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Géologie de l’Arabie saoudite

Quand on parle de l’Arabie Saoudite, on pense inévitablement au pétrole. La recherche de minéraux et de combustibles fossiles est l’une des raisons d’être de la géologie, et surtout, elle constitue surtout une très importante source de financement. Elle permet aux géologues d’acquérir une connaissance approfondie d’endroits qui, sans leurs ressources, seraient restés inexplorés. On est donc beaucoup mieux renseigné sur le nord-est de l’Arabie saoudite, où se trouvent les champs pétrolifères, que sur le sud-ouest, qui est une zone montagneuse avec des roches volcaniques.

Richard M. Pollastro, USGS

La carte de l’U.S. Geological Survey montre que l’Arabie saoudite se trouve sur une plaque continentale appelée la plaque arabique. Elle faisait partie de la plaque africaine jusqu’à l’Oligocène (de 34 à 23 Ma), période durant laquelle le rift de la Mer Rouge s’est ouvert. Le Koweït, l’Irak, la Syrie et la Jordanie se trouvent sur la même plaque, ainsi qu’une petite partie de l’Iran. Le Golfe persique n’est qu’une portion de continent envahi par la mer. Il ne dépasse pas 100 mètres de profondeur, à la différence du Golfe d’Oman qui est océanique. La plaque arabique était autrefois séparée de l’Eurasie par un océan. Celui-ci s’est fermé puis la plaque est entrée en collision avec l’Iran, formant la chaîne de montagnes du Zagros. En allant vers le nord-est, on rencontre d’abord une ceinture de plis (Zagros fold belt), c’est-à-dire une zone où la croûte continentale a été plissée, puis la zone de suture entre la plaque arabique et l’Iran.

La plaque arabique résulte de l’assemblage de microplaques et d’arcs insulaires durant le Précambrien, de 715 à 610 millions d’années. Son socle date par conséquent de cette époque. Il est constitué de roches magmatiques et métamorphiques qualifiées de « cristallines ». Elles affleurent au sud-ouest, sur le bouclier arabe (Arabian shield). La suture d’Amar, indiquée sur la carte et datée de 640 à 620 Ma, est un souvenir des collisions qui ont donné naissance à la plaque arabique. L’ouverture de la Mer Rouge, qui est en fait un océan, a soulevé le bord de la plaque, formant les montagnes du Hejaz. Elles culminent à 3 133 mètres au Jabal Sawda. Leur surrection s’est accompagnée d’un important volcanisme basaltique. Entre le bouclier arabe et la ceinture de plis, la plaque arabique est restée à peu près plane. Depuis le Cambrien, elle a fréquemment été recouverte par la mer et a accumulé de 4 500 à 13 700 mètres de sédiments. L’épaisseur de cette couverture sédimentaire augmente en direction de l’Iran. C’est autour du Golfe persique et dedans que se trouvent tous les champs pétroliers et gaziers saoudiens, indiqués respectivement en vert et en rouge sur la carte. Les réserves des autres pays n’y figurent pas.

Panorama du cratère Al Wahba. @ SariSabban / Wikimedia Commons.

Le Paléozoïque

Le cratère Al Wahba se trouve sur le plateau basaltique Harrat Kishb. Il a été créé par une explosion phréatomagmatique : la rencontre de magma avec des eaux souterraines. Il est tapissé de phosphate de sodium blanc. À la fin du Précambrien et au début du Cambrien, la plaque arabique était proche de l’équateur. Des rifts se sont formés entre 570 et 530 Ma à cause de contraintes extensives. Le système de failles de Najd (Najd fault system) est un témoin de cette période. La mer a envahi les bassins ainsi créés et l’évaporation de l’eau a entraîné la précipitation de sels qui se sont déposés en d’épaisses couches sur le socle cristallin : ce sont les sels d’Hormuz, dont l’épaisseur atteint 2 500 mètres, et ceux du Rub’ Al Khali. Ils ont joué un rôle important dans la genèse des champs pétroliers, car grâce à leur faible densité, les sels montent au fil des millions d’années en repoussant les sédiments situés au-dessus d’eux. Ces structures en forment de dôme sont appelées des diapirs. Elles sont des pièges à hydrocarbures que l’on peut détecter grâce aux anomalies du champ de gravité qu’elles créent. Les sels d’Hormuz ont également joué un rôle dans la ceinture de plis du Zagros, car les sédiments sus-jacents se sont littéralement décollés lors de la collision entre la plaque arabique et l’Iran. Ils forment une « couche savon ». Ce phénomène est observable dans toutes les chaînes de montagnes qui comportent des couches de sels, y compris en France où elles datent du Trias.

La fin de l’Ordovicien (de 485 à 444 Ma) est marquée par la première grande extinction d’espèces. Cette crise est attribuée à une glaciation. À ce moment, le pôle sud se trouvait dans le Sahara occidental. Toute l’Afrique et une partie de l’Amérique du Sud ont été recouverts par une calotte glaciaire. Elle a laissé des traces en Arabie saoudite. On distingue deux épisodes d’extinction, le premier coïncidant avec le début de la glaciation et le deuxième avec sa fin : c’est la limite entre l’Ordovicien et le Silurien. La fonte de la calotte glaciaire a fait monter le niveau des mers, si bien que la plaque arabique a été partiellement émergée. Un défaut d’oxygène dans les mers a permis la conservation de matière organique, qui s’est sédimentée avec des argiles sur l’Afrique du Nord et l’est de la plaque arabique. Cela a donné une roche constituée de lamelles extrêmement fines, de couleur gris sombre à noire, qualifiée fautivement de schistes. On devrait l’appeler une argilite ou une pélite, mais la dénomination habituelle est conservée ici. Ce sont les schistes de Qusaiba. Ils contiennent entre 2 et 6 % en poids de carbone organique. On y trouve des fossiles, dont des graptolites, des animaux en forme de plantes de l’Ordovicien et du Silurien. La matière organique contenue dans ces schistes s’est transformée en hydrocarbures : ce sont leurs roches-mères. Seuls les gaz sont exploitables. Ils ont migré dans les roches situées au-dessus des schistes de Qusaiba, à savoir les formations de Jauf, d’Unayzah et de Khuff que je cite plus loin. Ces dernières sont les roches-réservoirs. Elles sont surmontées de roches imperméables, empêchant les hydrocarbures de monter plus haut. En l’occurrence, c’est de l’anhydrite (du sulfate de calcium), qui se forme par évaporation de l’eau de mer.

Richard M. Pollastro, USGS

Durant tout le reste du Silurien (de 444 à 419 Ma), il n’y a pas eu de sédimentation parce que les terres étaient émergées. Le Dévonien (de 419 à 359 Ma) est marqué par un événement important, lié à la surrection de la chaîne hercynienne en Europe occidentale et centrale. L’Afrique, la plaque arabique, la Turquie et l’Iran étaient alors inclus dans le supercontinent Gondwana. et celui-ci est entré en collision avec la Laurasie. L’océan qui les séparait était la Paléotéthys. Il s’est fermé par subduction, le plancher de la Paléotéthys s’enfonçant sous le Gondwana. Cela a provoqué une compression de la plaque arabique avec des failles « inverses », comme celles représentées sur la figure. Le terrain surélevé entre deux failles s’appelle un horst. L’un d’eux, de direction nord-sud, est à l’origine du champ pétrolier géant de Ghawar, le plus grand du monde. Il se présentait comme une grande crête. La plaque arabique a été la plupart du temps émergée durant tout le Dévonien. Les sables transformés en grès et les argiles, déposés par des fleuves ou dans des mers peu profondes, constituent les formations de Tawil, Jauf et Jubah. La seconde se trouve actuellement à plus de 4 000 mètres de profondeur et a entre 89 et 145 mètres d’épaisseur.

Le Carbonifère (de 359 à 299 Ma) est marqué par une forte érosion qui a retiré plus de 1 000 mètres de roches à la crête de Ghawar. À la fin de cette période et au début de la période suivante, le Permien (de 299 à 252 Ma), de nouvelles glaciations se sont produites sur le Gondwana. Elles ont laissé des sédiments glaciaires dont des dunes de sable de climat froid, qui constituent de bons réservoirs pour les hydrocarbures. C’est la formation d’Unayzah. Je montre une reconstitution de l’Arabie Saoudite présentée en 2007 par Bandar D. Al-Anazi. Le bouclier arabe est une zone sans sédimentation, voire d’érosion. Le champ de dunes s’étend de là jusqu’à l’actuel Qatar, et au sud, se trouve probablement un grand lac glaciaire.

Bandar D. Al-Anazi, What you know about The Ghawar Oil Field,
Saudi Arabia?, CSEG Recorder, April 2007.

Un événement majeur se produit durant le Permien : la Turquie et l’Iran, ainsi que d’autres territoires plus à l’est, se détachent du Gondwana. Ce continent de forme allongée s’appelle le superterrane cimmérien. Le nouvel océan qui s’ouvre entre lui et le Gondwana est la Néotéthys. Il est l’ancêtre de la Méditerranée. La mer, de retour sur la plaque arabique, dépose du calcaire et de la dolomite, les principaux constituants de la formation de Khuff. La dolomite, qui est du carbonate de calcium et de magnésium, est un excellent réservoir de gaz. Durant le Trias (de 252 à 201 Ma), l’ouest de la plaque arabique est émergée et son érosion fournit des sédiments qui s’accumulent dans la mer, à l’est. Puis celle-ci se retire et la sédimentation devient continentale sous un climat de plus en plus aride. Du sable riche en quartz se dépose. Peu à peu, la plaque arabique monte vers le nord.

Le Mésozoïque

Au cours du Jurassique (de 201 à 145 Ma), l’Arabie saoudite est située en zone tropicale. La sédimentation est difficile à décrire car elle a varié dans l’espace et dans le temps, mais les strates du Jurassique sont très importantes puisque ce sont les roches-mères et les roches-réservoirs du pétrole saoudien. Les premières, du Jurassique moyen, sont celles du Jabal Tuwayq. Cette montagne est en fait un plateau situé au centre de l’Arabie saoudite, sur lequel Riyad a été bâtie. Du côté ouest, il s’achève brutalement par une falaise de plusieurs centaines de mètres de haut. Elle illustre le présent article. On y voit des successions de roches laminées riches en matière organique, qui sont des mudstones et des wackestones. Les premières sont des « roches de boue » contenant moins de 10 % de grains de sable. Les secondes en contiennent plus de 10 %. La matière organique, principalement des algues, s’est déposée sous quelques dizaines de mètres d’eau, dans des sous-bassins, et a été préservée grâce à des conditions anoxiques. Dans l’Arabie centrale, l’épaisseur de ces roches atteint 150 mètres. Elles contiennent en moyenne 3,5 % en poids de carbone organique, parfois jusqu’à plus de 13 %. Il existe une autre formation pétrolifère, celle de Hanifa, mais elle est moins épaisse. Durant tout le reste du Jurassique, du calcaire et de l’anhydrite ont sédimenté, le calcaire étant la roche-réservoir du pétrole. Le Tithonien (de 152 à 145 Ma), à la fin du Jurassique, a vu le dépôt d’une épaisse couche d’anhydrite qui empêche le pétrole de monter dans les couches supérieures.

Les roches du Crétacé (de 145 à 66 Ma) ne seront pas décrites. Elles contiennent de la matière organique mais celle-ci ne s’est pas encore transformée en pétrole. Il y a 92 Ma, commence une phase de compression sur la plaque arabique, dû à un mouvement de rotation de l’Afrique et à la fermeture de la Néotéthys. Son plancher a été poussé sur la plaque arabique, à l’emplacement de l’actuel sultanat d’Oman, où il est devenu une chaîne de montagnes d’un type très particulier. Elle a été érodée jusqu’à la racine, mais depuis 10 Ma, elle recommence à s’élever. Cette zone est indiquée sur la carte (Oman Mountains). À cet endroit, la plaque arabique s’enfonce sous une plaque océanique. Ce phénomène, ainsi que la collision de la plaque arabique avec l’Iran, a entraîné la formation de plis qui sont des pièges à pétrole. Il s’agit plus exactement d’anticlinaux : un bombement de la croûte continentale. Le champ pétrolier de Ghawar se trouve ainsi dans l’anticlinal d’En Nala.

Richard M. Pollastro, USGS.

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Cet article doit beaucoup au rapport de Richard M. Pollastro publié en 2003 par l’U.S. Geological Survey : Total Petroleum Systems of the Paleozoic and Jurassic, Greater Ghawar Uplift and Adjoining Provinces of Central Saudi Arabia and Northern Arabian-Persian Gulf.

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