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Energies et climat

La formation du pétrole et du gaz naturel

Chevalet de pompage dans le Wyoming, 29 juin 2012. @ Michael C. Rygel / Wikimeda Commons / CC BY-SA 3.0.

Le pétrole et le gaz naturel sont constitués de matière organique dégradée. Le carbone est le constituant principal de cette dernière, les autres éléments étant, par ordre d’importance décroissante, l’hydrogène, l’oxygène, le soufre et l’azote. Le but de cet exposé n’est pas de présenter l’ensemble des réactions chimiques qui se produisent lors de la dégradation de la matière organique, mais il y a un renseignement essentiel à donner. Dans l’atmosphère et dans les minéraux, le carbone est normalement oxydé. Il s’associe à des atomes d’oxygène qui lui soutire les électrons, comme dans le dioxyde de carbone CO₂ et la calcite CaCO₃. Comme l’oxygène capte des électrons, il est dit « réduit ». Il se produit une réaction d’oxydoréduction. Or dans la matière organique, le carbone est réduit au lieu d’être oxydé. C’est le résultat de la photosynthèse effectuée par les cyanobactéries et les plantes, lesquelles se trouvent à la base de la chaîne alimentaire. La matière organique est parfois représentée de manière très simplifiée par la formule CH₂O. C’est la présence de l’hydrogène H qui a un effet réducteur sur le carbone. Ainsi, la photosynthèse s’écrit :

CO₂ + H₂O + [énergie solaire] → CH₂O + O₂.

Le pétrole provient de micro-organismes morts qui s’accumulent au fond des lacs et des mers. Il y a surtout du phytoplancton (plancton végétal) et du zooplancton (plancton animal), mais il peut aussi y avoir des débris de végétaux terrestres transportés par les rivières et fleuves. Ils sont mêlés à des sédiments, principalement à des argiles. Dans les dépôts actuels du Pacifique Nord et Sud, il n’y a en moyenne que 0,25 % de carbone organique. En Méditerranée, ce nombre va de 0,5 à 1 %. Les sédiments fins comme les argiles sont peu perméables et protègent mieux la matière organique de l’oxydation que les sédiments plus grossiers comme le sable. Pour qu’elle puisse se transformer en pétrole, elle ne doit pas être exposée à l’oxygène dissous dans l’eau, sans quoi elle est détruire par la réaction inverse de la photosynthèse. Les milieux où elle se dépose doivent donc être anoxiques. C’est le cas des profondeurs de la Mer Noire. Dans cette mer fermée, les masses d’eau stagnent et se stratifient. À partir de quelques centaines de mètres de profondeur, il n’y a plus d’oxygène. On y trouve au contraire de l’hydrogène sulfuré H₂S à l’odeur d’œuf pourri, formé par réaction de la matière organique avec les ions sulfate, qui sont abondants dans l’eau de mer :

2 CH₂O + SO₄²⁻ → H₂S + 2 HCO₃⁻ (ions bicarbonate).

Un tel milieu est dit euxinique (du Pont-Euxin, ancien nom de la Mer Noire). L’absence d’oxygène interdit aux animaux d’y vivre, notamment à la faune benthique (qui vit sur les fonds marins). Le calcaire est dissous par les acides organiques. Les sédiments se déposent lentement et rien ne peut les perturber, puisqu’il n’y a pas de courants ni d’animaux. Des successions de périodes de développement intense de plancton se traduisent par une stratification des sédiments.

Dans une mer ouverte, les conditions climatiques peuvent augmenter l’activité planctonique. À quelques centaines de mètres de profondeur, la consommation d’oxygène peut être supérieure à sa production, si bien qu’une zone anoxique apparaît. L’oxygène reste présent en surface grâce aux vents et aux courants, qui brassent les eaux de surface. Il peut également subsister sous la zone anoxique, grâce à l’insuffisance de l’activité planctonique et benthique consommatrice d’oxygène. Cette situation existe actuellement dans le nord de l’océan Indien. Durant le Jurassique et le Crétacé, des évènements anoxiques globaux se sont produits grâce à un climat très chaud : au Toarcien (de 183 à 174 millions d’années), à l’Aptien (de 125 à 113 Ma) et surtout au passage Cénomanien/Turonien il y a 94 Ma. L’oxydation d’une matière organique surabondante a entraîné la disparition de l’oxygène jusque dans les fonds océaniques. Ce sont des périodes propices à la formation de pétrole.

La première étape, la diagenèse précoce, se produit dans la couche d’argiles encore imbibées d’eau, formant une boue. Jusqu’à un mètre de profondeur, il apparaît de l’hydrogène sulfuré (réduction du soufre) et de la pyrite FeS₂ grâce à l’intervention de bactéries. La pyrite provient de la réaction des ions ferreux avec de l’hydrogène sulfuré. Plus en profondeur, la matière organique est dissociée en méthane CH₄ et en CO₂. Ces réactions provoquent donc une perte de matière organique. La seconde étape, la diagenèse tardive, transforme celle-ci en kérogène. C’est un solide qui ne peut pas être dissous dans les solvants habituels (organiques). L’évolution ultérieure de cette substance donne des hydrocarbures, composés comme leur nom l’indique de carbone et d’hydrogène : le pétrole et le gaz naturel.

La photo montre des fines strates noires, d’aspect feuilleté, riches en sulfures et surmontées de strates plus claires de calcaire. Elle a été prise dans la région d’Oslo. Ces roches sont datées de l’Ordovicien (de 485 à 443 Ma). Ces strates noires sont des argiles compactées, auxquelles du carbone, mais aussi de la pyrite, donnent cette couleur. Cette roche est souvent désignée par l’expression anglaise de black shale. Elle devrait être traduite en français par pélite noire. On parle plus souvent de schistes, mais de manière fautive puisque le schiste est une roche métamorphique produite par la transformation d’argiles à hautes pression et température. Les strates noires n’ont pas subi ce métamorphisme.

C’est dans ces pélites que les hydrocarbures se forment. On dit que ce sont leurs roches-mères. La poursuite de la sédimentation l’enfouit de plus en plus profondément. Les sédiments s’accumulent au fond de la mer, sur ces centaines et même des milliers de mètres d’épaisseur. Sous leur propre poids, ces roches s’enfoncent dans la Terre (c’est la subsidence). Dans le bassin parisien, leur épaisseur atteint les 3 500 m. Or la température augmente avec la profondeur. En moyenne, le pétrole se forme autour de 2 500 m de profondeur à des températures comprises entre 50 et 150 °C. Le gaz naturel apparaît surtout à partir de 3 000 m, entre 120 et 200 °C.

Ces hydrocarbures sont dispersés dans leur roche-mère. Au bout de plusieurs millions d’années, ils se déplacent de quelques dizaines ou centaines de mètres. On appelle cela la migration primaire. S’il y a des roches poreuses, constituées de sable ou de gravier, à proximité de la pélite, ils peuvent s’installer dedans. Cette migration est facilitée par une transformation de la pélite : libération d’eau, augmentation de la porosité… Une seconde migration, encore plus lente, peut se produire. Les hydrocarbures sont concentrés dans des poches, ce qui les rend facilement exploitables.

Voilà d’où viennent le pétrole et le gaz de schiste. Il s’agit en fait d’hydrocarbures qui sont restés dans leur roche-mère. Rien ne les distingue des hydrocarbures habituellement exploités, à part le fait qu’ils n’ont pas migré. Pour les exploiter, il faut donc fracturer la roche, et cela se fait par injection d’eau à haute pression. La photo donne une idée des roches où ils se trouvent.

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