La quête du “charbon pur” ? Paléontologie et extraction du charbon, 1870-1940

Les combustibles fossiles sont une ressource limitée en quantité et en qualité. Le charbon en fait partie. Il en existe une certaine quantité disponible sur Terre. Une fois extraits et brûlés, il est perdu à jamais. La crainte de son épuisement est présente dans les esprits des industriels et des gouvernements dès la mise en exploitation des gisements. Toutefois, cette « peur » de l’épuisement du charbon gagne en ampleur dans la seconde moitié du 19^e siècle.

Les économistes de l’époque se rendent compte que le développement des manufactures et des usines, du commerce ainsi que l’augmentation de la production de produits industriels impliquent une utilisation accrue du sous-sol et de ses ressources, notamment du charbon. Un courant de l’économie politique centré sur les questions énergétiques se développe sous l’impulsion de William Stanley Jevons^[1]. Professeur d’économie à Manchester puis à Londres au cours des décennies 1860-1880, il se consacre à une étude approfondie sur la question du charbon en 1865 : The Coal Question. An inquiry concerning the progress of the Nation, and the probable exhaustion of our coal mines^[2]. Il y analyse l’épuisement des gisements de charbon britanniques, constate la rareté du minéral et pose une question fondamentale : faut-il extraire le charbon jusqu’à l’épuiser et avoir une grandeur et une gloire éphémères ou l’«économiser», restreindre son utilisation, notamment en taxant la consommation de charbon^[3], pour avoir des stocks suffisants pour soutenir sa consommation dans l’avenir sachant que ce choix implique pour la Grande-Bretagne de rester dans une longue « médiocrité » ?

C’est dans ce contexte d’angoisse quant à la « fin du charbon » que se développe la paléontologie. En tant que science « fondamentale », la paléontologie étudie les restes fossiles des êtres vivants du passé et les implications évolutives ressortant de l’étude de ces restes. Elle se place sous l’égide de la géologie. La discipline paléontologique dispose également d’applications pratiques. Elle est « utile », ou du moins souhaite l’être pour les charbonnages.

 

Paléontologie et extraction du charbon, une histoire commune ?

Face à cette crainte de l’épuisement et au risque de manquer de charbon, la volonté de tirer le meilleur parti des ressources existantes se fait jour. La science du charbon se développe à partir des années 1870 lorsque la production de charbon atteint un palier industriel^[4]. On en observe toutes les composantes, la nature intime afin d’en extraire tout son potentiel. Le charbon, loin d’être une matière uniforme, se révèle multiple, complexe et diversifié^[5]. Plusieurs causes sont à l’origine de ces différences :

 

« La variété des combustibles est infinie ; les principaux d’entre eux sont le bois, la tourbe, le lignite, la houille, l’anthracite et le graphite, dans lesquels le carbone va en croissant, dans l’ordre de l’énumération ci-dessus, l’oxygène et l’azote en décroissant dans le même ordre. Les variétés de composition des houilles sont elles-mêmes très nombreuses. Elles ont pour cause primordiale leurs différences végétales originelles. Parfois, même, des différences sont constatées dans la même veine, en allant du toit au mur, et les sillons d’une même veine ne sont pas toujours identiques. Les différences d’origine ne sont pas les seules ; des agents de transformation ont superposé leur action, entre autres les conditions de macération des matières végétales, l’épaisseur et la nature de l’accumulation causèrent différents degrés de dessication, d’aération et de compression ; la nature des bassins limniques ou paraliques, de leur côté, déterminèrent des conditions différentes de transformation des végétaux constitutifs des couches. D’autres facteurs agirent encore, notamment le métamorphisme plus ou moins influencé par le degré géothermique, la tectonique des terrains, etc. En résumé, bien que les houilles aient eu une origine végétale commune, il existe entre elles des différences considérables, causées par la nature de leurs éléments constitutifs et, postérieurement, par l’intervention d’autres causes, effaçant plus ou moins les différences primitives ou en provoquant d’autres^[6] »

 

Les scientifiques le découpent en fines lamelles pour en révéler tous les secrets. Les paléontologues étudient les végétaux composants tel ou tel gisement de charbon. Leur objectif est de déterminer la capacité de production énergétique de la houille selon son origine végétale. Les forêts et la végétation préhistoriques sont reconstituées scientifiquement dans ce but, afin de classifier les différentes couches et faisceaux de charbon en fonction de leur âge et de leur composition. René Zeiller entreprend dans les années 1880 l’étude des fossiles du terrain houiller du bassin de Valenciennes pour le compte du Service des topographies souterraines du Ministère des Travaux publics^[7]. Pour lui, l’étude de la topographie souterraine du bassin de Valenciennes, du groupement de ses couches par faisceaux et de leur âge relatif s’imposait-elle comme devant être particulièrement utile et intéressante, notamment afin de déterminer la teneur en matières volatiles des gisements selon la flore qui les compose et d’en évaluer leur valeur et leur intérêt économiques.

La paléontologie est censée agir comme un spectroscope permettant de déceler à la fois l’existence d’une gamme continue et de raies sombres à travers toute la série des terrains et révéler la nature de la faune et de la flore composant le gisement de charbon étudié^[8]. Par exemple, Armand Renier, ingénieur-géologue explique l’intérêt des méthodes paléontologiques pour l’étude stratigraphique du terrain lors d’une conférence donnée en 1907 devant les membres de l’Association des ingénieurs sortis de l’École des mines de Liège. Pour lui :

« La connaissance approfondie de la série stratigraphique est à la base, non seulement de toute recherche géologiques, mais encore de toute exploitation rationnelle. Elle a certes pu être pratiquement moins importante pour l’ingénieur, à l’époque où les travaux de tous genres étaient restreints et limités à quelques régions bien connues ; mais on sait combien les exploitations ont, de nos jours, gagné en extension, autant qu’en intensité. Aussi l’intérêt des méthodes paléontologiques pour l’étude stratigraphique du terrain houiller va-t-il s’affirmant de jour en jour^[9] »

 

Les méthodes paléontologiques ont également pour but de faciliter les entreprises de recherche de nouvelles veines et de nouveaux gisements en réduisant leurs coûts : dois-je insister sur l’intérêt économique de ces études paléontologiques qui permettent de conduire avec une plus grande sûreté tous ces travaux de recherches, dont l’exécution absorbe chaque année une important part du budget [des charbonnages] ?^[10].

En parallèle, la lutte scientifique contre le gaspillage du charbon se répand. Le charbon disparaissant dès qu’il est consommé, il s’agit d’en tirer le plus d’applications possibles. Discipline porteuse à la fin du 19^e siècle, la carbochimie permet de tirer le meilleur parti du charbon et d’en utiliser tous les dérivés possibles^[11]. Le charbon se transforme alors en gaz, en carburant, en produits chimiques et cosmétiques ; il entre dans la composition des engrais chimiques, des explosifs, des médicaments, etc.^[12]. Meunier dresse l’inventaire des produits dérivés du charbon en 1905. Il montre que le charbon est au cœur de la société industrielle :

 

« Par la distillation de la houille, on obtient des produits solides et des produits gazeux. Le produit solide, le coke, concassé et trié est d’un emploi journalier dans l’industrie et dans les foyers domestiques. Les produits gazeux fournissent le goudron et les eaux ammoniacales employées comme engrais par l’agriculture. Le goudron distillé donne des produits volatils et un résidu nommé brai qui sert à agglutiner les parcelles trop fines de charbon pour les transformer en combustibles agglomérés. Les produits volatils renferment eux-mêmes des huiles lourdes et des huiles légères. Les premières contiennent de la naphtaline et de l’acide phénique, employé en médecine comme antiseptique ; la créosole qui joue un rôle considérable dans l’injection des bois. Des secondes, on tire la benzine, dont l’usage est connu de tous les ménages pour le nettoyage des étoffes. Cette benzine sert elle-même de base à la nitrobenzine ou huile artificielle d’amandes amères, essence de mirbane, dont l’arôme agréable est utilisé dans la parfumerie ; l’aniline d’où découlent les matières colorantes artificielles si recherchées par les teinturiers et les imprimeurs sur étoffes, etc. ^[13]»

L’utilisation rationnelle de cette ressource limitée en quantité et en qualité permet sa diffusion dans toutes les composantes et dans presque tous les biens utilisés par la société industrielle, belge et française, de la fin du 19^e siècle^[14]. Par sa capacité à adopter de nombreux contours, à se transformer et à s’adapter au gré des besoins, le charbon s’insinue dans tous les replis de la « civilisation » industrielle occidentale au point que de nombreux contemporains nomment leur époque comme étant celle du « roi charbon ».

 

La « quête du Charbon Pur ». La paléontologie au secours des secteurs charbonniers belge et français durant l’Entre-deux-guerres

Les applications pratiques des savoirs paléontologiques se poursuivent durant l’Entre-deux-guerres afin de venir en aide aux charbonnages belges et français alors en difficulté économique face à l’afflux des charbons étrangers produits à moindre prix et à la concurrence du pétrole. Charles Barrois, professeur de géologie à l’Université de Lille propose en 1924 d’établir une nouvelle carte paléontologique du bassin du Nord. L’objectif de cette nouvelle carte est de permettre aux exploitants de suivre le tracé des veines et de connaître précisément la qualité du charbon extrait en fonction de son origine végétale ou animale.

« L’étude des nombreuses plantes fossiles, constitutives de la houille, réunies par les Compagnies dans les points où elles les rencontraient en plus grande abondance et en meilleur état de conservation, a permis à ces savants de reconnaître leur répartition dans la série des veines et de tracer, sur leurs cartes, les limites de trois groupes de veines, désignés par les lettres A, B, C et correspondant à trois flores successives [15]»

La pétrographie des charbons gagne en importance dans les années 1920. L’étude microscopique des houilles trouvent des applications pour l’industrie minière. La pétrographie offre aux industriels les données indispensables qu’ils réclament sur la constitution intime du combustible, la corrélation des couches charbonneuses, les variations qualitatives eu égard à la profondeur, le mode de traitement adéquat, la destination, enfin, qu’il convient de donner aux produits extraits[16]. La pétrographie étudie les quatre constituants principaux du charbon, le fusain, le clarain, le vitrain et le durain, pour en établir la classification technique. Ces quatre éléments ont des propriétés de cokéfaction différentes.

Le fusain a un pouvoir calorifique élevé mais est très cendreux. Il ne « fond » pas et ne gonfle pas sous l’action de la chaleur et de plus, il se réduit facilement en poussière. Sa présence dans le charbon est préjudiciable à la cokéfaction. Le clarain et le vitrain sont les constituants les moins cendreux et sont cokéfiables. Le clarain fournit un coke fondu et massif, le vitrain, moins cendreux que le clarain, fournit un coke spongieux. Le coke dérivé du durain a peu de consistance mais par distillation sèche, une quantité importante de goudron peut être tirée du durain. Connaître intimement la nature du charbon permet de produire le meilleur coke possible. La pétrographie permet également classifier les charbons lors de sondages. L’exploitant minier souhaite savoir si la couche qu’il a découverte appartient aux charbons gras, maigres, etc.[17]. L’objectif final est de permettre une utilisation rationnelle des charbons pour éviter tout gaspillage. La détermination des constituants d’une veine, de leur répartition centésimale et locale dans les produits extraits, indiquent à l’exploitant le mode d’enrichissement qu’il convient de leur appliquer[18]. La pétrographie doit également permettre de choisir le meilleur procédé de concassage et de traitement (criblage, flotattion, etc.) à lui appliquer afin de séparer les impuretés comme le soufre[19].

Après une dizaine d’années de développement à la Faculté des Sciences de Lille, les applications de la pétrographie du charbon sont avérées[20]. En 1934, André Duparque, maître de conférences en pétrographie des roches combustibles à l’Université de Lille constate que :

« La mise au point, au cours des dix dernières années, de méthodes d’investigation microscopiques appropriées à l’étude des roches très particulières que sont les combustibles paléozoïques permettent, aujourd’hui,[…] la reproduction par des procédés photographiques de la structure intime des houilles. Désormais, il est ainsi possible de montrer que cette structure est bien différente de celle que l’on admettait autrefois et que la genèse des divers types chimiques de houilles revêt le caractère de phénomènes plus complexes que ceux d’une simple évolution progressive d’un seul type initial de dépôt [21]»

La pétrographie propose une nouvelle classification des charbons radicalement différente de celle communément admise distinguant les différentes types de houilles en charbon maigre, demi gras, gras, etc. La classification pétrographique se base sur la composition intime du charbon révélée par microscope. Les houilles de cutine sont les charbons de spores et ceux de cuticules. Les charbons de spores est le type de charbon qui apparaît le plus souvent. Il apparaît à l’œil nu sous forme de houilles compactes, à cassure parallélipipédique, à stratification souvent fort nette. Les charbons de cuticules ou charbons de feuilles sont presque similaires à ceux de spores. Leurs composants sont par contre différents. Les débris végétaux caractéristiques de cette variété de houilles sont des sections de feuilles entières. Les houilles ligno-cellulosiques sont caractérisées par l’absence de débris végétaux cutinisés tels les spores et les cuticules. Elles sont composées presque exclusivement de fragments de tissus ligneux présentant des dimensions et des états de fossilisation très variables. Elles se divisent en charbons ligneux et en charbons cellulosiques.

L’objectif final de ces applications pratiques des savoirs paléontologiques et de la pétrographie du charbon est d’aboutir à la production de « charbon pur », c’est-à-dire, contenant moins de 1% de cendres. Le « charbon pur » est présenté comme le Graal des industriels. Sa production est rendue possible dans les années 1920-1930 par le lavage du charbon dans des liqueurs denses mais également par le développement de la pétrographie du charbon. En 1936, l’ingénieur Maurice Bertrand se montre optimiste à ce propos :

«Il est actuellement possible de séparer industriellement par flottage en liqueur dense le charbon des produits inorganiques qui y sont mélangés, et de produire le « charbon pur », combustible noble à moins d’un pour cent de cendres. Celui-ci peut être également séparé en ses constituants pétrographiques, et ceux-ci utilisés dans les fabricats spéciaux justifiés par leur analyse. C’est ainsi que le vitrain trouvera son emploi dans la fabrication d’anodes, dans les gazogènes de camions, le charbon activé ; le durain s’emploiera dans le moteur à poussier de charbon, les appareils d’hydrogénation, le charbon colloïdal, etc.

Le charbon pur permet de valoriser au maximum notre combustible national et de diminuer les importations de pétrole[22]»

L’étude des différents composants du charbon par spectrographie optique et par les spectres d’émission des rayons X confirmés par microanalyse permettent aux scientifiques de déceler tous les éléments connus dans le cendres du charbon. Leur identification s’avère nécessaire car ces compositions si diverses ont une influence considérable sur la température de fusion des cendres et sur leur pouvoir catalytique ; elles peuvent avoir une répercussion déplorable ou heureuse sur les possibilités de vente du combustible. Produire du « charbon pur » suppose donc de séparer les éléments « nuisibles » des composants « utiles » de la houille. La pétrographie permet aux charbonnages d’envisager un nouvel avenir pour le charbon. Le « charbon pur » incarne l’espoir pour le secteur charbonnier belge de pouvoir relancer sa production et de concurrencer les charbons étrangers en mettant sur le marché un produit d’une grande qualité. L’avenir de la houille transite par son fractionnement et sa réduction à l’un de ses composants révélés par les recherches pétrographiques et paléontologiques. En effet, pour Bertrand, le charbon pur se compose uniquement du vitrain :

« Si nous cherchons, pour des usages spéciaux, à obtenir un charbon contenant un minimum de produits inorganiques étrangers, il y aura lieu d’éliminer non seulement les schistes, grès et stériles divers des épontes, mais encore la pyrite incluse dans le charbon, le fusain, le durain et la plus grande partie du clarain. Mieux celui-ci sera éliminé et mieux on réduira la teneur en cendres et en soufre du charbon traité. La limite inférieure en cendres sera la teneur en cendres constitutionnelles du vitrain pur, en soufre la teneur en soufre organique si solidement combiné aux hydrocarbures du charbon que, seule, la destruction totale par combustion permet de le libérer.

L’isolement plus ou moins parfait du vitrain des autres constituants permet donc de créer un combustible nouveau, à teneur en cendres très faible, dont la pureté permet d’envisager des utilisations nouvelles. Le Charbon Pur (nous dénommons ainsi le charbon débarrassé complètement des stériles et purifié de façon à ramener sa teneur en cendres constitutionnelles en dessous de l’unité) est nouveau venu mais ses utilisations nouvelles se multiplient et promettent de lui ouvrir un champ d’action de plus en plus vaste [23]»

Le rêve des paléontologues de permettre aux industries charbonnières à pouvoir concurrencer le pétrole voire à pouvoir produire des essences et huiles synthétiques à partir du Charbon Pur demeure purement théorique. Le procédé de séparation est long, complexe et coûteux. Le charbon doit être concassé, lavé, dépoussiéré plusieurs fois afin de n’en extraire que les composants utiles. La demande en produit charbonnier de grande qualité existe mais n’est pas suffisante pour pouvoir assurer la rentabilité de la fabrication du Charbon Pur.

 

[1] Voir sur cette question Fine B., The coal question. Political economy and industrial change fron the nineteenth century to the present day, Londres, Routledge, « Revivals », 2013 [1^e éd. anglaise, 1990].

[2] Jevons W. S., The coal question. An inquiry concerning the progress of the nation, and the probable exhaustion of our coal mines, Londres, MacMillan and Co, 1866.

[3] À ce sujet, voir Missemer A., William Stanley Jevons, un pionnier des réflexions sur la fiscalité écologique, in L’économie politique, 60, 4, 2013, p. 78-90.

[4] Leboutte R., Vie et mort des bassins industriels européens 1750-2000, Paris, L’Harmattan, 1997, p. 190.

[5] Zimmer A., Brouillards mortels. Une histoire de la production de météores industriels…, p. 127-128.

[6] La houille à vapeur sans fumée ou charbon de guerre, in Annales des mines de Belgique, 10, 1905, p. 693. Voir également Barrois C., Sur le mode de formation de la houille du Pas-de-Calais. Conférence faite à l’Exposition d’Arras le 9 juillet 1904 sous les auspices de la Chambre des Houillères du Nord et du Pas-de-Calais, in Annales de la Société géologique du Nord, 33, 1904, p. 156-172.

[7] Zeiller R., Études des gîtes minéraux de la France. Bassin houiller de Valenciennes. Description de la flore fossile. Texte et Atlas, 2 vol., Paris, Quantin, 1888-1892.

[8] Renier A., Les méthodes paléontologiques pour l’étude stratigraphique du terrain houiller, in RUM, 4^e série, 21, 1908, p. 6. Voir l’analyse à ce sujet de l’histoire Paul Lucier sur les gisements charbonniers des Appalaches : Lucier P., Scientists and Swindlers. Consulting on coal and oil in America, 1820-1890, Baltimore, The John Hopkins University Press, 2008, p. 94-107.

[9] Renier A., Les méthodes paléontologiques pour l’étude stratigraphique du terrain houiller…, p. 4.

[10] Renier A., Les méthodes paléontologiques pour l’étude stratigraphique du terrain houiller (suite), in RUM, 4^e série, 22, 1908, p. 87.

[11] Destatte J., Des mineurs et des savants…, p. 33-38.

[12] Tomsin P., La chimie industrielle, in Halleux R., Vandesmissen J., Despy-Meyer A. et Vanpaemel G., dir., Histoire des sciences en Belgique…, 1, p. 200-201.

[13] Meunier E., Essai historique sur la houille dans le bassin franco-belge…, p. 5-6.

[14] Zimmer A., Brouillards toxiques. Vallée de la Meuse, 1930, contre-enquête, Bruxelles, Zones sensibles, 2016, p. 77-82.

[15] Barrois C., Nouvelle carte paléontologique du bassin du Nord par messieurs Barrois, Bertrand, Pruvost. Communication faite au district du Nord, in Revue de l’industrie minérale, 86, 1924, p. 353.

[16] Van Aubel R., La pétrographie des charbons. Applications minières et industrielles, in Revue de l’industrie minérale, 171, 1928, p. 75.

[17] Van Aubel R., La pétrographie des charbons…, p. 76-77.

[18] Ibid., p. 79.

[19] Pour les charbons, le mode d’enchevêtrement des quatre constituants typiques, la répartition et les dimensions des impuretés, indiquent la limite à laquelle doit être porté le concassage et le traitement (criblage, flotattion, etc.) à lui appliquer (Ibid., p. 79).

[20] Duparque A., Les différents types pétrographiques de houilles du Nord de la France, in Revue de l’industrie minérale, 333, 1934, p. 519.

[21] Duparque A., Les différents types pétrographiques de houilles du Nord de la France…, p. 519-530.

[22] Bertrand M., Les perspectives d’avenir du charbon pur, in Revue universelle des mines, 8^e série, 12, 5, 1936, p. 181.

[23] Bertrand M., Les perspectives d’avenir du charbon pur…, p. 183.

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