Charbon

La séquence de houillification

Le charbon se forme partout où la production végétale l’emporte sur la décomposition, presque toujours dans des milieux gorgés d’eau et pauvres en oxygène, comme les marécages forestiers, les marais tourbeux et les tourbières côtières. La litière végétale immergée résiste à une dégradation microbienne complète, s’accumule sous forme de tourbe et est enfouie sous de nouveaux sédiments. L’augmentation de la température et de la pression provoque alors l’expulsion progressive d’eau, de méthane, de dioxyde de carbone et d’autres matières volatiles. Ce processus s’appelle la houillification.

Il en résulte une série continue de roches de plus en plus riches en carbone :

Stade	Carbone (% dmmf*)	Pouvoir calorifique (MJ/kg)	Réflectance de la vitrinite Ro (%)
Tourbe	~50–60	~10–15	<0,3
Lignite	60–75	15–19	0,3–0,5
Sub-bitumineux	75–80	19–24	0,5–0,6
Bitumineux	80–90	24–35	0,6–2,0
Anthracite	>90	32–35	>2,0

Réflectance de la vitrinite, soit le pourcentage de lumière réfléchie par une surface polie de vitrinite en immersion dans l’huile, est l’indicateur de maturité de référence de l’industrie du pétrole et du charbon ; elle est aussi très utilisée pour estimer les températures d’enfouissement maximales en analyse de bassin.

Pourquoi autant de charbon s’est formé au Carbonifère

Le Carbonifère (≈359–299 Ma) doit son nom à son charbon. Il a produit, de très loin, plus de charbon exploitable économiquement que n’importe quelle autre période de l’histoire de la Terre. L’explication populaire, répétée pendant des années dans les manuels et les articles de vulgarisation, était l’hypothèse du retard évolutif : les plantes terrestres ligneuses venaient de faire évoluer la lignine (un biopolymère résistant des parois cellulaires), mais les champignons capables de la dégrader n’avaient pas encore évolué, si bien que le bois mort s’est accumulé sans pourrir pendant des dizaines de millions d’années.

Cette hypothèse n’est plus admise. Une étude de 2016 parue dans PNAS, due à Nelsen, DiMichele, Peters et Boyce, a rassemblé des preuves phylogénomiques, géochimiques, paléontologiques et stratigraphiques qui la réfutent [4] :

• Bon nombre des plantes dominantes qui ont formé le charbon au Carbonifère, en particulier les lycopsides géants comme Lepidodendron et Sigillaria, étaient constituées surtout de tissus de périderme pauvres en lignine, et non de bois riche en lignine.

• Les données fossiles et phylogénomiques indiquent que des champignons dégradant la lignine, et d’autres microbes capables de l’attaquer, étaient presque certainement présents tout au long du Carbonifère.

• Une Terre sur laquelle la lignine ne se serait tout simplement pas décomposée aurait produit des déséquilibres de l’oxygène atmosphérique et du cycle du carbone en complète contradiction avec les archives géologiques.

Le consensus actuel est que l’accumulation du charbon au Carbonifère reflète la coïncidence de conditions tectoniques et climatiques : des collisions continentales qui ont créé de vastes bassins équatoriaux de faible relief lors de l’assemblage de la Pangée ; un climat de serre humide, ponctué de cycles glacio-eustatiques du niveau marin qui ont noyé puis exondé à plusieurs reprises les marécages côtiers ; et l’extension de vastes zones humides productrices de tourbe sur ce qui est aujourd’hui l’est de l’Amérique du Nord, l’Europe occidentale et une partie de la Chine. Le charbon ne s’est pas accumulé parce que rien ne pouvait le faire pourrir. Il s’est accumulé parce que les bonnes plantes ont poussé aux bons endroits au bon moment.

Le charbon se classe selon son rang, c’est-à-dire son degré de métamorphisme, et non selon sa « qualité ». La qualité est une notion distincte, qui décrit la pureté (teneur en matières minérales et en soufre). La norme américaine ASTM D388-19a répartit les charbons en quatre classes de rang à partir du carbone fixe (pour les charbons de rang élevé) et du pouvoir calorifique supérieur (pour les charbons de rang inférieur), tous deux calculés sur une base exempte de matières minérales.

Tourbe (précurseur)

Ce n’est pas techniquement du charbon, mais le matériau de départ. La tourbe actuelle s’accumule à raison d’environ 0,5–1 mm par an. Produire une veine de charbon de 10 mètres suppose donc des dizaines de milliers d’années d’accumulation continue, avec un rapport de compaction de la tourbe au charbon de 7:1 à 10:1 selon le rang final.

Lignite (« charbon brun »)

Le charbon de plus bas rang. Tendre, friable, il conserve souvent une structure végétale visible. Pouvoir calorifique de 15–19 MJ/kg. Sa forte teneur en humidité (30–60 %) rend le transport sur longue distance non rentable ; le lignite est donc généralement brûlé dans des centrales situées à la mine. Principaux producteurs : Allemagne (bassin de Rhénanie), Grèce, Australie (vallée de Latrobe) et certaines régions de Chine.

Charbon sub-bitumineux

Noir à noir mat, avec une teneur en carbone de 75–80 % sur base sèche exempte de matières minérales. C’est le rang dominant dans le bassin de la Powder River (Wyoming et Montana), qui produit environ 40 % du charbon des États-Unis et constitue ainsi l’une des plus grandes sources uniques de charbon thermique au monde.

Charbon bitumineux

Le rang le plus important sur le plan économique. Dur, rubané et très variable : la norme ASTM D388 le subdivise en groupes à faible, moyenne et forte teneur en matières volatiles. Les charbons bitumineux à teneur moyenne ou faible en matières volatiles, qui gonflent et fusionnent à la chauffe, sont appelés charbons cokéfiants et sont le seul rang propre à la fabrication du coke métallurgique. Parmi les grands producteurs de charbon bitumineux figurent le bassin des Appalaches (États-Unis), le bassin de Bowen (Australie), le bassin du Donetsk (Ukraine et Russie) et la province du Shanxi (Chine).

Anthracite

Le rang le plus élevé. Dur et brillant, à cassure conchoïdale, avec plus de 86 % de carbone fixe. Il brûle avec une flamme courte et sans fumée. Rare à l’échelle du globe (probablement moins de 1 % des réserves mondiales de charbon), l’anthracite ne se forme que là où un charbon bitumineux a subi un métamorphisme régional de faible degré, typiquement près des marges des chaînes orogéniques. Le bassin houiller d’anthracite de Pennsylvanie (États-Unis) et le bassin de Quang Ninh, au Vietnam, sont les plus grands producteurs en activité.

Des veines de charbon exploitables se rencontrent sur tous les continents sauf l’Antarctique, où elles existent mais ne sont pas exploitées, en vertu du Traité sur l’Antarctique. Les bassins les plus productifs du monde se concentrent sur trois intervalles : le Carbonifère supérieur–Permien (charbons de l’hémisphère nord et du Gondwana), le Trias–Jurassique (certaines régions de Chine et d’Australie) et le Crétacé–Paléogène (bassin de la Powder River, Indonésie, certaines régions d’Europe centrale).

Chine

Premier producteur et premier consommateur, et de très loin : environ 4,6 milliards de tonnes en 2024, soit environ la moitié de la production mondiale. L’essentiel de la production provient des provinces du Shanxi, de la Mongolie-Intérieure et du Shaanxi : le Shanxi exploite des veines du Carbonifère–Permien du bloc de Chine du Nord, tandis qu’une grande partie de la production de la Mongolie-Intérieure et du Shaanxi provient de veines jurassiques du bassin d’Ordos. Le Shanxi produit à lui seul plus de charbon par an que n’importe quel pays, à l’exception de l’Inde.

Inde

Deuxième producteur, avec une production en hausse d’environ 7 % en 2024. Les principaux bassins sont la vallée du Damodar, d’âge permien (Jharkhand, Bengale-Occidental), et les champs de Mahanadi/Talcher, en Odisha. Le charbon indien est surtout un charbon thermique à forte teneur en cendres et à faible teneur en soufre, qui alimente la production d’électricité du pays.

Indonésie

Troisième producteur et premier exportateur mondial de charbon thermique par voie maritime. L’exploitation se concentre à Kalimantan et à Sumatra, où des charbons de l’Éocène au Miocène, issus d’anciens systèmes de zones humides tropicales, sont extraits dans de grandes mines à ciel ouvert. La production indonésienne a dépassé 800 Mt en 2024.

États-Unis

La formation de Fort Union, d’âge paléocène–éocène, dans le bassin de la Powder River (Wyoming et Montana), renferme des veines atteignant 30 m d’épaisseur, parmi les plus épaisses du monde, et fournit l’essentiel du charbon thermique des États-Unis. Le bassin des Appalaches, du Carbonifère (Pennsylvanien), produit des charbons bitumineux de rang plus élevé, dont la plus grande partie du tonnage métallurgique exporté par les États-Unis.

Australie

Quatrième producteur et premier exportateur de charbon métallurgique. Le bassin de Bowen (Queensland) et le bassin de Sydney–Gunnedah (Nouvelle-Galles du Sud), d’âge permien, concentrent l’essentiel de la production. L’Agence internationale de l’énergie (AIE) prévoit que l’Australie dépassera les États-Unis et la Russie en production totale de charbon d’ici 2027.

Russie, Colombie, Afrique du Sud

Le bassin de Kouznetsk (Sibérie), en Russie, compte parmi les plus grandes réserves de charbon du monde ; les sanctions ont freiné les exportations sans les arrêter. Le bassin houiller de Witbank, en Afrique du Sud, alimente à la fois la production d’électricité nationale et les marchés d’exportation. La mine de Cerrejón, en Colombie, est un important exportateur du bassin atlantique.

Charbon thermique (production d’électricité)

Environ les deux tiers du charbon extrait sont brûlés dans des centrales électriques. Le charbon pulvérisé est injecté dans le foyer d’une chaudière, où la combustion à 1 500–1 700 °C produit de la vapeur qui entraîne des turbines. En 2024, le charbon fournit encore environ 35 % de l’électricité mondiale, soit sa part la plus faible depuis la création de l’AIE en 1974, mais il reste la première source.

Charbon métallurgique (sidérurgie)

Les charbons cokéfiants durs sont chauffés à 1 000–1 100 °C en l’absence d’oxygène, ce qui chasse les matières volatiles et fusionne le résidu en un coke poreux et riche en carbone. Le coke sert à la fois de réducteur et de support structurel dans les hauts fourneaux, où il transforme le minerai d’oxyde de fer en fonte liquide. Environ 70 % de l’acier mondial est encore produit par cette filière, ce qui rend le charbon cokéfiant pratiquement irremplaçable aux échelles de temps technologiques actuelles, même si la réduction directe par l’hydrogène est la principale voie de décarbonation en cours de développement.

Ciment, chimie et liquéfaction du charbon

Le charbon est très utilisé comme combustible de four dans la production de ciment, où les hautes températures (~1 450 °C) nécessaires à la formation du clinker rendent coûteuse la substitution par du gaz naturel. Le charbon peut aussi être gazéifié ou directement liquéfié pour produire du gaz de synthèse, du méthanol, de l’ammoniac et du diesel de synthèse. À l’échelle industrielle, ce domaine est dominé par les installations de Sasol, en Afrique du Sud, et par un secteur chinois de carbochimie en pleine croissance. À l’échelle mondiale, cependant, la liquéfaction du charbon reste un marché marginal.

Le méthane, produit comme sous-produit de la houillification et adsorbé sur l’énorme surface interne du charbon, est à la fois un danger et une ressource. Il est responsable de la plupart des explosions dans les mines de charbon souterraines, et le pré-drainage est désormais la norme dans les exploitations profondes. Le méthane de houille (CBM, pour « coalbed methane ») représente aussi une part importante de la production de gaz naturel aux États-Unis (bassins de San Juan et de la Powder River) et en Australie (bassins de Bowen et de Surat). Les veines de charbon stockent en outre du dioxyde de carbone, et l’échange CO₂–CH₄ dans les couches de charbon est un domaine actif de la recherche sur le stockage du carbone.

La demande mondiale de charbon a atteint un record historique en 2024, avec environ 8,77 milliards de tonnes, tirée par la croissance de la demande d’électricité en Inde, en Asie du Sud-Est et en Chine. Dans le même temps, la part du charbon dans le mix électrique mondial recule depuis vingt ans, à mesure que les énergies renouvelables et le gaz se développent. Que la consommation de charbon atteigne son pic dans les années 2020, dans les années 2030 ou plus tard dépend presque entièrement de l’évolution de la demande d’électricité en Chine et de la rapidité de déploiement du solaire, de l’éolien, du nucléaire et du stockage. La fermeture, en septembre 2024, de la dernière centrale électrique au charbon du Royaume-Uni a marqué une étape symbolique pour le pays où l’économie du charbon est née.

Pour les géologues, le charbon reste un matériau remarquable : à la fois une archive d’écosystèmes anciens, un enregistreur paléoclimatique et une matière première industrielle toujours en usage.

Le charbon est-il une roche ou un minéral ?

Le charbon est une roche, plus précisément une roche sédimentaire organique. Ce n’est pas un minéral, car il n’a ni structure cristalline fixe ni composition chimique définie.

Combien de temps le charbon met-il à se former ?

Pour passer de la tourbe au charbon bitumineux, il faut un enfouissement sous plusieurs kilomètres de sédiments pendant au moins des dizaines de millions d’années ; l’anthracite exige un enfouissement plus profond ou un métamorphisme régional. La plupart des charbons économiquement exploitables ont entre 100 et 350 millions d’années.

Quelle est la différence entre le rang et la qualité d’un charbon ?

Le rang décrit le degré de houillification (lignite → anthracite). La qualité décrit la pureté, c’est-à-dire surtout la proportion de matières minérales (cendres) et de contaminants comme le soufre. Un charbon de rang élevé peut malgré tout être de faible qualité s’il contient beaucoup d’impuretés minérales.

Quel type de charbon contient le plus d’énergie ?

L’anthracite a la teneur en carbone la plus élevée et la plus forte densité énergétique par kilogramme. Certains charbons bitumineux à faible teneur en matières volatiles approchent l’anthracite par leur pouvoir calorifique, tout en restant plus faciles à allumer et à brûler, ce qui explique en partie pourquoi l’anthracite n’est plus un combustible majeur dans la production d’électricité moderne.

Du charbon se forme-t-il encore aujourd’hui ?

Oui. La tourbe se forme aujourd’hui dans les zones humides tropicales et des hautes latitudes et, avec assez de temps géologique et une histoire d’enfouissement favorable, une partie finira par devenir du charbon. Mais le rythme mondial d’accumulation de la tourbe est inférieur de nombreux ordres de grandeur au rythme auquel le charbon est extrait.