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L'énergie à découvert

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Rémy Mosseri
, 
Catherine Jeandel

Troisième partie. Les énergies fossiles

1. La formation des ressources fossiles

Raymond Michels et Alain-Yves Huc

Texte intégral

De la biomasse au kérogène

1Charbon, pétrole, gaz naturel, hydrocarbures de roches-mères (plus connus sous le nom de gaz de schiste et huile de schiste). Autant de vocables très familiers désignant des ressources énergétiques ayant un point commun : leur composition chimique. Leur particularité par rapport aux autres ressources géologiques ? Il s’agit de mélanges souvent très complexes de composés moléculaires riches en hydrocarbures. Sur Terre, seul un phénomène est capable de transformer les sources primaires de carbone (le CO2 atmosphérique) et d’hydrogène (celui contenu dans l’eau) en matière hydrocarbonée complexe : la vie. C’est cette origine qui fait que le charbon est souvent intimement lié à la présence de restes souvent spectaculaires de plantes fossiles. Quant au pétrole, on sait depuis 1936 – grâce aux travaux du chimiste allemand Alfred Treibs – qu’il contient des molécules dérivant de structures chlorophylliennes. Alors, comment lier le vivant à la diversité des ressources d’énergie fossile ? Il faut pour cela s’intéresser à la nature des biomasses majeures dont la fossilisation partielle est le point de départ de leur devenir géologique. Ainsi, les plantes supérieures sont une biomasse dominante sur les surfaces terrestres, alors que les algues chlorophylliennes (phytoplancton) dominent les mers et les lacs. À leur mort, les restes de ces biomasses sont consommés par des microorganismes. La majorité du carbone organique est ainsi réintroduite dans le cycle de surface (celui qui implique le CO2 atmosphérique). Dès lors, moins de 1 % de la masse du carbone organique échappe à ce cycle en étant enfoui avec les sédiments*. Ici débute le cycle géologique du carbone organique, dont la durée peut atteindre des centaines de millions d’années. Une forte productivité organique, un enfouissement rapide dans des sédiments fins (les argiles par exemple), l’anoxie (l’absence d’oxygène) sont autant de phénomènes qui favorisent le transfert de la matière organique vers ce cycle. L’enfouissement de cette matière va conduire à des modifications chimiques qui transforment celle-ci progressivement en une matière fossile ayant l’apparence d’une poudre sombre lorsqu’on l’isole de la matrice minérale, c’est le kérogène*. En fonction de la biomasse de départ et des milieux de préservation, on identifie trois types de kérogènes : le type I (plancton lacustre), le type II (plancton marin) et le type III (plantes supérieures). Le charbon dans le langage commun désigne une roche quasi exclusivement constituée de kérogène de type III.

2Dans le passé de l’histoire de la Terre, certaines périodes présentent des conditions qui ont été favorables à la préservation de la matière organique. Le Carbonifère (-359 à -299 millions d’années), par exemple, est une période connue pour ses accumulations exceptionnelles de kérogène de type III dans les sédiments côtiers ou continentaux (charbons paraliques* et limniques*). Ces sédiments sont une source majeure de charbon à travers le monde. D’autres périodes comme le Dévonien Supérieur (-385 à-359 millions d’années) ou certaines époques au cours du Jurassique et du Crétacé (-200 à 65,5 millions d’années) correspondent quant à elles à l’accumulation de sédiments marins contenant d’énormes quantités de kérogène de type II.

Formation des hydrocarbures

3Un bassin sédimentaire est la conséquence de l’activité tectonique* qui, en induisant une déformation de la croûte terrestre, crée un espace disponible pour recueillir des sédiments issus de l’érosion des surfaces continentales et de l’activité biologique dans le bassin lui-même (figure 1). L’apport sédimentaire, de par son poids, contribue à l’approfondissement du bassin : c’est la subsidence*. Cette dernière est à même de permettre la mise en place d’épaisseurs importantes de sédiments. Certains intervalles sédimentaires peuvent être riches en kérogène, ils sont alors appelés « roches-mères », Ils peuvent ainsi être progressivement enfouis à des milliers de mètres de profondeur et subir la chaleur interne de la Terre (la température augmentant en moyenne de 30 °C par kilomètre). Plusieurs stades de modifications vont affecter le kérogène (figure 2). i. Au début de l’enfouissement, pendant la « diagenèse* », cette matière organique fossile va principalement perdre de l’eau et du CO2. ii. À plus grande profondeur, pendant la « catagenèse* », elle va former principalement des hydrocarbures liquides et gazeux. iii. À un stade plus avancé de l’histoire thermique, la « métagenèse* », elle, forme uniquement des hydrocarbures gazeux.

4L’ensemble de ces étapes constitue la maturation thermique des kérogènes. L’intensité de la formation d’hydrocarbures dépend ainsi de la nature initiale du kérogène et de son état de maturation thermique. En ce qui concerne les charbons, signalons que leur classification (en tant que kérogène résiduel de type III) est basée sur la notion de « rang » qui ne fait que traduire leur degré de maturité : tourbe, lignite, charbon subbitumineux, charbon bitumineux, anthracite…

5Les hydrocarbures liquides et gazeux formés vont créer des surpressions dans la roche-mère, favorisant leur expulsion vers des roches voisines poreuses et perméables. Il est à noter que les hydrocarbures qui restent piégés dans la roche-mère lors du processus d’expulsion correspondent à ce que l’on qualifie aujourd’hui d’huile ou de gaz de roche-mère (de « schiste »). Moins dense que les roches et l’eau, le pétrole migre grâce à la poussée d’Archimède* dans le réseau de drains (roches poreuses ou fracturées, failles…) présents dans les bassins sédimentaires. Si rien ne s’oppose à la migration, le pétrole se dispersera dans le bassin et arrivera un jour… à la surface (où il formera un indice de surface* : phénomène naturel de suintement de pétrole ou d’émanation de gaz à la surface de la Terre). Là, il servira de nourriture aux micro-organismes. Dans les cas favorables, la présence de strates imperméables (roches couvertures) maintenant les hydrocarbures dans les drains, et l’agencement géométrique des couches, hérité de la sédimentation et/ou des déformations tectoniques (pièges), conduit à ce que la migration du pétrole soit stoppée et forme une accumulation (gisement). De fait, le drain servira alors de roche-réservoir, d’où il pourra être produit par forage. Selon la nature du kérogène de la roche-mère et de sa maturité thermique il s’agira d’un gisement de pétrole ou de gaz naturel, voire le plus souvent du mélange des deux.

Fig. 1 – Représentation schématique d’un système pétrolier avec indication de l’habitat géologique des hydrocarbures de roche-mère. Document IFPEN

Fig. 2 – Classification chimique des kérogènes selon leurs teneurs relatives en carbone, hydrogène et oxygène. Selon la nature des bio-producteurs et l’environnement des sédiments, trois types de kérogènes sont distingués. Avec l’enfouissement dans les bassins sédimentaires et la maturation thermique, la composition chimique des kérogènes évolue, notamment par la genèse de pétrole. C’est le stade de catagenèse*, aussi appelée « fenêtre à huile ». Dans leur évolution ultime, les kérogènes génèrent des hydrocarbures gazeux. C’est le stade de la mutagénèse, aussi appelée « fenêtre à gaz »

6L’ensemble des éléments (roche-mère, réseau de drains, pièges) et les phénomènes associés (enfouissement, formation-expulsion, migration, accumulation, préservation) forment ce que l’on appelle un système pétrolier.

7Au regard de l’histoire géologique du pétrole, on peut donner plusieurs sens au terme de « ressources fossiles ». La forme plurielle renvoie à la diversité des formes (charbon, pétrole, gaz naturel…) ; le terme fossile renvoie à la notion de préservation : celle des hydrocarbures dans le piège par exemple, mais aussi de l’énergie enfermée dans les liaisons chimiques des hydrocarbures, grâce à la photosynthèse. Ainsi, l’énergie fossile trouve son origine dans les rayons d’un Soleil ayant brillé il y a des millions d’années…

Bibliographie

Références bibliographiques

• F. BAUDIN, N. TRIBOVILLARD et J. TRICHET – Géologie de la Matière Organique, Vuibert, 2007.

• A.-Y. HUC – Le Pétrole, Éditions du pommier, 2003.

Table des illustrations

Légende Fig. 1 – Représentation schématique d’un système pétrolier avec indication de l’habitat géologique des hydrocarbures de roche-mère. Document IFPEN
URL http://books.openedition.org/editionscnrs/docannexe/image/10954/img-1.jpg
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Légende Fig. 2 – Classification chimique des kérogènes selon leurs teneurs relatives en carbone, hydrogène et oxygène. Selon la nature des bio-producteurs et l’environnement des sédiments, trois types de kérogènes sont distingués. Avec l’enfouissement dans les bassins sédimentaires et la maturation thermique, la composition chimique des kérogènes évolue, notamment par la genèse de pétrole. C’est le stade de catagenèse*, aussi appelée « fenêtre à huile ». Dans leur évolution ultime, les kérogènes génèrent des hydrocarbures gazeux. C’est le stade de la mutagénèse, aussi appelée « fenêtre à gaz »
URL http://books.openedition.org/editionscnrs/docannexe/image/10954/img-2.jpg
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Auteurs

Géochimiste du pétrole, Chargé de Recherche au CNRS, GéoRessources, Vandoeuvre-lès-Nancy.
raymond.michels@univ-lorraine.fr

Géologue, Géochimiste, Directeur Expert, IFP Énergies nouvelles, Rueil-Malmaison.
alain-yves.huc@ifpen.fr

© CNRS Éditions, 2013

Conditions d’utilisation : http://www.openedition.org/6540

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