explique pourquoi les terrains précambriens, âgés de plusieurs centaines de millions d'années, sont souvent considérés comme des zones d'intérêt pour l'exploration de l'hélium.
Ainsi, les roches qui présentent un réel potentiel sont celles qui sont à la fois anciennes et enrichies de manière significative en uranium et en thorium. Ce sont ces contextes particuliers qui constituent les principales sources d’hélium à l’échelle géologique.
Des chiffres réels : exemples de bassins avec potentiel hélium quantifié
Des études récentes réalisées sur des bassins sédimentaires en Chine permettent d'illustrer concrètement ces dynamiques avec des données chiffrées.
Dans le bassin d'Ordos, la partie nord présente des teneurs moyennes en uranium de 2,59 µg/g et en thorium de 15,20 µg/g dans les roches de socle, avec une intensité de génération d'hélium de 0,750 × 10⁻⁶ cm³/(Ma·g). La grande épaisseur du socle dans cette région lui confère un fort potentiel de génération d'hélium [6].
Dans les blocs Shixi et Linxing, les teneurs en uranium et thorium varient de manière importante d'un sous-bloc à l'autre, reflétant l'hétérogénéité naturelle des roches-sources. Les volumes d'hélium générés estimés s'élèvent à 4,92–6,94 × 10⁸ m³ pour le bloc Shixi, et à 75,7–110,4 × 10⁸ m³ pour le bloc Linxing [7]. Ces ordres de grandeur illustrent à quel point le potentiel de génération peut varier d'une région à l'autre en fonction de la nature des roches-sources.
Le même processus à l'origine de la chaleur géothermique et du thorium énergétique
La désintégration radioactive de l'uranium et du thorium ne génère pas uniquement de l'hélium. Elle produit aussi de la chaleur. Ce lien souvent méconnu établit une convergence naturelle entre trois domaines d'intérêt pour l'exploration du sous-sol profond : la formation de l'hélium, la géothermie, et le potentiel énergétique du thorium.
Uranium, thorium et potassium : les trois moteurs de la chaleur géothermique radiogénique
La désintégration de ces trois éléments génère une quantité significative de chaleur dans la croûte terrestre, susceptible d'être valorisée pour la production d'énergie géothermique [9]. Les roches felsiques précambriennes, enrichies en uranium et thorium, constituent la principale source de cette chaleur radiogénique dans certaines provinces géologiques [9]. En d'autres termes, les mêmes environnements géologiques qui produisent de l'hélium radiogénique sont également des candidats naturels pour l'exploitation géothermique. C'est là une convergence d'intérêts remarquable pour qui s'intéresse à l'exploration des sous-sols profonds.
Aussi lire : "Géothermie : Une solution durable pour la transition énergétique"
Le thorium : de la roche-source à la ressource énergétique
Au-delà de son rôle dans la production d'hélium et de chaleur, le thorium fait l'objet d'un intérêt croissant en tant que combustible nucléaire. L'Agence internationale de l'énergie atomique (AIEA) rapporte un engouement grandissant parmi ses États membres pour l'utilisation du thorium dans des cycles de combustible nucléaire avancés, notamment en raison de sa disponibilité naturelle, de ses propriétés physiques et de sa résistance à la prolifération [8].
Parmi les principaux atouts du thorium comme combustible, on peut noter son abondance naturelle, ses propriétés thermophysiques améliorées par rapport à l'oxyde d'uranium, sa capacité à fonctionner dans des cycles à haut taux de conversion, ainsi que ses caractéristiques de résistance à la prolifération [8]. De plus, dans les cycles du thorium en circuit fermé, la désintégration radioactive génère non seulement de l'hélium, mais aussi de l'uranium-233 (²³³U), un combustible fissile qui permettrait en principe d'économiser les ressources fissiles naturelles par reproduction [8].
Conclusion
La formation de l'hélium dans le sous-sol est le résultat d'un processus aussi discret que persistant. L'uranium-238 seul produit 8 noyaux d'hélium lors de sa désintégration complète, et ce mécanisme se répète, noyau après noyau, dans des volumes de roche considérables, pendant des centaines de millions d'années.
Ce même processus est également à l'origine de la chaleur géothermique produite dans la croûte terrestre, et le thorium, co-acteur de ce mécanisme, est aujourd'hui étudié comme source potentielle d'énergie nucléaire. Ces trois réalités se rejoignent dans un même environnement géologique, offrant une perspective nouvelle sur la manière dont on peut envisager l'exploration des sous-sols profonds. Ainsi, la compréhension de la formation géologique de l'hélium illustre ainsi une réalité souvent méconnue : l'exploration du sous-sol ne concerne pas un seul type de ressource à la fois.
L'exploration des sous-sols profonds, guidée par une compréhension fine de la géologie, s'impose comme une démarche de plus en plus stratégique pour identifier les ressources qui alimenteront les technologies de demain.
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Références
[1] Brown, A.A. "Formation of High Helium Gases: A Guide for Explorationists." Search and Discovery, article 80115, 2010. AAPG, https://www.searchanddiscovery.com/documents/2010/80115brown/ndx_brown.
[2] "(Uranium-Thorium)/Helium Thermochronology – an overview." ScienceDirect Topics, Elsevier, https://www.sciencedirect.com/topics/earth-and-planetary-sciences/uranium-thorium-helium-thermochronology.
[3] International Atomic Energy Agency. Radioactive Decay Data Tables: A Handbook of Decay Data for Application to Radiation Dosimetry and Radiological Assessments. International Atomic Energy Agency, 1989, https://www-pub.iaea.org/MTCD/Publications/PDF/PUB_DOC_488_web.pdf.
[4] Evans, Robley D. "Alpha-Helium Method for Determining Geological Ages." Physical Review, vol. 65, 1944, pp. 216–222. American Physical Society, https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRev.65.216.
[5] Méjean, Pauline, et al. "Fracturing-Induced Release of Radiogenic ⁴He and ²³⁴U into Groundwater." Water Resources Research, vol. 53, 2017, pp. 5677–5689. Université du Québec à Montréal / AGU, https://archipel.uqam.ca/10472/1/Mejean_et_al_Water_Resources_Research_2017_53_5677-5689.pdf.
[6] "The Characteristics and Helium Generation Potential of Basement Rocks in the Northern Ordos Basin." Frontiers in Earth Science, vol. 13, 2025. Frontiers Media, https://www.frontiersin.org/journals/earth-science/articles/10.3389/feart.2025.1581673/full.
[7] "Effectiveness Assessment and Spatial Distribution of Potential Helium Source Rocks in the Shixi and Linxing Blocks." China Geology and Environment, vol. 53, no. 6, 2025. ResearchCommons, https://cge.researchcommons.org/journal/vol53/iss6/11/.
[8] International Atomic Energy Agency. "Near Term and Promising Long Term Options for Deployment of Thorium Based Nuclear Energy." IAEA Coordinated Research Project T12026, 2017. IAEA, https://www.iaea.org/projects/crp/t12026.
[9] "Radiogenic Heat Production (RHP) Over an Area in SE…" GeoConvention 2024 Abstracts, 2024. GeoConvention, https://geoconvention.com/wp-content/uploads/abstracts/2024/104337-radiogenic-heat-production-rhp-over-an-area-in-s.pdf.
