Comment se forment les hydrocarbures (charbon, pétrole, gaz)

Comme on parle beaucoup de pétrole suite aux attaques en Arabie Saoudite, je saisis l'occasion pour vous expliquer comment se forment les hydrocarbures.

Les molécules d'hydrocarbure

Le charbon, le pétrole et le gaz sont principalement constitués de molécules d’hydrocarbures ($C_n{H}_m$), i.e. des molécules constituées d’hydrogène (H) et de carbone (C) :

La présence de biomarqueurs (rapport isotopique, propriétés optiques, similitude dans la structure) dans ces molécules ont permis de montrer l’origine organique de ces combustibles fossiles.

La formation des charbons

Les charbons résultent de l’accumulation de matière organique végétale dans des zones marécageuses ou lacustres (lac) qui ont empêché leur dégradation. En fonction de leur enfouissement, ils se transformeront en différents types de charbon :

Je n’approfondirai pas leur formation.

La formation du pétrole et du gaz

A l’inverse des charbons, le pétrole ou le gaz sont issus majoritairement de matières organiques marines qui se sont accumulées le long de marges continentales.

Cette accumulation représente moins de 1% de la biomasse morte car la majeure partie est décomposée et consommée par d’autres organismes.

En effet, la préservation de cette matière organique dépend :

• de la production primaire de matière organique,
• de la sédimentation,
• de la présence d’oxygène.

Une forte production primaire de matière organique n’assure pas une forte concentration de celle-ci dans les sédiments. Pour en être convaincu, il suffit de regarder la carte de production primaire de matière organique :

On remarque que les zones où la production primaire de matière organique est la plus forte ne correspondent pas toujours aux zones où les sédiments ont la plus forte concentration en matière organique :

Le taux et le type de sédimentation sont importants car ils influent sur le contact de la matière organique avec le dioxygène et donc de sa préservation :

• avec dioxygène, la matière organique est détruite par des bactéries aérobies qui la minéralisent (second schéma de l'image ci-dessous),
• sans dioxygène, la matière organique est conservée, mais dégradée par des bactéries anaérobies qui prélèvent l’oxygène et l’azote de la matière organique (premier schéma).

Les phénomènes d’upwelling (remontée d’eaux froides) qui apportent des nutriments aux eaux de surfaces augmentent️ la production primaire et participent à la conservation de la matière organique par la réduction de la teneur en dioxygène de l’eau.

La dégradation de la matière organique par des bactéries anaérobies engendre la formation d’une matière fortement concentrée en carbone et hydrogène que l’on appelle kérogène et qui va être disséminée au sein de la roche que l’on appellera roche-mère (parent du futur hydrocarbure 😁).

Au cours des temps géologiques, sous l’effet de la tectonique des plaques (mouvement dû à la convection très lente de croûte terrestre), la roche-mère s’enfonce lentement dans le sol. La température et la pression augmentent sous l’effet de la géothermie (radioactivité naturelle des roches).

A partir d’une certaine profondeur/température, une réaction de pyrolyse se déclenche formant ainsi de l’huile (pétrole) et du gaz. Si la roche continue de s’enfoncer, l’huile se transforme alors en gaz. Si l’enfouissement continue, tout «cuit» et le gaz est perdu.

On a donc deux intervalles de température/profondeur que les pétroliers appellent fenêtre à huile et à gaz (oil/gaz window). Ces intervalles ne sont pas absolus mais dépendent du gradient géothermique de la région qui peut différer en fonction de l’activité magmatique.

“Et voilà, on a plu qu’à faire un forage pour récupérer le pétrole/gaz ! 🤠”

“Et non, pour l’instant notre huile/gaz est emprisonné dans la roche-mère au sein de petits filets donc difficilement exploitable. Le pétrole liquide conventionnel est situé dans des roches-réservoirs.”

Lors de la formation du gaz et du pétrole, sous l’effet de la pression, le gaz/pétrole (et l’eau) peut vaincre l’imperméabilité de la roche-mère et s’échapper dans les roches adjacentes. C’est la migration primaire. (1)

Si ces dernières sont poreuses et perméables le gaz/pétrole continue sa course jusqu’à la surface ou une roche “couverture” imperméable formant ce qu’on appelle un piège. C’est la migration secondaire. (2)

Différents types de pièges existent mais le cas typique est l’anticlinal. La roche poreuse contenant ainsi l’hydrocarbure est appelé roche-réservoir. L’ensemble (i) roche-mère, (ii) roche-réservoir, (iii) roche-couverture forment un système pétrolier.

Il faut bien comprendre que lors de la formation/migration des hydrocarbures, l’âge de la roche-mère peut atteindre plusieurs dizaines voire centaines de millions d’année ! D’où le terme de combustible fossile ! Ici une frise chronologique d’un système pétrolier au sein de l’Arabie Saoudite.

“Ok, mais que se passe-t-il si le pétrole/gaz ne sort pas de la roche mère ou au contraire atteint la surface ?”

“Cela forme alors ce qu’on appelle des réserves non-conventionnelles”

Si lors de la migration secondaire, les hydrocarbures ne rencontrent aucun piège et arrivent à la surface, ils sont alors dégradés par l’action des bactéries et forment alors des bitumes. Les sables bitumineux (“tar sands”) de l’Alberta en sont un exemple.

A l’inverse, si le gaz/pétrole n’a pas effectué sa migration primaire et est resté dans sa roche-mère, il forme alors ce qu’on appelle un gaz/pétrole de roche-mère (shale gas/oil, improprement appelé pétrole de “schiste”). Et il existe d'autres possibilités (cf image) 😊

Voilà, la suite dans un prochain épisode !



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