Pétrole, gaz naturel, charbon, combustible fossile

Produit énergétique (Pétrole, gaz
naturel, charbon, combustible fossile)
Charbon : 76%
Gaz : 8%
Sable, schiste bitumineuse 7%
Pétrole : 5%
Le pétrole est le plus énergétique. 1 tonne de pétrole équivaut à environ 1,6 tonnes de
charbon. Le pétrole d’origine biochimique qui provient de la matière organique qui se dégrade et se
pose dans les fonds marins.
I. Les matières organiques :
Les matières carbonées peuvent appartenir au monde végétal ou animal. Exemple : le
charbon : matière organique végétale et les planctons (matière organique animale) à l’origine du gaz
et du pétrole.
Dépôt et conservation de la matière organique :
1ère source : la charge terrigène qui provient du continent. Les particules les plus lourdes se
déposent au niveau du delta et les plus fines au niveau du talus. Enfin les plus légères se déposent au
fond.
2ème source : la charge allochimique, sédiment qui provient du bassin lui-même, les
zooplanctons fixent les éléments qui sont dans l’eau et les font précipiter en carbonate. Ils peuvent
les précipiter de manière directe en les fixant sur leurs coquilles ou de manière indirecte par
photosynthèse e, consommant le CO2 dans l’eau : précipitation de carbonate.
Dans les deux cas on obtient de la matière organique.
Le cycle du carbone :
Un cycle biochimique, biologique : production de matière organique par les organismes
vivants (photosynthèse).
Un cycle sédimentaire, la partie stockée dans les sédiments se transforme et produit du
pétrole. On les rebrûle pour revenir au CO2. 0.1% est stocké dans les sédiments. Jusqu’à 4% dans les
bassins fermés peu oxydés.
Les gisements de pétrole sont plus souvent trouvés dans les milieux :
- Marins
- Très fins et non grossiers donc dans un milieu de dépôt calme
- Dans les milieux à sédimentation rapide.
Transformation de la matière organique lors de son enfouissement :
Le dépôt très jeune est d’abord très riche en eau puis il va perdre son eau, car elle possède
une densité égale à 1 tandis que celle des sédiments est supérieure à 2,5. Au fur et à mesure de
l’enfouissement il y aura de moins en moins de sédiments.
Diagénèse : Passage du sédiment à la roche sédimentaire. (0 à 800m de profondeur).
La matière organique va subir des transformations, les molécules organiques solubles vont
disparaître (dissous dans l’eau). Les acides vont disparaître avec la profondeur. Il y a transformation
de la matière organique en acide humique.
Les bactéries ne pouvant pas tout digérer, il y a formation de macromolécules : Kérogène,
avec les restes de molécules.
Catagenèse : le Kérogène va se transformer en hydrocarbures. Phase de dégradation thermique. De
nouvelles molécules apparaissent de plus en plus pauvres en O, N et H mais plus riches en C.
- Kérogène I : issu du plancton nain : riche en H.
- Kérogène II : issu de la dégradation de plantes, riche en O, donne du charbon.
- Kérogène III : issu des milieux confinés.
I et II donnent beaucoup de pétrole alors que III pas intéressant ou il faudra qu’il soit enfouit en très
grande profondeur. La profondeur idéale pour former du pétrole à partir du kérogène étant entre
1000 et 4000m et entre 60 et 120°. Au-delà de 4000m, il y a formation de gaz et le Kérogène n’est
pas transformé. Le Méthane CH4 est le plus présent à très grande profondeur.
Métagenèse : T°>120°C. Tout ce qui a été formé est transformé en résidu de carbone, sous forme de
graphite. On trouverait donc à de plus grandes profondeurs du diamant (7150km).
II. Formation des gisements de pétrole :
On a formé des gouttelettes d’hydrocarbures entre les roches, pour arriver au gisement, il
faut satisfaire des conditions.
La migration est très importante :
Les gouttelettes sont renfermées dans la riche mère, et parfois cette migration se fait mal, et
les gouttelettes restent dans la roche mère. (C’est le cas de l’argile dans la région parisienne, où il y a
beaucoup de pétrole sous forme de gouttelettes isolées=> pas de gisements). Parfois elle se fait trop
bien, auquel cas il arrive en surface ce qui implique une dismigration. Dans le cas idéal, il faut une
bonne roche réservoir, c’est à dire de la craie ou du grès.
Les gouttelettes vont commencer à se regrouper au sein de la roche mère pour former de
plus grosses gouttes : c’est la migration primaire. Puis elles s’échappent de la roche mère et vont
s’accrocher dans les roches réservoir : c’est la migration secondaire. Puis H2O présente dans les
roches permet la migration de l’huile visqueuse. Le pétrole migre vers les endroits où la densité est
faible.
Les pièges : s’il y a une roche imperméable au dessus d’une roche réservoir, il ne peut y avoir
migration. Porosité : propriété à présenter des vides, des fissures. Perméabilité : permet à un fluide
de traverser une roche. Principaux types de pièges : antidinal : ce sont les roches qui se plissent, qui
se cassent, mise en place de failles. Piège faille : roche perméable amenée en contact avec une roche
imperméable.
III. Exploitation :
Le forage :
- Le forage d’exploration, afin de vérifier que la structure découverte par le géologue
renferme du pétrole et vérifier, car une exploitation sur cinq conduit à la découverte d’un
gisement.
- Forage d’exploitation, pour exploiter le gisement : forage rotary, utilise la pression et la
rotation. 3 éléments : le Derrick, les moteurs, qui entraînent la table de rotation. ; les
tiges à l’extrémité, le trépon qui fore.
Production : on enlève le derrick et on remonte le pétrole. La pression étant élevée le pétrole
remonte tout seul à la surface. On récupère 15 à 20% du pétrole dans un gisement.
Le marché du pétrole : Alors là je vous invite à taper pétrole sur Wikipédia, parce que c’est
définitivement plus à jour et mieux expliqué (genre le baril à 60$ à l’époque des notes de nos
marraines, c’est moyen :o)
IV. Le charbon :
C’est un autre combustible fossile, toujours présent dans les activités humaines. C’est une
roche carbonée formée par accumulation des débris végétaux immergés dans une pâte amorphe
plus ou moins importante. Deux constituants :
- Macéraux : partie organique qui résulte de la macération du tissu végétal
- Les cendres : fraction minérale qui reste après la combustion du charbon.
Au fur et à mesure de l’enfouissement, le sol est de plus en plus riche en carbone. Le milieu le plus
propice est le marécage. Formation du charbon= résultat d’un processus : la houillification. Au cours
de l’enfouissement, la roche perd les éléments volatils et s’enrichit en carbone. Au début :
- Tourbe, roche carbonée spongieuse (50% C)
- Puis Lignite (72%)
- Puis Bitume (85%)
- Puis Anthracite (93%) = charbon.
- Puis graphite (100%), qu’on n’utilise pas car il brule à des T° trop élevées.
C’est toujours la même chose : Grès puis charbon puis schistes. Le charbon se présente en veines
plus ou moins épaisses entourées de roches. Ceci forme est séquence répétée de sédimentation.
Cyclothène : séquences des variations du niveau de la mer). Eustatisme : hausse du niveau de la mer.
Les affaissements sont d’âge carbonifère (360 à 285 Millions d’année). = avènement des végétaux
terrestres grâce à l’apparition de la couche d’Ozone. Maintenant, les micro-organismes pompent
tout le carbone.
Economie : Chine, USA et Inde principaux « usagers »
Industrie : transformation en Coke après chauffage du charbon. (500-1000°) Formation de méthane
et récupération de H.
Les gisements métallifères :
I. Intro :
Presque tous les matériaux terrestres sont utilisés par l’Homme. Les matériaux sont à la base de la
civilisation. Parfois c’est un moteur du développement d’une civilisation (ruée vers l’or). La
diversification des matières premières s’est ressentie tout au long du XXe siècle. Aujourd’hui environ
80 éléments chimiques sont exploités. Dans 100g de roches il y a 56g de Fer.
II. les familles de métaux, les minéraux, un gîte :
Différentes familles :
- Métaux précieux : or, argent : les plus rares utilisés à l’état natif dans le milieu naturel
(bijouterie)
- Métaux de base : à la base de la métallurgie : Fe, Cu, Zn, Pb
- Métaux par alliage : rarement utilisés seuls Etain, Co, Tungstène, Nickel
- Métaux technologiques/stratégiques : utilisation assez récente : lithium, germanium,
silicium…
- Métaux chimiques : Souffre, Fluor, phosphore.
Minéraux :
Etat natif rare.
Les éléments métalliques aiment le souffre alors on le trouve sous la forme de sulfures.
Oxydes et hydroxydes : forme assez courante, métal combiné à l’oxygène.
La plupart des minéraux se présentent sous le forme oxyde ou sulfure ou native. (Oxydes et
sulfures utilisés pour récupérer des métaux).
Silicates : structures cristallines avec du silicium : la plus répandue. Mais on ne les utilise pas pour
extraire un métal car leur structure est trop complexe. Peu d’exploitation car recyclage important.
Mines de minerais de plus en plus dans les pays du Sud.
13 millions d’orpailleurs dans le monde (4M de femmes, 60% de femmes en Afrique). Depuis 2003, le
prix des métaux a doublé.
Gîte : concentration anormale d’un élément ou d’une substance. Zone, qui renferme cette
minéralisation. Roches stériles qui ne renferment pas de minéralisation : gangues.
L’industriel parlera de gisement et pas de gîte comme le font ces gros idiots de géologues. Il parle
aussi de minerais et pas de minéralisation (en plus c’est plus court).
Facteurs liés au gisement :
Près de la surface, l’exploitation se fait sous forme de carrière sinon en profondeur sous forme de
mine (plus cher). Ceci dépend de la situation géologique du gisement.
Facteurs liés au marché : cours des métaux.
Facteurs politiques : pas d’exploitation possible pour une situation politique instable.
Mécanismes de concentration :
Pour obtenir un gisement, il faut :
- Une source d’éléments : grand volume de roche dans lequel il y a le minerai dispersé.
- Une source d’énergie : chaleur coliquide qui va mettre en circuit des fluides constitués de
minerais chargés et saturés et qui vont circuler dans ce grand volume de roches
- Des conduits qui vont canaliser ce fluide minéralisateur.
- Un piège qui va stopper localement la migration de ce fluide. Piège physique : chute de la
T° ou de la pression ; piège chimique : changement de pH ; piège géographique : rivière
qui dessine des méandres.
III. Principaux types de gisements :
Zones de subduction : minéraux créés sur la dorsale. Déshydratation et métasomatisme (ça
veut pas dire grand-chose ça) des roches -> fusion. Formations de roches : plutonisme et volcanisme
sur les zones de collisions. Métamorphisme sur la zone de sédimentation.
Gisements hydrothermaux : gisements associés au volcanisme sous marin. Basalte sous
marin. Zones très fracturées avec haut gradient thermique. Plancher océanique : lave en coussins,
cheminées en sulfure (fumeurs noirs=empilement de sulfure). Fumeurs blancs. Fonctionnement :
l’eau va percoler la croûte océanique, au niveau des dorsales, l’eau descend et se réchauffe. Elle
réagit avec les roches à partir de 200°C. L’eau à 400°C remonte rapidement car elle est à l’état
supercritique (mais c’est quoi ce cour…) en remontant l’eau se précipite sous forme de sulfure. Mg+2
H20 = Mg(OH)2 + 2 H+. Le pH de l’eau augmente. Elle arrive à 300°, pH=4, l’eau met en solution tous
les éléments métalliques des roches. L’eau se charge en minéraux et en souffre. Elle arrive à l’état
supercritique (j’adore ce mot) de 400°C, sa densité diminue, et subit une forte expansion de volume.
Elle remonte donc à la surface. Mise en place de circuits convectifs d’eau. En remontant, elle se
charge encore plus en minéraux et en arrivant à la surface il y a précipitation de tous ses éléments en
sulfures (c’est ce qu’on appelle les fumeurs noirs (quelle bande de xénos ces géologues). => Veines
de quartz et de sulfures.
Les gisements dits ortho magmatiques (directement reliés au magmatisme). Agent de
transport : le magma (pas cher en plus). Sources du magma : roches du manteau, remontées soit à
cause du manteau, soit à cause de l’eau. Magma moins dense que les roches qui l’entourent donc il
remonte en surface. Le magma arrive en chambre magmatique où certains minéraux cristallisent. Ex :
le premier magma est pauvre en silice, puis les autres magmas sont de plus en plus riches. Premiers
minéraux : olivine puis chromites, quartz. Le magma passe dans des circuits convectifs dans la
chambre qui vont amener les minéraux les plus denses à se déposer au fond (sol) de la chambre.
Alternance d’olivine et de chromite, et de platinoïdes, formés uniquement dans ses conditions. A
cause de la pression, des gouttelettes de liquide avec métaux lourds tombent au fond de la chambre
magmatique.
Gisements avec plutonisme et avec volcanisme (épithermaux).
Plutons formés lorsque le magma a trop séjourné en chambre magmatique, changés en silice, trop
visqueux. Cristallise en granitoïde, tungstène.
Minéralisation phosphine au niveau des fissures créées sur le pluton (oulala, ça se complique
salement là)… sous forme de veines, remplissant des failles formées à cause d’eau qui se sépare des
riches et du magma et contient tous les minéraux.
Epithermaux : création de gisements d’or grâce à l’infiltration d’eaux météoriques (????) qui
en parvenant aux premiers magmas font précipiter l’or et l’argent et du souffre.
Gisements reliés au processus superficiels :
Ils sont indépendants de toute activité magmatique.
Gisements sédimentaires : Sedex : sédimentaires exhalatifs. Formation au cours de la
diagénèse. Mers épicontinentales, fort amincissement de l’épaisseur de la croûte. Le manteau met
en circulation les fluides de la croûte qui se chargent en métaux.
Rencontre avec fluides diagénèse : minéralisation syngénétique (Pb, Zn, Ba) se forment en même
temps que la roche.
Evaporites : en bordure de continents sédimentaires qui les renferment. Sédiments
physiques composés de minéraux qui précipitent à partir de substances dissoutes dans des eaux de
bassins et qui sont par la suite concentrées par évaporation). Gisements formés dans le bassin luimême par évaporation, mers fermées, peu profondes, lagunes, minéraux qui précipitent directement
à partir des éléments en solution dans l’eau. Formation de sulfates : Gypse CaSO4 2H2O. Sels : Na Cl.
Si on évapore une colonne d’eau de 1000m : 5 cm de Calcite, 50cm de gypse, 10m de Halite. Le
facteur le plus important est l’aridité : ex : mer morte, désert Atacama au Chili où il ne pleut
pratiquement jamais.
Gisements de fer : roses des sables : quartz-gypse. Ex : minette en France, en Lorraine au
jurassique. Lessivage du fer. Solubilisation puis reprécipitation dans les bassins en donnant des
Oolites (FeOCOH2). Les courants marins interviennent et concentrent les Oolites avec les calcaires
(calcaire Oolitique). Mais la plupart des fers se retrouvent dans les BIF : Banded Iron Formation
(classe). Formées il y a deux milliards d’années, le fer et le silicium étaient en solution. Il a fallu
attendre qu’il y ait plus d’oxygène pour qu’il y ait précipitation en oxyde de Fer et de Silice (=>
magnétite et quartz). Terre=argile+quartz.
Gites résiduels : altération : transformation chimique de profondeur en minéraux de surface.
Erosion et désagrégation mécanique. Altération qui met en solution certains éléments et les
remplacent par d’autres. Ex : Boxite se précipite sur place. Nouvelle-Calédonie : roches péridotites,
teneur en nickel de 2500 ppm.
Le placer : concentration mécanique de minéraux lourd (or, diamants), et résistants aux
chocs et aux désagrégations. Peut être d’origine fluviatile. Le plus gros gisement du monde d’or se
trouve dans un conglomérat, au lit d’une ancienne rivière.
IV. Métallogénie : étude des gisements :
Cartographie : pour repérer les zones minéralisées si le gisement s’est formé en même temps
que l’encaissement.
- Syngénétique : sédimentation d’origine sédimentaire.
- Epi génétique si s’est formé postérieurement à l’encaissement
- Antégénétique : ------------- antérieurement -------------------------.
Etude structurale :
Etude minéralogique, pour déterminer les minéraux qui nous intéressent à la texture.
Texture remplacement : interaction fluides et amène formation de seconds minéraux.
Texture précipitation : minéral par fissure (le plus jeune ay centre des minerais). Tous les éléments
viennent du fluide.
Etude géochimique : voir s’il n’y a pas d’éléments cachés. Détermination du domaine de
minéralisation.
Inclusion fluide : cristaux qui parfois entourent des petites roches de fluides par inclusion. Dans la
plupart des minéraux, il y a du fluide qui a été piégé. On y trouve une phase liquide (eau, CO2) et
solide (sulfure de cuivre par ex.). Apparition d’une bulle due à la contraction du liquide lors de sa
remontée.
Isotopes stables (ça part en chimie là...) H2O16 et H2O18.
SMOW : Standard Mean Ocean Water. Représentatif de l’eau primitive, juvénile. Eau de la base du
manteau, celle qu’il y avait sur terre il y a des millions d’années. Les autres types d’eaux en référence
en SMOW. Minéral plus riche en eau 18 qu’en eau 16. Eau de pluie différente d’eau de mer car il y a
différence entre les deux eaux (16 et 18) lors de leur évaporation.
Les géo matériaux :
I. Granulats : plus ou moins calibrés.
On a multiplié par 5 nos besoins en matériaux : 78t./hab./an. Ils sont utilisés dans des processus.
Pour les routes : structure d’une chaussée :
- Sol support
- Granulats
- Couche d’assise
- Couche surface
Pour le béton : on utilise le granulat des rivières, propre, pauvre en argile, isomorphe (même
direction et même forme) (appelez SRE…). Et dépourvu de chlorure ou de sulfure. On n’utilise pas les
plages de mers car le sel ferait rouiller. Matériaux liants : chaux, plâtres, ciments. Peuvent être
naturels ou artificiels. Gamme étendue de granulométrie. Les matériaux doivent résister) certains
tests : on compare en regardant le taux de fluidité sortant. Normes : Los Angeles, Coeff. Polissage
accéléré, éléments isomorphes.
II. Pierres de construction :
De moins en moins utilisées aujourd’hui, à cause de leur coût.
Calcaire : plus commune et plus utilisée. Se découpe facilement. Défaut : lorsqu’il est poreux, les
pluies acides réagissent avec la calcite. Formation de CaSO4 + CO + H2O. Fait éclater la roche.
Granites (cimetières) vient de Chine
Grès : se travaille facilement mais fragile
Volcanites : rares en France
Matériaux de couverture : ardoise, Schistes
III. Matériaux liants :
En présence d’eau : ils s’hydratent et donnent naissance à des espèces cristallines insolubles et
résistantes.
Chaux : à 1000°C : CaCO3 (calcaire) -> CO + CaO (chaux vive à ne pas utiliser)
Puis H2O + CaO -> Ca(OH)2 (chaux éteinte)
Plâtre : obtenu en chauffant du Gypse broyé à 150° qui perd les ¾ son eau de constitution.
CaSO42H2O -> CaSO + ½ H2O.
Ce plâtre en présence d’eau redonne du gypse qui va prendre.
Ciment :
Ciment romain : chaux + Pouzzolane (cendres de volcans).
Ciment Portland : Mélange naturel ou artificiel d’argiles et de calcaires.
IV. Céramiques :
Tous les matériaux à base d’argile -> cohésion pâte.
Principe : exploiter la plasticité des argiles pour réaliser différentes formes et par traitement
thermique les transformer en un matériau résistant et imperméable.
Trois éléments de base :
Argile finement cristallisé. Ce sont des silicates d’Alumine hydratés. On peut le modeler.
Dégraissant : matériau stable, parfois déjà dans l’argile
Fondant : minéraux (carbonates fins) ajoutés pour abaisser la T° d’apparition du verre.
Le colorant : oxydes de fer, oxydes de titane.
Isolant : silimanite.
Terres cuites, briques, tuiles : les moins exigeantes.
Faïences, porcelaines : principalement la Kaolinite (80%) qui est un composant qui devient blanc en
cuisant. On chauffe le mélange Kaolinite + Quartz + Feldspath à 1200°C et on vitrine la surface
feldspath pour la rendre étanche = engobe.
V. Kaolin et Talc :
Fabrication de papier : utilisé pour combler les interstices entre les fibres de la cellulose. Utilisé aussi
pour le couchage / dépôt d’une fine couche sur la feuille de papier pour améliorer la blancheur,
l’imperméabilité et la réceptivité à l’encre.
Caoutchouc et plastiques :
Améliore la résistance mécanique et la résistance à l’abrasion.
Permet d’obtenir des surfaces lisses.
Ralentit le vieillissement.
Peinture :
- Augmente le pouvoir de recouvrement
- Améliore la résistance aux intempéries
- Grain grossier
Chewing-gum : 60% de Talc