L'hélium et l'hydrogène naturel : pourquoi ces deux ressources se trouvent-elles souvent ensemble dans le sous-sol ?
Introduction
Des analyses récentes ont mis en évidence que l’hélium et l’hydrogène naturel peuvent se retrouver simultanément dans certaines formations géologiques [1], alors que ces deux ressources sont habituellement recherchées séparément dans des contextes très différents. Ce phénomène n’est pas isolé : des observations réalisées sur plusieurs continents, indiquent que ces gaz partagent des environnements géologiques communs et peuvent coexister dans certains systèmes souterrains.
L'hélium est reconnu comme un minéral critique en raison de ses applications indispensables dans les secteurs médical, technologique et scientifique, tandis que l'hydrogène naturel représente une source potentielle d'énergie propre dont l’intérêt mondial croît rapidement. Leur présence conjointe suscite un intérêt croissant, car elle repose sur des mécanismes géologiques communs et ouvre la voie à des approches d’exploration intégrées.
Les origines géologiques de l'hélium et de l'hydrogène naturel
L'hélium géologique, connu sous sa forme He-4, est le produit de la désintégration radioactive de l'uranium (U) et du thorium (Th) présents dans les roches de la croûte terrestre, principalement les granites et les schistes riches en matière organique. Ce processus, se déroule sur des centaines de millions, voire des milliards d'années. C'est pourquoi les roches sources de qualité sont généralement précambriennes, c'est-à-dire issues de l'ère archéenne ou protérozoïque, parmi les plus vieilles de la planète.
L'hydrogène géologique, de son côté, peut être engendré par plusieurs mécanismes distincts. Le plus connu est la serpentinisation, soit la réaction chimique entre l'eau et les roches ultramafiques en profondeur. Un mécanisme complémentaire important est la radiolyse de l’eau, par laquelle les rayonnements ionisants émis par les roches riches en uranium et en thorium décomposent les molécules d’eau (H₂O) et libèrent de l’hydrogène moléculaire (H₂).
Dans ces contextes géologiques spécifiques, les conditions sont réunies pour générer simultanément de l’hélium et de l’hydrogène, ce qui explique en partie leur présence conjointe dans certaines formations.
Une cohabitation géologique : le lien entre hélium et hydrogène naturel
La radiolyse : un mécanisme unificateur
Lorsque des fluides circulent dans des roches enrichies en uranium et en thorium, la radiolyse favorise la production d’hydrogène moléculaire, tandis que l’hélium s’accumule progressivement par désintégration radioactive. Ces deux processus peuvent coexister dans un même environnement géochimique, créant des conditions propices à la présence simultanée des deux gaz.
Sous l’effet des gradients de pression et de la perméabilité des formations, ces gaz migrent à travers les fractures et les zones poreuses de la croûte terrestre. Ils peuvent ainsi être transportés sur de longues distances et se retrouver associés dans des systèmes communs, souvent en présence d’azote [1].
Des réservoirs partagés
Après leur formation et leur migration, l’hélium et l’hydrogène naturel peuvent s’accumuler dans des pièges géologiques similaires, tels que les anticlinaux, les failles scellées ou certaines structures stratigraphiques. Dans plusieurs cas, l’azote constitue une composante dominante du gaz et agit comme vecteur de transport, facilitant l’accumulation conjointe des autres gaz. Cette association gazeuse (He + H₂ + N₂) constitue une configuration récurrente dans certains contextes géologiques profonds, en particulier dans des bassins anciens ou des environnements cristallins [2].
Ce que cela signifie pour l'exploration
Cette convergence géologique présente un intérêt pour l’exploration. La détection d’hélium dans un forage peut constituer un indicateur de la présence potentielle d’hydrogène naturel, et inversement. Cela soutient le développement d’approches d’exploration intégrées, dans lesquelles un même programme vise à évaluer simultanément plusieurs gaz d’intérêt. C'est là que réside l'une des opportunités les plus intéressantes de ce secteur émergent : un seul investissement d'exploration peut potentiellement révéler deux ressources à haute valeur stratégique.
Des observations terrain qui confirment cette co-occurrence
Les mécanismes géochimiques décrits précédemment sont appuyés par des observations issues de plusieurs campagnes d’analyse de gaz en profondeur, qui mettent en évidence la présence conjointe d’hydrogène, d’hélium et d’azote dans différents contextes géologiques.
Dans le bassin de Bohai Bay (Chine), des analyses de gaz ont révélé la présence simultanée d’hélium à des concentrations de l’ordre de quelques centaines de ppm (environ 372 ppm) et d’hydrogène atteignant environ 0,34 % dans certaines formations profondes [1]. Ces valeurs, bien que variables, illustrent la coexistence des deux gaz dans des systèmes dominés par l’azote, suggérant une contribution combinée de processus radiogéniques et de circulation de fluides profonds.
Toujours en Chine, le forage scientifique Songke-2, réalisé dans le bassin de Songliao, a mis en évidence des concentrations d’hydrogène particulièrement variables, allant d’environ 1,36 % à 26,89 % selon les profondeurs analysées [1]. Bien que l’hélium n’y soit pas systématiquement rapporté à ces mêmes niveaux, ce type de système illustre le potentiel de production significative d’hydrogène dans des contextes géologiques compatibles avec la présence d’hélium radiogénique.
De manière plus globale, les travaux compilés par Gluyas et al. (2025) indiquent que des concentrations d’hydrogène allant de traces à plusieurs pourcents peuvent être observées dans des environnements riches en uranium et en thorium, souvent en association avec de l’hélium et de l’azote [1]. L’hélium, quant à lui, est généralement mesuré à des concentrations allant du ppm à des niveaux plus élevés dans certains systèmes, en fonction de l’ancienneté des roches et des conditions de piégeage.
Une synthèse indépendante des occurrences de gaz naturels met également en évidence que l’association H₂ – He – N₂ est observée dans une diversité de contextes géologiques, notamment dans des socles cristallins fracturés et des bassins intracratoniques [2]. Ces environnements favorisent à la fois la production de gaz (via radiolyse ou réactions eau-roche) et leur migration à travers des réseaux de fractures profondes.
Ces travaux soulignent également que l’hydrogène détecté dans ces systèmes peut être d’origine multiple (radiolyse, serpentinisation, réactions minérales), tandis que l’hélium est principalement d’origine radiogénique. Leur coexistence dans un même réservoir reflète donc la superposition de plusieurs processus géologiques opérant à différentes échelles spatiales et temporelles [2].
Enfin, il est important de noter que ces systèmes présentent une forte variabilité. Les concentrations en hydrogène et en hélium peuvent fluctuer en fonction de la profondeur, de la structure géologique, de la circulation des fluides et de la capacité des roches à piéger les gaz. Cette variabilité explique pourquoi certaines accumulations présentent des teneurs significatives, tandis que d’autres restent à l’état de traces, malgré des conditions de formation similaires.
Une association qui éclaire les stratégies d’exploration
La co-occurrence de l’hélium et de l’hydrogène naturel dans le sous-sol s’explique par des mécanismes géologiques communs, notamment dans des environnements riches en uranium et en thorium où des processus comme la radiolyse contribuent à leur formation et à leur accumulation. Les observations réalisées dans différentes régions du monde confirment que cette association s’inscrit dans des contextes géologiques récurrents.
La publication de la première carte USGS sur l'hydrogène géologique en janvier 2025 [3], conjuguée aux initiatives de l'IFPEN, de l'AIE et d'autres institutions [4], témoigne d'un changement de paradigme dans la façon dont le monde scientifique et industriel appréhende ces ressources géologiques. Ce que l'on considérait autrefois comme deux secteurs d'exploration distincts converge aujourd'hui vers une approche intégrée, où un même forage peut révéler deux ressources à haute valeur stratégique.
Pour approfondir ces thématiques, les articles de Squatex sur l'hydrogène naturel et sur son potentiel renouvelable offrent des perspectives complémentaires. Vous pouvez également suivre les actualités et publications de Squatex directement sur LinkedIn.
Références
[1] Gluyas, Jon, et al. "Exploring for Hydrogen, Helium and Lithium: Is It as Easy as 1, 2, 3?" Geoenergy, Geological Society of London, 2025. Elsevier, https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S030626192500128X.
[2] "Investigative Research for Occurrences of Hydrogen, Helium, Methane and Associated Gases." PubMed Central, 2025. National Institutes of Health, https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC12963835/.
[3] "USGS Releases Map Identifying Potential Geologic Hydrogen Deposits in the US." S&P Global Commodity Insights, 17 janvier 2025. https://www.spglobal.com/commodity-insights/en/news-research/latest-news/energy-transition/011725-usgs-releases-map-identifying-potential-geologic-hydrogen-deposits-in-the-us.
[4] "Focus on Natural Hydrogen: IFPEN Involved in IEA and DGEC Initiatives." IFP Énergies Nouvelles, 2024. https://www.ifpenergiesnouvelles.com/article/focus-natural-hydrogen-ifpen-involve-iea-and-dgec-initiatives.
