Quel est l’état naturel de l’hydrogène sur Terre?
L’hydrogène représente environ 75 % de la masse de la matière ordinaire visible et près de 92 % des atomes de l’Univers [1][4]. Pourtant, sur Terre, il est rarement présent sous forme de gaz libre. Cette différence s’explique par ses propriétés physiques et chimiques, qui favorisent son échappement vers l’espace ou sa combinaison avec d’autres éléments.
À l’état naturel, l’hydrogène se trouve principalement sous forme liée, notamment dans l’eau et les hydrocarbures, tandis que l’hydrogène moléculaire libre H₂ demeure très rare dans l’atmosphère. Il peut toutefois se former et s’accumuler dans certains environnements géologiques souterrains.
L’hydrogène à l’état naturel : propriétés fondamentales
L’hydrogène à l’état naturel est à la fois l’élément chimique le plus simple et le plus abondant de l’Univers. Sa faible masse et ses propriétés physiques particulières expliquent pourquoi il se comporte différemment dans l’espace, dans l’atmosphère terrestre et dans le sous-sol.
Sous quelle forme l’hydrogène existe-t-il naturellement ?
Une molécule dite diatomique est constituée de deux atomes liés entre eux. Dans les conditions ordinaires, lorsque l’hydrogène est présent sous sa forme élémentaire gazeuse, ses atomes s’associent principalement par paires pour former des molécules de dihydrogène H₂ [1].
À température et pression ambiantes, l’hydrogène moléculaire pur est un gaz incolore, inodore et sans saveur. Il possède la masse atomique la plus faible de tous les éléments [1] et la plus faible densité parmi les gaz [2]. Cette combinaison lui confère une grande légèreté et influence directement sa mobilité dans l’atmosphère terrestre.
Les changements d’état de l’hydrogène ne se produisent qu’à des températures très basses. Son point d’ébullition se situe à -252,87 °C, tandis que son point de fusion atteint -259,14 °C [4]. Il demeure donc gazeux dans les conditions ambiantes habituelles. À 0 °C et sous une pression d’une atmosphère, sa densité est d’environ 0,0899 g/L [4].
Tableau 1 : Principales propriétés physiques de l’hydrogène moléculaire (H₂)
| Propriété | Valeur |
|---|---|
| Numéro atomique | 1 |
| Masse atomique | 1,008 |
| Point de fusion | -259,14 °C (-434,45 °F) |
| Point d'ébullition | -252,87 °C (-423,17 °F) |
| Densité à 0 °C et 1 atm | 0,0899 g/L |
L'élément le plus abondant de l'univers
Ces propriétés physiques exceptionnelles prennent tout leur sens quand on compare la place de l'hydrogène dans l'univers à sa présence sur notre planète.
À l'échelle cosmique, l'hydrogène domine de façon écrasante : il constitue environ 75 % de la masse de la matière ordinaire visible et près de 92 % des atomes de l’Univers [1][4]. Il joue aussi un rôle central dans les étoiles. Au cœur du Soleil, des noyaux d’hydrogène fusionnent pour former de l’hélium, un processus qui libère de grandes quantités d’énergie sous forme de chaleur et de lumière.
Toutetois, sur Terre, la situation est différente.
Pourquoi l’hydrogène libre est-il si rare à la surface de la Terre ?
La faible présence de l’hydrogène libre dans l’atmosphère terrestre s’explique principalement par deux phénomènes. Sa très faible masse facilite son échappement vers l’espace, tandis que sa réactivité chimique favorise son intégration à d’autres composés.
Un gaz léger qui peut s’échapper de l’atmosphère
L’un des mécanismes en cause est appelé échappement de Jeans, du nom de l’astronome James Jeans. Il se produit lorsque certaines particules de la haute atmosphère se déplacent assez rapidement pour dépasser la vitesse nécessaire à leur libération dans l’espace [5].
En raison de sa faible masse, le dihydrogène H₂ fait partie des gaz les plus susceptibles de quitter l’atmosphère terrestre. Lorsqu’une molécule atteint les couches atmosphériques supérieures, elle peut acquérir une vitesse suffisante pour échapper à l’attraction gravitationnelle de la planète [5].
La Terre perd ainsi environ 3 kilogrammes de cet élément par seconde par différents mécanismes d’échappement atmosphérique. L’échappement de Jeans représenterait à lui seul environ 10 à 40 % de cette perte actuelle [5]. Cette quantité reste faible à l’échelle de la planète, mais son accumulation au fil du temps contribue à limiter durablement la concentration de H₂ dans l’air.
Un élément généralement lié à d’autres atomes
L’échappement vers l’espace n’explique qu’une partie du phénomène. Sur Terre, l’hydrogène est bien présent, mais rarement sous forme de gaz H₂ libre. Il ne représente qu’environ 0,5 à 1,0 partie par million de l’atmosphère [3]. Autrement dit, sur un million de molécules d’air, moins d’une molécule est généralement constituée de dihydrogène.
Il est surtout présent dans des composés stables, notamment :
l’eau, sous forme de H₂O;
les hydrocarbures, comme le pétrole et le gaz naturel;
divers minéraux et molécules organiques.
Il n’est donc pas absent de la Terre, mais il est généralement intégré à d’autres molécules. Sa rareté à l’état libre s’explique principalement par sa très faible masse et par sa tendance à réagir avec d’autres éléments.
Cette rareté à la surface ne signifie toutefois pas que le dihydrogène est absent de la planète. Dans certains environnements géologiques, il peut se former, circuler et parfois s’accumuler dans le sous-sol.
L'hydrogène libre existe quand même — mais sous la surface
Si l'hydrogène libre est presque absent à la surface de la Terre, il n'en est pas de même en profondeur. Des observations scientifiques accumulées depuis plusieurs décennies montrent que du H₂ gazeux se forme et circule dans certaines zones géologiques particulières.
Cette présence souterraine est à l’origine d’un intérêt croissant pour l’hydrogène naturel, aussi appelé hydrogène géologique ou hydrogène blanc. Lorsqu’il est produit sans intervention biologique, on parle plus précisément d’hydrogène abiotique. Celui-ci peut notamment résulter de réactions entre l’eau et les roches, de la radiolyse de l’eau ou de certains processus de dégazage profond [7].
Où trouve-t-on de l’hydrogène naturel ?
Des émissions et des concentrations de gaz riche en H₂ ont été observées dans différents contextes sous-marins et continentaux [8]. Ces milieux comprennent notamment :
des dorsales médio-océaniques, où des roches chaudes entrent en contact avec l’eau de mer;
des failles transformantes, le long desquelles deux plaques tectoniques se déplacent l’une par rapport à l’autre;
des marges continentales, situées aux limites des continents;
des contextes intraplaques, à l’intérieur même des plaques tectoniques [8].
des roches ultramafiques, riches en fer et en magnésium, souvent en lien avec des circulations hydrothermales.
Les principales sources géologiques de production de cet hydrogène naturel incluent la serpentinisation de roches mafiques et ultramafiques, la radiolyse de l'eau dans les cratons continentaux (des noyaux anciens et stables de la croûte terrestre), ainsi que le dégazage magmatique ou profond [6][7].
L’hydrogène géologique comme ressource énergétique potentielle
Pendant longtemps, la présence de H₂ dans le sous-sol a été peu étudiée, en raison de sa faible masse, de sa grande mobilité et du manque d’outils de détection adaptés.
La situation évolue aujourd’hui. Les travaux scientifiques cherchent notamment à mieux comprendre les mécanismes de formation, les voies de migration, les conditions de piégeage et la capacité de recharge des réservoirs.
La question de l'état naturel de l'hydrogène, qui semblait purement théorique, prend ainsi une dimension très concrète dans le contexte de la transition énergétique. Cette ressource émergente suscite donc un intérêt croissant pour son potentiel énergétique et sa possible contribution à la décarbonation. Lorsqu’il peut être localisé, caractérisé et produit dans des conditions favorables, l’hydrogène géologique constitue une source d’énergie à fort potentiel, sans émission directe de CO₂ lors de son utilisation. C'est pourquoi Squatex s’intéresse activement à ce domaine, en cohérence avec ses activités d’exploration du sous-sol et de valorisation des ressources énergétiques naturelles.
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Références
[1] Module 1: Hydrogen Properties. U.S. Department of Energy, Office of Energy Efficiency and Renewable Energy, www.energy.gov/documents/fcm01r0pdf.
[2] "Hydrogen." Periodic Table of Elements, Royal Society of Chemistry, www.periodic-table.rsc.org/element/1/hydrogen.
[3] "Hydrogen." Molecule of the Week, American Chemical Society, 22 June 2020, www.acs.org/molecule-of-the-week/archive/h/hydrogen.html.
[4] "Hydrogen." SATHEE CUET Chemistry Notes, Indian Institute of Technology Kanpur, sathee.iitk.ac.in/sathee-cuet/cuet-ug/chemistry/english/study-materials/notes/hydrogen.
[5] Catling, David C. "Our Planet's Leaky Atmosphere." Scientific American, 24 Apr. 2008, www.scientificamerican.com/article/how-planets-lose-their-atmospheres/.
[6] Mao, Shaowen, et al. “Geologic Hydrogen: A Review of Resource Potential, Subsurface Dynamics, Exploration, Production, Transportation and Research Opportunities.” Energy & Environmental Science, vol. 18, 2025, doi:10.1039/D5EE02910D.
[7] "Current Perspectives on Natural Hydrogen: A Synopsis." MESA Journal, Geological Survey of South Australia, Dept. for Energy and Mining, juillet 2022, www.energymining.sa.gov.au/industry/geological-survey/mesa-journal/previous-feature-articles/current-perspectives-on-natural-hydrogen-a-synopsis.
[8] Hao, Yongliang, et al. "The Origin and Occurrence of Natural Hydrogen." Energies, vol. 16, no. 6, article 2400, 2023, MDPI, doi:10.3390/en16062400.
