LES COMBUSTIBLES FOSSILES

LESCOMBUSTIBLESFOSSILESExempledupétrole11.PETROLE,HUILE,GAZ1.1.Pétroles,huilesetasphaltes1.2.Gaz2.DELAMATIEREORGANIQUEAUPETROLE2.1.Lecycleducarbone2.2.Laformationdukérogène2.2.1.Lamatièreorganiquedansl'eauetlessédiments2.2.2.Conservationdelamatièreorganiquecarbonée2.3.Latransformationdukérogèneenpétrole2.3.1.DéfinitiondukérogèneetinfluencedelaMOd'origine2.3.2.Influencedelatempératureetdelapression2.3.3.Lesévénementsanoxiquesocéaniques2.3.4.Desfossilesmoléculairesdanslepétrole3.ACCUMULATIONDUPETROLE3.1.Migrations3.1.1.Migrationprimaire,expulsiondelarocheͲmère3.1.2.Migrationsecondaire,stockagedanslarocheͲréservoir3.2.Lespiègesàpétrole2AlbanCAILLETTEDEFINITIONDESPETROLESLepétroleestunmélangenatureld'hydrocarburesquiseformeauseinderochessédimentaires(lesrochesmères)àpartirdelatransformationdematièreorganique.D'ungisementàunautre,lepétrolen'apaslesmêmesconstituants.QUELQUESCARACTERISTIQUESPHYSIQUESDESPETROLESLespétroleslespluscourantssontliquides/huileux.Leurdensité variede0,6à0,9.Leurviscosité s'apparenteàcelledumiel.Lesmoléculesdupétrolesontimmisciblesdansl'eau3AlbanCAILLETTECompositionélémentairecomparéeentremondeminéral,animal(corpshumain)etvégétal(luzerne)D'aprèsJCCallen,Biologiecellulaire,Dunod,1999AMOSPHEREHYDROSPHERELITHOSPHERE(%demasse)CELLULEANIMALE(%demasse)CELLULEVEGETALE(%demasse)O50%O62,5%O77,9%Si25,8%C19,4%C11,3%Al7,3%H9,3%H8,7%Fe4,2%N5,1%N0,8%Ca3,2%Ca1,38%P0,7%Na2,3%S0,64%Ca0,58%K2,3%P0,63%K0,22%Mg2,1%Na0,26%S0,1%H0,9%Cl0,18%Cl0,07%Ti0,43%Mg0,04%Na0,03%Cl0,2%F0,009%Si0,0093%C0,18%Fe0,005%Fe0,0027%CHSON80Ͳ9010Ͳ140Ͳ30Ͳ20Ͳ1Lacompositionélémentairedespétrolesestlasuivante(en%demassed'élément)LACOMPOSITIONELEMENTAIREDESPETROLES4AlbanCAILLETTEHYDROCARBURESSATURESCYCLIQUES=NAPHTENESHYDROCARBURESAROMATIQUESLACOMPOSITIONMOLECULAIREDESPETROLES:LESHYDROCARBURES(contiennentduCetH)StéraneRHYDROCARBURESDUGAZNATURELEthaneMéthanePropaneCyclopentaneBenzèneNaphtalèneHHopaneRStéroïdemonoͲaromatiqueHYDROCARBURESSATURESLINEAIRES=PARAFFINESÀchaînedroite:Àchaînebranchée:ÀchaînebranchéedeCH3tousles4atomesdecarboneOriginebiologiqueAlcaneIsoͲAlcaneIsoprénoïde5AlbanCAILLETTERESINESASPHALTENESLACOMPOSITIONMOLECULAIREDESPETROLES:MOLECULESHETEROͲATOMIQUES(contiennentduC,H,N,SetO)NNSSSOOOHSHOHSH6AlbanCAILLETTELACOMPOSITIONMOLECULAIREDESPETROLESDanslepétrole,lesrésinesmaintiennentlesasphaltènesensolution:ellesfontlelienavecleshydrocarburesaromatiquesEtlesHydrocarburesparaffiniquesOHSHOHSHOHSHOHSH7AlbanCAILLETTELESCATEGORIESDEPETROLES:COULEURAPELLATIONDENSITE%RESINESETASPHALTENESTransparentͲbrunPétroleléger0,755RougeͲnoirPétrolecourant0,8515NoirHuilelourde0,9525NoirHuileextralourde135NoirAsphalte=bitume1,150PétrolesnonconventionnelsOHSHLACOMPOSITIONDUPETROLE:60%25%15%8AlbanCAILLETTELegaznaturelalamêmeoriginequelepétroleLacompositionmoléculairedugaznaturel:ͲMéthaneͲÉthaneͲpropaneLesgisementsdegazpeuventrenfermerdesquantitésdeͲdiazoteͲdioxydedecarboneͲd'hydrogènesulfuréHYDROCARBURESDUGAZNATURELPétroleetgaznaturelsontsolubles(d'autantplusquelapetlaTsontélevées).Denombreuxgisementdepétrolerenfermentdesquantitésdegazetinversement,desgisementsdegazrenfermentdupétrole.EthaneMéthanePropane9AlbanCAILLETTECO2ATMOSPHEREcarbonatessilicatescarbonatesOCEANCONTINENTSCO2HCO3-HCO3-+HHCO3-+Ca2+CO2dissoutsédimentsaltérationprécipitationbiosphereCorganiqueCorganiqueMANTEAUsubduction,métamorphismevolcanismevolcanismeorogenèse,métamorphismeR.carbonéesenfouissementCH4"dégazage»dissolutionphotosynthèserespiration,fermentationactivitéshumaines760G.tc10G.tc610G.tc39000G.tc50.106G.tc5000G.tcR.carbonéesCecyclemontrelepointcommunauxdifférentscircuitsducycleducarbone:L'atmosphèreLateneurencarboneconditionnelatempératureetdonclarépartitiondesêtresvivants.D'après:http://svt.acͲdijon.fr/schemassvt/10AlbanCAILLETTECorrélationentrematièreorganiquedanslesrochesetproductiondepétrole" Formationdesgisementsdepétrole ,étudegéologiquesfondamentaux »,C.Sallé etJ.Debyser,éditionsTechnip,1976Aucoursdestempsgéologiques,lesrochessédimentaires(Russieetétatsunis)quicontiennentleplusdecarboneorganiquecoïncidentaveclesgrandesréservesdepétrole.Ilesdoncintéressantdeconnaîtreactuellementleszonesdeforteproductivité primaireafindecomprendrelesprocessusdeformationdupétrole.Principed'actualisme11AlbanCAILLETTELaproductivitéprimairedesocéansaété évaluéeendétectantparlessatellites,laquantitédechlorophylleprésenteàlasurface.CartedelateneurencarboneorganiquedessédimentsmarinsLamatièreorganiqueesttrèsrapidementrecycléeparlesdécomposeursmaisunepartiepeutéchapperàladégradationsielleestpiégéedanslessédimentsquisedéposentaufonddesocéans.Source :NASA.90°60°30°0°30°60°90°90°60°30°0°30°60°90°180°120°60°60°0°120°180°180°120°60°60°0°120°180°0,5%Ͳ1%1%Ͳ2%>2%0,25%Ͳ0,5%<0,25%%decarbone/massetotalederochesècheD'après:http://svt.acͲdijon.fr/schemassvt/D'aprèslaNASA12AlbanCAILLETTELaMOvivantereprésenteenviron2%ducarboneorganiquedesocéansLephytoplanctonreprésentel'essentieldecettebiomasse89%(200Gt)Carbonedissous9%(20Gt)Détritus(4Gt)Phytoplancton(0,1Gt+0,1Gt)Bactéries+Zooplancton2%2.2.1.Lamatièreorganiquedansl'eauetlessédiments13AlbanCAILLETTELephytoplanctonestà l'originedelaproductivité primairedesocéans.Ilsecomposede:•Picoplancton(bactériesetcyanobactéries)•D'alguesunicellulaireshttp://www.marineͲgenomicsͲeurope.org/gallery/http://www.oceanͲocean.org/Lephytoplanctonvitdanslazonephotique(100mdelasurface)Saduréedeviemoyenneestde3semaines:d'où unrenouvellementimportant2.2.1.Lamatièreorganiquedansl'eauetlessédiments14AlbanCAILLETTE10%delaproductiondanslazonephotiqueestexportéeetpeutatteindrelessédiments.Géologiedelamatièreorganique,F.Baudin,N.Tribovillard,J.Trichet,Vuibert,2007Danslazonephotique,Durantlachute,Danslessédiments,desbactériesdégradentlaMO=REMINERALISATION15AlbanCAILLETTE2.2.1.Lamatièreorganiquedansl'eauetlessédimentsD'aprèsGéologiedelamatièreorganique,F.Baudin,N.Tribovillard,J.Trichet,Vuibert,5CH2O+4NO3Ͳ2N2+4HCO3Ͳ+CO2+3H2OCH20+2Fe2O3+3H2OHCO3+4Fe2++7OH2CH2O+SO42Ͳ2HCO3Ͳ+HS+H2CH2O+H2OH+HCO3Ͳ+CH4dénitrificationRéductionduferRéductiondesnitratesMéthanogenèse(fermentation)aérobieanaérobieEauetsédimentssédimentsO2libreutiliséparlesbactériesO2liéutilisépard'autresbactériesFermentationsbactériennes(CHOH)106(NH3)16H3PO4+138O2106CO2+16NO3Ͳ+HPO42Ͳ+18H+122H2OOxydationdelaMO(représentéeparlamoléculedeRedfield)16AlbanCAILLETTE2.2.1.Lamatièreorganiquedansl'eauetlessédimentsͲO21.

LaviemicrobiennedisparaîtLepassageenmilieuanaérobie+O2LaMOestrapidementminéralisée:Perted'O,SetNROCHEMERECO2,H2O,CH4,SO42Ͳ,NH4+,NO3ͲMATIEREORGANIQUEGlucides,Protides,LipidesEnmilieuaérobieEnmilieuanaérobie:MOrestanteestincomplètementminéralisée:d'où préservationFORMATIONDUKEROGENELaMOestdavantageconservée17AlbanCAILLETTE2.2.1.Lamatièreorganiquedansl'eauetlessédimentsCONSERVATIONDELAMOPRODUCTIVITEPRIMAIREFORTE6CO2+6H20C6H12O6+6O2OXYGENATIONFAIBLE1.Solubilité 02del'eau2.Respirationdesorganismes3.Faiblevitessedecirculationdel'eaudanslessédiments4.Confinementdeseaux5.ConfinementdelaMOdanslessédiments(calcaires,argiles)OXIGENATIONFORTE1.Photosynthèse2.Dissolutiondel'O2l'interfaceair/océanTAILLEDESPARTICULESLesparticulesplusdensessédimententplusrapidementetsonmoinssoumisesauxoxydationsCONSOMMATEURSPRIMAIRESDECOMPOSEURSFacteur#1:l'oxygénation18AlbanCAILLETTE2.2.2.ConservationdelamatièreorganiquecarbonéeEllesscindentlesmacromoléculesorganiquesenmoléculesdepluspetitetailleetlesingèrentà traversleurmembranecytoplasmique:ProtéinesfragmentspeptidiquesacidesaminésGlucidesosessimplesLipidesacidesgrasetglycérolLesbactériesaérobiesdisposentd'unegammeétendued'exoͲenzymesets'attaquentdoncàdenombreuxsubstratsorganiques.Lesbactériesanaérobiesnedisposentqued'exoͲenzymesspécialiséesquis 'attaquentàdessubstratssimples.Donc,silaMOestpeudégradéeensurface,pardesbactériesaérobies,elleestpeudégradéeenprofondeurparlesbactériesanaérobies.19AlbanCAILLETTEFacteur#2:lesbactériessécrètentdesexoͲenzymes(danslemilieuextraͲcellulaire)2.2.2.ConservationdelamatièreorganiquecarbonéeAucoursdel'actionbactérienne,lesproduitsdeladégradationdesglucidesserecombinentavecdesceuxdesprotéines:Donc,laMOdégradéeensurface,pardesbactériesaérobiespeutserecondenser.ProtéinesfragmentspeptidiquesacidesaminésGlucidesosessimplesMoléculescomplexes=mélanoïdinespeudégradablesAucoursdesréactiondesulfatoͲréduction,desionssulfurespeuventêtreincorporésàdesmoléculesorganiquescréantdespontdiͲsulfuresintraetinterͲmoléculaires:LechangementdeconfigurationspatialenepermetpasauxexoͲenzymesdelesreconnaîtrecommesubstrats.Donc,laMOtransforméeparlesoufren'estplusdégradéepardesbactéries.Al'issuedeladégradationbactérienne,lesmoléculesorganiquesdefaiblepoidssontadsorbéesàlasurfacedeminérauxargileuxcequilesprotègedesattaquesbactériennes20AlbanCAILLETTEFacteur#3:LadégradationͲrecondensation2.2.2.ConservationdelamatièreorganiquecarbonéeFacteur#4:l'incorporationdusoufreFacteur#5:l'adsorptiondesmoléculesorganiquesauxmoléculesminéralesDiminutiondelaMOaveclaprofondeur:40%détruiteà1m70%détruiteà5m90%détruiteà10mNIVEAU(cm)KEROGENE%CORGANIQUE5Ͳ1547,652,450Ͳ6246,753,3120Ͳ13049,350,7183Ͳ19860,439,6Onestimequelafractionorganiquedessédimentsseréduità1%:D'aprèsO.K.Bordovskiy,1965:compositiondelamatièreorganiquedansunecarottedelamerdeBehringLaMOrestanteestincomplètementminéralisée:d'où préservationetFORMATIONDUKEROGENE21AlbanCAILLETTE2.2.2.ConservationdelamatièreorganiquecarbonéeGéologiedelamatièreorganique,F.Baudin,N.Tribovillard,J.Trichet,Vuibert,2007LekérogèneestunintermédiairechimiqueentrelaMOetlepétroleLekérogèneestunsolidedisséminé souslaformedefiletssombres,danslessédimentsLekérogèneESTlamatièreorganiquedessédiments2.3.1.DéfinitiondukérogèneetinfluencedelaMOd'origine22AlbanCAILLETTEL'analyseélémentairemontre:•C,O,H,SetNsontmajoritairesdanslekérogène•L'analysedecettecompositionpermetderetrouver*l'originedukérogène*sondegré d'évolution23AlbanCAILLETTE2.3.1.DéfinitiondukérogèneetinfluencedelaMOd'origineD'aprèsGéologiedelamatièreorganique,F.Baudin,N.Tribovillard,J.Trichet,Vuibert,2007TYPEI:environnementlacustre(kérogèneformé d'alguesrésistantesetdeprocaryotesconstituésdenombreusesmoléculesaliphatiques)TYPEII:environnementmarin(kérogèneformé deMOorganiquemarinedégradéepardesbactéries)TYPEIII:environnementdeltaïque(kérogèneformé deMOdevégétauxsupérieurs)OnreportelesrapportsH/CetO/Cdansundiagramme:24AlbanCAILLETTE2.3.1.DéfinitiondukérogèneetinfluencedelaMOd'origineAl'échelledelaplanète,onestimelamassedekérogèneégaleà10000000Gt0,1%decekérogènesetransformeencharbon:1000000Gt0,003%decekérogènesetransformeengazetpétrole:300000Gt25AlbanCAILLETTE2.3.1.DéfinitiondukérogèneetinfluencedelaMOd'origineLatransformationdukérogènedessédimentsestunetransformationchimique:elledépend:•DelaPression•DelaTempérature2.3.2.Influencedelatempératureetdelapression26AlbanCAILLETTED'aprèsGéologiedelamatièreorganique,F.Baudin,N.Tribovillard,J.Trichet,Vuibert,2007Selonl'évolutiondesrapportsH/CetO/Cprécédemmentdéfinis,onsitue3domainesthermiquesd'évolutiondukérogène:Cetteévolutionsetraduitpar1.DIAGENESE:époquedel'oxygèneOsedégagesousformedeCO2,H2O,acidesorganiques,2.DébutdeCATAGENESE:époquedel'hydrogèneHsedégagesousformed'hydrocarburesàfaibleT:leshuileslourdesàforteT:leshuileslégèresetlesgazFindeCATAGENESE:époqueducarboneLesquantitésdeOetdeHsontréduites:resteCquiévolueDIAGRAMMEDEVANKREVELEN3.METAGENESE:métamorphismedurésiducarboné27AlbanCAILLETTE2.3.2.InfluencedelatempératureetdelapressionKérogèneinitialKmGazHuiles01234510305070%d'hydrocarburesformésprofondeur200100T°CDIAGENESE:10à80°CReminéralisationparlesbactériesPertedesfonctionsdelaMOparaugmentationdeT:ͲCOOH,ͲNH2,ͲC=0,L'oxygènesoustraitentredanslacompositiondesrésinesetasphaltènes:insolublesCATAGENESE:80à 120°CCraquage(primaire)dukérogèneFormationdepetitsacides,derésinesetd'asphaltènesjusqu'à épuisementdesatomesdeOetNformationdeshydrocarbureslourdsetliquides(pétroles)Craquage(secondaire)del'huileetdukérogèneFormationdeshydrocarbureslégersetgazeux(méthane)etrésiducarboné deplusenplusaromatiqueMETAGENESE:120à200°CDestructionthermiquedeshydrocarburesetdespetitsacidesResteunrésiducarboné(éventuellementgraphite)28AlbanCAILLETTE2.3.2.Influencedelatempératureetdelapression2.3.3.Lesévénementsanoxiquesocéaniques(OAE)Aucoursdestempsgéologiques,desépisodespropicesaudépôtsd'argilessombres,richesenmatièreorganique(lesblackshales)correspondentauxévénementsanoxiquesocéaniquesDuréebrève:400000ansà1maLeplusimportantestceluidelalimiteCénomanienͲturonien(90ma)ͲExpansionocéaniqueimportante:transgressionmarinegénéraliséeͲVolcanismeactif:dégagementdeCO2dontlaconcentrationatteint6foislavaleuractuelle•D'où activationdelaphotosynthèse•D'où augmentationdelatempératurepareffetdeserresD'aprèsGéologiedelamatièreorganique,F.Baudin,N.Tribovillard,J.Trichet,Vuibert,200729AlbanCAILLETTEBIOMOLECULEGEOMOLECULE2.3.4.DesfossilesmoléculairesdanslepétroleDanslessédimentsoulekérogène,certainsfossilesmoléculairestémoignentdesonorigineorganique.Certainesbiomolécules(issuesdesparoiscellulaires,cuticules,pigments, )s'altèrentpeuetconserventleursquelettecarboné appelégéomolécule.ParoibactérienneprocaryoteMembranecytoplasmiqueeucaryotePigmentsvégétauxphytolNoyautétrapyrrolique30AlbanCAILLETTELeshydrocarburessetrouventdansdesrochesporeuseset/oufracturée,souventperméables:ͲSablesͲGrésͲCalcairesoolithiquesetrécifauxRochesͲréservoirs=rochesͲmagasins,pauvresenkérogèneLesrochesoù seformelekérogèneontunegranulationfine,peuperméables:ͲArgilesͲCalcairesfinsRochesͲmères,richesenkérogèneEx:calcaireasphaltiqueEx:schistebitumineux(argilite=blackshale)A.CailletteA.CailletteMIGRATION31AlbanCAILLETTELamigrationsedérouleen2étapes:#1:lamigrationprimaireexpulsiondupétroledelarocheͲmère#2:LamigrationsecondairetransfertverslarocheͲréservoir32AlbanCAILLETTE3.1.1.Migrationprimaire,expulsiondupétroledelarocheͲmèrePoresréduitsTensionà l'interfacehuile/eauForcesdecapillaritéFreinsaudéplacementdesfluidesCompactionaucoursdel'enfouissementRochesͲmèresExpulsiondesfluidesSurpression:fuitedel'eauetdel'huileFormationd'huileliquideàpartirdukérogènesolideporositéFormationdeshydrocarburesLesfacteursdelamigrationprimaireFissurationdelarocheͲmère33AlbanCAILLETTESilarocheͲmèreestricheenkérogèneLamigrationprimairealieulorsqueleshydrocarburesdeviennentdominantsetdépassentleseuilde20%delaporositéGéologiedelamatièreorganique,F.Baudin,N.Tribovillard,J.Trichet,Vuibert,200734AlbanCAILLETTE3.1.1.Migrationprimaire,expulsiondupétroledelarocheͲmèreSilarocheͲmèreestpauvreenkérogèneexpulsionKérogèneinitialKmGazHuiles01234510305070%d'hydrocarburesformésprofondeur200100T°C35AlbanCAILLETTE3.1.1.Migrationprimaire,expulsiondupétroledelarocheͲmère3.1.2.Migrationsecondaire,stockagedanslarocheͲréservoirROCHESͲRESERVOIRS:Ͳsableetgrés:62%desrochesͲréservoirsͲCalcairesoolithiquesetrécifaux:32%36AlbanCAILLETTELacharged'unréservoirnécessiteunebarrièreimperméablequibloquelamigrationdeshydrocarbures:larocheͲcouvertureUnpiègepétrolierestd'originetectoniqueͲAnticlinal(80%desréserves)ͲFaille(1,2%desréserves)Unpiègepétrolierestd'originestratigraphiqueͲDiscordance(2,8%desréserves)ͲBiseau,diapirsdeselsetautre(13,6%desréserves)Ͳrécif(2,2%desréserves)" Formationdesgisementsdepétrole ,étudegéologiquesfondamentaux »,C.Sallé etJ.Debyser,éditionsTechnip,1976Ex:gypseA.Caillette37AlbanCAILLETTEELEMENTSDEBIBLIOGRAPHIE" Formationdesgisementsdepétrole ,étudegéologiquesfondamentaux »,C.Sallé etJ.Debyser,éditionsTechnip,1976"Géologiedelamatièreorganique »,F.Baudin,N.Tribovillard,J.Trichet,éditionsVuibert,2007" fossilesmoléculairesd'intérêtmicrobiologique,pétrolier,agronomiqueetenvironnemental»,E.Lichtfouse,mémoiresurtravaux,1998" dictionnairedegéologie »,A.Foucault,J.F.Raoult,4ièmeédition,éditionsMasson,199538AlbanCAILLETTE