Séquence 3: Le pétrole

Les combustibles fossiles

Quand on parle des combustibles fossiles, on se réfère aux hydrocarbures, pétrole et gaz naturel, ainsi qu'au charbon.

Les hydrocarbures

Les hydrocarbures viennent de la matière organique. On a vu précédemment, qu'il y a deux sources principales de sédiments dans un bassin océanique:

¤  la charge terrigène provenant de l'érosion des continents, qui se dépose d'abord sur les deltas (1 sur le schéma qui suit) et qui est ensuite dispersée sur le plateau continental (2), puis finalement apportée au pied du talus (3); 

¤ la charge allochimique provenant du bassin même, principalement de la couche de plancton.

Dans les deux cas, les sédiments contiennent une certaine quantité de matière organique qui, dans le cas des terrigènes, a été transportée avec les particules minérales et enfouie rapidement, se trouvant ainsi protégée de l'oxydation. Dans le cas des allochimiques, cette quantité est représentée par la fraction de la biomasse du plancton qui n'a pas été oxydée durant la sédimentation. Ces quantités de matière organique peuvent atteindre les 10, 15 et même 20% du volume du sédiment. Compte tenu du grand volume de sédiments déposé, le volume de matière organique est donc aussi très important.

Qu'arrive-t-il à cette matière organique piégée dans le sédiment?

L'eau au-dessus du sédiment peut contenir une certaine quantité d'oxygène libre (O2); c'est selon la circulation au fond du bassin. Par contre, dans le sédiment, le peu d'oxygène libre qu'il peut y avoir est rapidement consommé par l'oxydation d'une partie de matière organique, ce qui fait que les conditions dans le sédiment deviennent rapidement des conditions anoxiques, c'est-à-dire sans O2; on dit qu'il s'agit d'un milieu anaérobie. La matière organique, composée de carbone, hydrogène, oxygène et azote (CHON) est, dans ce milieu, protégée de l'oxydation, mais non de l'action des bactéries anaérobies. Ces bactéries sont celles qui n'ont pas besoin d'oxygène libre, mais qui viennent chercher, dans les molécules organiques, l'oxygène et l'azote dont elles ont besoin pour leur métabolisme; elles soustraient donc des CHON, les O et les N, laissant les carbones (C) et les hydrogènes (H): c'est la dégradation biochimique de la matière organique.

Les carbones et les hydrogènes s'unissent alors pour former de nouvelles molécules composées de ces deux éléments et qu'on appelle des hydrocarbures (HC). Une des premières molécules à se former est le CH₄, le méthane (gaz naturel). Ce méthane se forme dans les couches supérieures du sédiment; on dit qu'il s'agit d'un gaz biochimique, parce qu'il est le produit de la dégradation biochimique. A mesure de l'empilement des sédiments sur le plancher océanique (ce qui se mesure en milliers de mètres), les molécules d'HC sont amenées à des températures et pressions de plus en plus élevées; c'est l'enfouissement. A partir d'ici, les molécules d'hydrocarbures vont devenir de plus en plus complexes. La dégradation passera de biochimique (régie par les bactéries) à thermique (régie par l'augmentation de température). Le schéma qui suit résume ce qui se passe à mesure de l'enfouissement et comment se forme l'huile et le gaz.

L'axe horizontal du diagramme exprime le pourcentage d'hydrocarbures générés; l'axe vertical, la profondeur d'enfouissement. Dans le premier 1000 mètres, ce sont toujours les bactéries qui agissent. Le processus dominant dans cette zone est la dégradation biochimique qui transforme les matières organiques en un hydrocarbure qu'on appelle kérosène, une sorte de pétrole embryonnaire. Sous les 1000 mètres, la dégradation biochimique est remplacée par une transformation contrôlée par l'augmentation de la température; c'est la dégradation thermique. L'enfouissement conduit, d'une part à une transformation progressive du sédiment en roche et, d'autre part, à cette dégradation thermique des kérogènes. A 2000 mètres par exemple, une partie des kérogènes se transforme en huile, un peu plus de 10% ici, une plus petite partie en gaz, et la plus grande partie poursuit sa transformation. Entre 2000 et 3000 mètres, c'est là que le kérogène produit le plus d'huile. Sous les 3000 mètres, la production d'huile devient insignifiante. Par contre, à partir de 2500 mètres, la production de gaz s'accélère et devient importante. A 3500 mètres, on ne produit plus d'huile, mais beaucoup de gaz. La dégradation thermique conduit progressivement à des phénomènes de carbonatisation qui transforment les kérogènes non transformés en huile ou en gaz en résidus de carbone. Si l'enfouissement dépasse les 4000 mètres, tout est cuit et les pétroles, huile et gaz, sont détruits.

On voit donc qu'il y a des conditions spécifiques d'enfouissement pour former huile ou gaz. En langage pétrolier, on appelle "fenêtre à l'huile" cette fourchette de profondeurs ou se forme l'huile, et "fenêtre à gaz" là où se forme le gaz. Ce qui explique aussi que dans un champ de pétrole il y a pratiquement toujours de l'huile et du gaz.

Ces valeurs de profondeurs ne sont pas absolues; elles sont indicatives, car le gradient géothermique peut varier d'une région à l'autre. En effet, ce qui importe, c'est la température à laquelle ont été portés les kérogènes. On sait que le gradient géothermique, défini par le flux de chaleur qui traverse la croûte terrestre, peut varier d'une région à l'autre. Une région qui a connu du magmatisme récent aura un gradient géothermique plus élevé qu'une région où le magmatisme a cessé depuis longtemps et, par conséquent, les pétroles s'y formeront à de plus faibles profondeurs.

A ce stade-ci, on est encore bien loin d'un champ de pétrole. Il faut satisfaire encore à plusieurs conditions; seules les deux premières conditions ont été remplies: accumuler de la matière organique dans les sédiments protégés de l'oxygénation, et avoir atteint les conditions d'enfouissement spécifiques à sa transformation en pétrole. Tout ce que l'on a, c'est une certaine quantité d'hydrocarbures liquides et gazeux, sous forme de gouttelettes disséminées dans la roche.

En volume, ces gouttelettes représentent peu. Rappelons qu'au départ on avait quelque chose comme 10 ou 15% de matière organique et qu'une partie seulement de cette matière a été transformée en pétrole. La roche dans laquelle se forment les gouttelettes d'hydrocarbures est appelée roche-mère. Il faut en arriver à ce que les gouttelettes se concentrent, en se déplaçant par exemple. C'est le processus de la migration. Il faut que les conditions géologiques soient telles que les gouttelettes en viennent à être expulsées de la roche-mère, puis transportées dans une roche perméable pour venir se concentrer dans ce qu'on appelle une roche-réservoir où le pétrole se trouve dans les pores de la roche; une sorte de roche éponge.

La migration des gouttelettes de pétrole se fait grâce au déplacement de l'eau dans les formations rocheuses. En effet, les eaux souterraines se trouvent non seulement dans les couches superficielles, mais aussi en grande profondeur où elles circulent très lentement. Ce sont elles qui, en migrant, entraînent les gouttelettes de pétrole.

Et puis, ce n'est pas tout d'avoir roche-mère, migration et roche-réservoir, mais encore faut-il que les hydrocarbures soient piégés, c'est-à-dire qu'il faut que le réservoir soit scellé pour empêcher la migration de se poursuivre. Il y a plusieurs situations géologiques qui fourniront ce piège.

Une situation commune et recherchée, c'est le piège au sommet de plis anticlinaux où alternent roches perméables et roches imperméables.

Les fluides se déplacent, des points de plus forte pression aux points de plus faible pression, c'est-à-dire de bas en haut (flèches rouges). Ces fluides sont un mélange d'eau et de gouttelettes d'huile et de gaz. A cause de la barrière à la migration que forme la couche imperméable, les fluides s'accumulent dans la partie haute du pli. Il se fait une séparation des phases selon leurs densités respectives (comme dans un pot de vinaigrette). Le gaz occupera la partie la plus haute, suivi de l'huile puis de l'eau.

Une autre situation propice à la formation d'un piège est offerte lorsque les fluides circulant dans une couche perméable sont coincés sous des couches imperméables dans un biseau formé par le déplacement des couches à la faveur d'une faille, comme illustré ci-dessous.

Des lentilles de roches ou sédiments très perméables contenus dans des couches imperméables peuvent aussi servir de pièges (partie inférieure droite du bloc ci-dessous).

Par exemple, c'est la situation sur le delta du Mississippi où les sédiments imperméables boueux, riches en matières organiques à l'origine, servent de roche-mère et, les lentilles de sables, de réservoirs. Les discordances angulaires, lorsque recouvertes par des couches imperméables, offrent aussi une situation intéressante (partie supérieure droite du bloc).

Il y a aussi des pièges qui sont associés aux dômes de sel.

Lorsque les diapirs de sel se sont mis en place (un peu à la manière d'un intrusif), ils ont retroussé les couches et créé des biseaux qui sont scellés par les couches imperméables et par le sel lui-même qui est imperméable

Le charbon

La formation de charbons diffère de celle des hydrocarbures, huile et gaz. Ils sont issus des végétaux terrestres qui s'accumulent dans les zones anoxiques, comme les grands marécages. Ces végétaux sont des produits de la photosynthèse, soit des carbohydrates (carbone, hydrogène et oxygène).

Progressivement, avec l'empilement et l'enfouissement sous les sédiments, les volatiles (oxygène, hydrogène et azote) sont libérés et le carbone se concentre. A la phase où le dépôt contient 50% de carbone, on a la tourbe. Avec la poursuite de l'enfouissement, le dépôt se tasse, les volatiles s'échappent et le carbone se concentre de plus en plus. A 72% de carbone, on a la lignite, à 85% le bitume, puis à 93% l'anthracite, le charbon proprement dit.