Carburants fossiles :
Synthèse entre bactéries, déchets organiques et minéraux
L’origine de tous les carburants fossiles, on trouve le kérogène, mélange d’argile et de matière organique en décomposition en absence d’oxygène (anaérobie). En s’enfonçant dans le sol sous l’action de la tectonique des plaques, le kérogène est soumis à des températures et pression croissantes et se transforme en s’enrichissant en carbone tout en s’appauvrissant en eau (pyrolyse) .
Table
des matières
2-
Déchets organiques et sédimentation
6-9 Gaz naturel
1- Définition du Kérogène
Le kérogène est formé par l’action des micro-organismes (bactéries ) sur les déchets organiques (mélange sédimentaire initial) en présence de l’argile du sol.
2- Déchets organiques et sédimentation
Sur
notre planète, vivent et meurent en permanence, des multitudes d'organismes,
composés pour l'essentiel de carbone, hydrogène, azote
et oxygène.
Ils constituent la biomasse. Une faible partie de
cette biomasse sédimente à sa mort (lorsqu'elle se retrouve incluse dans des
couches minérales sédimentaires en formation). Le processus de sédimentation
est un processus lent et permanent au fond des océans et des lacs, qui produit
certes peu d'effets à l'échelle d'une vie humaine, mais est d'une importance
capitale à l'échelle des temps dits « géologiques » (quelques
millions à quelques milliards d'années).
3- Formation d'un composé solide appelé kérogène
Tous les sédiments formés, s'ils sont minéraux en apparence, comportent une fraction de matière organique (1 % en moyenne), qui se retrouve « piégée » dans le sédiment minéral en formation. Cette fraction organique subit une première transformation par les bactéries en début de sédimentation, et conduit à la formation d'un composé solide appelé kérogène, disséminé - vu sa faible proportion : de simples petits filets dans la partie minérale. Cette dernière s'appellera la « roche mère ».
Bien
qu'il ne soit présent qu'en faibles proportions dans les sédiments en règle
générale, le kérogène représente, à l'échelle de la planète, une masse totale
de 10 000 000 Gt (rappel : 1
Gt = 1 milliard de tonnes). Seulement 0,1 % de ce kérogène (c’est-à-dire
un millième de la totalité de la matière organique sédimentée) forme le charbon
(mais cela fait encore 10.000 Gt !), le gaz et le pétrole représentent
chacun 0,003 % du kérogène total en ordre de grandeur (mais cela fait
encore quelques centaines de milliards de tonnes).La formation proprement dite
du kérogène commence par la formation de la roche dite mère : il
s'agit initialement de boues dans lesquelles les molécules organiques sont
présentes.
4- Evolution du kérogène par pyrolyse
De
par la tectonique des plaques, les sédiments
s'enfoncent lentement dans le sol. De par la géothermie,
la température ambiante augmente alors progressivement. La vitesse
d'enfouissement étant variable, la température de l'ensemble sédimentaire
augmente de 0,5 à 20 °C par million d'années. À son tour, chaque
petit filet de kérogène produit de l'eau qui est parfois expulsée sous l'effet
de la pression des couches situées au-dessus du sédiment.
· Donc,
à cette étape, les boues de sédimentation se solidifient en roches poreuses,
dites roches mères, pouvant se retrouver à plusieurs centaines de mètres
de profondeur (jusqu'à trois kilomètres pour les plus profondes), tandis que
les matières organiques se transforment, en plusieurs phases, en eau et kérogène.
5- Pyrolyse complète du kérogène
À partir de 50 à 120 °C, le kérogène subit, en anaérobie, une décomposition thermique : la pyrolyse. Dans un premier temps, cette décomposition « extrait » l'eau et le CO2 du kérogène. Ensuite, les températures croissant continuellement, le kérogène expulse des hydrocarbures liquides : le pétrole et le gaz « naturel ». Chaque petit filet de kérogène commence donc à produire des hydrocarbures. Plus le sédiment est profond (et donc plus chaud), et plus la fraction de gaz est importante du fait d'une pyrolyse plus intense (en temps comme en température), décomposant ainsi plus fortement le kérogène puis les hydrocarbures liquides eux-mêmes. Il « suffit » de quelques millions d'années pour que le kérogène se transforme partiellement, sous l'effet de la chaleur, en charbon ou pétrole, gaz, CO2 et eau.C'est l'apparition du gaz, au fur et à mesure que le kérogène est porté à une température croissante (résultant de l'enfouissement), qui finit par stopper la pyrolyse. La pression de gaz dans les petites poches qui contenaient le kérogène initial augmente en effet dans les couches profondes (de plus en plus chaudes), et lorsque cette pression devient suffisante pour vaincre « l'imperméabilité » de la roche mère, la fraction liquide et la fraction gazeuse sont progressivement expulsées de la roche mère. L'âge de la roche mère varie de 1 million à 1 milliard d'années au moment de la migration. Pour le pétrole, l'âge le plus fréquent se situe aux alentours de 100 millions d'années.
6- Evolution du kérogène : formation de combustibles
6-1 Charbon
Il
est dû à une variété particulière de kérogène, qui se forme à partir de débris
de végétaux dits « supérieurs » (arbres, fougères, prêles, lycopodes
...). C'est un kérogène qui présente la caractéristique d'être dominant dans le
sédiment au lieu d'y être minoritaire. Le premier stade de sédimentation
conduit à la tourbe.
Lors de l'enfouissement, la pyrolyse conduit ensuite à la formation de lignite,
puis de houille,
puis d'anthracite, qui est du carbone
presque pur, débarrassé de l'essentiel de son hydrogène
(et comme il s'agit d'un stade ultime de pyrolyse, l'anthracite est
généralement le plus profond des charbons). Comme pour les autres kérogènes, le
charbon produit du pétrole et du gaz au cours de son enfouissement, bien qu'en
moindres quantités en ce qui concerne le pétrole. La formation de pétrole à
partir du charbon a lieu au stade houille, et le méthane formé s'appellera le grisou.
· Inversement,
on peut produire à partir du charbon :
o
de l'essence synthétique (extrêmement onéreuse, sa
production n'est valable qu'en temps de guerre),
o
du coke
(à partir des cokeries), petits boulets de charbon utilisables pour le
chauffage et l'industrie sidérurgique.
6-2 Pétrole
Chaque petit filet de kérogène a produit à peu près tous les hydrocarbures qu'il pouvait produire (il ne reste quasiment plus d'hydrogène dans le sédiment). Sous la pression du gaz, « la migration primaire » commence.
·
Après avoir été
expulsés de la roche mère, les hydrocarbures, le gaz et l'eau
entament alors une « migration secondaire » : ils
« suintent » le long des couches perméables qui jouxtent les couches
de roche mère (laquelle est généralement peu perméable, comme il est expliqué
ci-dessus), en se dirigeant vers la surface sous l'effet de la pression des
couches de sédiments situées au-dessus.
·
Ces fuites de
pétrole sont fréquentes, et comme elles peuvent provenir soit de roches mères,
soit de réservoirs déjà formés dont l'étanchéité est rompue, elles ont servi
longtemps de marqueurs pour trouver des gisements, au début de l'exploration
pétrolière.
·
Pour qu'existe un
gisement exploitable d'hydrocarbures liquides, il faut qu'ils se
« concentrent » quelque part avant de parvenir au sol, ce qui,
pratiquement, nécessite qu'ils soient arrêtés dans leur remontée vers la
surface par un « piège ». En pratique, ce piège est une nouvelle
couche imperméable formant le plus souvent une espèce « d'accent
circonflexe » au-dessus de la roche poreuse dans laquelle le pétrole
circule. Il peut s'agir d'une couche de sel, de marne, etc. À cause de leur
densité respective, l'eau expulsée de la roche mère vient se loger en dessous
du pétrole, et le gaz au-dessus. À ce stade, le pétrole est dit
« conventionnel ». La roche qui contient le pétrole s'appelle un réservoir.
· Lorsque
le kérogène a produit tous les hydrocarbures qu'il pouvait produire, cela
signifie qu'il a perdu tout son hydrogène. Il reste un composé proche du
charbon, mais pas nécessairement exploitable pour autant car il est toujours
disséminé dans la roche mère à des teneurs inférieures à 1 % en moyenne.
Mais
l'histoire de ce réservoir de pétrole ne s'arrête pas là : pris dans le
ouvement de tectonique des plaques, il se trouve inexorablement entraîné vers
les couches profondes de plus en plus chaudes. De ce fait, le pétrole peut
subir une nouvelle pyrolyse, (un peu l'équivalent d'un craquage thermique en
raffinerie) qui va produire du gaz et une variété particulière de bitume
(le pyrobitume) en quantités croissantes avec le temps et la température.
6-3 Gaz naturel
Si
le réservoir, décrit ci-dessus, est bien étanche (d'argile,
de glaise,
...), cette nouvelle plongée entraîne la formation d'un gisement
essentiellement gazier. Si le réservoir est insuffisamment étanche, le gaz s'échappe
et il ne reste que les bitumes (ou asphaltes) dans les porosités de la roche
réservoir. Cela explique pourquoi, dans les bassins sédimentaires, les
réservoirs de gaz sont généralement plus profonds que les gisements pétroliers
(en fait pétro-gaziers).
· Pour
résumer le schéma d'ensemble des produits susceptibles de migrations (pétrole
et gaz) :
o
2 - migration
secondaire, le long des roches poreuses, des failles ;
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