Les ressources fossiles

LES RESSOURCES FOSSILES
# Le charbon
# Le pétrole
# Le gaz naturel
# L’uranium
Hydrocarbures
(HC - CH4)
les molécules deviennent de
plus en plus complexes avec
l’enfouissement
Aspects importants des activités de recherche et
développement en géologie appliquée
Plusieurs questions:
-Comment se forment ces ressources?
-Où se forment -elles?
-Comment sont elles contrôlées?
-Combien de temps vont elles perdurer?
-Comment peut on les remplacer?
Introduction
Utilisation de ces ressources = usines, bâtiments, maisons, transports
Les réserves : dépôts connus et exploités
Les ressources : ensemble des réserves plus les dépôts
non encore découverts ou exploités
Les ressources fossiles = matériaux non renouvelables
(lenteur des processus de formation et de mise en place
/ à l’activité humaine)
Nécessité de trouver des énergies renouvelables ( énergie solaire,
énergie nucléaire, combustion de bioalcool, éolienne) pour ne
pas être tributaire des énergies fossiles
Variation des différents types d’énergies utilisés
depuis 1850 aux USA
Actuellement 90% = Charbon, pétrole et gaz
En France le pourcentage du nucléaire est relativement plus important
76% de l’électricité produite vient de l’industrie du nucléaire
Historique
Evolution de la Société = changement des besoins énergétiques et des
types d’énergies utilisés.
Industrie des 18ème et 19ème siècles = Charbon - en France,
au Royaume-Uni (Angleterre, Pays de Galles), en Allemagne de l’Ouest et
dans les Appalaches aux USA
En 1859 = premier puit de
pétrole aux USA - Gaz-Pétrole
= énergies de remplacement du
charbon.
Meilleure préservation
De l’environnement - Pas
de production de
poussières et fumées
toxiques - Transport par
pipelines
Premiers puits de pétrole
en Californie
Dernier quart du 20ème siècle = introduction de l’énergie nucléaire
Energie prometteuse = coût moindre et plus sûre pour l’environnement.
Des problèmes seront très vite soulevés notamment au niveau
de la gestion des déchets nucléaires et le coût de plus en plus
important de la sécurité du Nucléaire (Three mile island, Tchernobyl..).
SEDIMENTS
1) Charge terrigène provenant de l'érosion des continents
qui se dépose sur les deltas qui est dispersée sur le plateau continental
puis apportée au pied du talus continental
2) Charge allochimique provenant du bassin principalement
de la couche de plancton
Dans les sédiments = 10 à 20% MATIERE ORGANIQUE
Matière organique = hydrates de carbones/molécules organiques
Matière organique donne CO2 par oxydation
Une petite fraction seulement échappe au processus et est préservée,
enfouie et transformée en matériaux utilisables comme combustible
fossile (pétrole, charbon, gaz)
Cycle du Carbone
Gto = gigatonnes
Millliards de tonnes
LE CHARBON
Différents types de « charbon » en fonction de l’enfouissement
Soit augmentation de P et T
TOURBE
Pour éviter la décomposition à l’air = milieu très pauvre en oxygène
très peu oxydant = grands marécages
Les plantes sont attaquées par des bactéries = libération oxygène et H2O
augmentation relative du % de carbone
Faible profondeur = tourbe (matériau brun, fibreux à 50% de carbone)
Formation = sol gorgé d'eau - climat frais et humide.
végétaux hydrophiles (mousses, sphaignes, hypnacces, carex, roseaux,
joncs...)
Tourbières acides à sphaignes au pH = 3,5 = climats pluvieux (Irlande)
Tourbières alcalines à carex au pH > 6 = fonds de vallées.
Milieux fragiles : édification = 2 000 à 12 000 ans
En France = Tourbières non asséchées = superficie : 60 000 ha
Etude des pollens "fossiles "
des tourbières= évolution
végétation et climats depuis
12 000 ans.
D’un point de vue
hydrologique : tourbières =
réserves d’eau
Rôle important dans
l’alimentation des nappes
phréatiques
Bon pouvoir épurateur
Enfouissement plus important
Charbon souple à 70% de Carbone
Enfouissement =
élévation T et P
forte température =
réactions chimiques
Libération des gaz
(méthane, etc..) et
de l’eau sous forme
vapeur.
LIGNITE
HOUILLE
P augmente, gaz s’échappent = résidus carbonés solides
Gisements de gaz associés au charbon = non exploitables
La lignite est transformée en houille = Charbon d’usage courant
à 75% carbone
La pyrogénation (portée à haute T) de la houille
donne des hydrocarbures, du goudron, de
L’ammoniac et un résidu : LE COKE
A partir de la houille on fabrique des matières
plastiques, des engrais et des carburants
ANTHRACITE
Niveaux soumis aux déformations du métamorphisme
T et P favorisent encore la perte en eau et en volatiles.
L’anthracite est formée.
Elle contient 90% de carbone.
Elle brule sans flamme et dégage une
chaleur importante
Où et quand s’est formé le charbon?
95% des ressources en combustible solide se trouvent dans
l’hémisphère Nord et en particulier en ex-URSS (50%),
en Amérique du Nord (15%), en Australie et en Chine (20%).
Deux grandes périodes géologiques sont liées à ces formations:
- Carbonifère Inférieur au Permien (360 à 245 MA)
- Crétacé 144 MA et durant le tertiaire jusqu’à 1.6MA
Les tourbes datent du quaternaire
Prospection du charbon
A partir de l’examen au microscope on distingue:
Le fusain (résidu de débris ligneux)
Le durain dur et mat (débris végétaux encore identifiables)
Le clairain dur et brillant (mélange de feuilles et spores dans
un ciment amorphe)
Le vitrain (macéral - VITRINITE, EXINITE,INERTITE)
qui provient de la pulvérisation des débris ligneux,
des feuilles et des spores)
PROSPECTION = utilisation de deux indices :
la cristallinité de l’illite et le pouvoir réflecteur de la vitrinite
I)
La cristallinité de l’Illite
Enfouissement des sédiments dans les bassins = diagènese
Modification de la minéralogie des argiles en fonction de la température
Passage progressif de la smectite à l’illite = f(T, enfouissement)
En corrélation avec la maturation des
hydrates de carbones = f(T, enfouissement)
Analyse du matériau par diffraction des rayons X
Rappel sur les argiles
Kaolinite ( T-O, d=7A°)
Pas de substitution dans les couches. Le feuillet est neutre.
La kaolinite se forme dans les sols bien drainés, par pH acide, surtout en
climat subtropical et tropical.
Ses cristaux sont souvent grand (jusqu'à 15 µm).
Illite (T-O-T, d=10Å)
Association d'une couche octa (alumineuse) et deux couche
tétra (siliceuses).
Il peut y avoir des substitutions (remplacement de Si par Al).
Des cations (K+) sont adsorbés dans l'espace interfoliaire afin de
compenser le déséquilibre des charges.
Sa structure est proche de la muscovite (plus d'eau, moins de K+).
Smectite (T-O-T, d= 14 A°)
Empilement des feuillets désordonné; Substitution d'atomes importantes.
Désordre et faible charge des feuillets facilitent adsorption de molécules
variées = eau, cations, molécules organiques
L'espace interfoliaire s'écarte (d = 17 Å).
Les smectites sont calciques, plus rarement sodiques
Elles sont formées dans les sols mal drainés plutôt alcalins.
Les feuillets de smectites peuvent s'intercalés avec d'autres feuillets
argileux, souvent illitiques. L'ensemble forme les argiles interstratifiés.
Le passage de composés désorganisés et mal cristallisés (smectites)
vers l’illite = étapes de l’enfouissement = f(T)
Cette réaction est fortement contrôlée par la température mais dépend
également de la disponibilité en potassium, la proportion d’eau
dans la roche, la pression etc..
On réalise une corrélation entre le rapport illite/smectite, la
progressive mise en ordre des interstratifiés associés, et la
température donc la profondeur d’enfouissement
Comparaison des diagrammes DRX de l’ illite et des interstratifiés
Pic à 9.3Å
Mesure de la
Largeur miHauteur de la
Raie à 9.3Å
De l’illite
Aussi appelé
Index de Kübler
Seule l’anchizone
est
représentative
des gisements de
charbon utiles
pour le chauffage
II) le pouvoir réflecteur de la vitrinite
Plus la durée d'enfouissement est longue, plus T et P sont élevées,
plus le degré de fossilisation = le RANG est important (% C)
Ce rang est mésuré par le pouvoir réflecteur
Les macéraux (substances contenues dans toutes les formes de charbon)
Vitrinite = Tissus végétaux préservés de l'oxydation avant
Enfouissement (le plus important en masse)
Exinite = macéral provenant des cires, résines et spores préservés
de l'oxydation avant enfouissement
Inertinite = restes des végétaux partiellement oxydés par des bactéries
aérobies avant enfouissement.
Macéraux visibles sous microscope optique
charbon broyé, enrobé dans résine polyester translucide et poli
Les vitrinites apparaissent en gris moyen
les exinites en noir, les inertinites en blancs.
Largeur = 200µm
La réflectivité
La réflectivité de la vitrinite est liée à l’indice de réfraction de la
Vitrinite (ns), à l’indice de réfraction de l’huile dans lequel on
immerge la préparation polie (nm) et le coefficient d’absorption de
La vitrinite (ks)
On mesure Rv % sur une trentaine de grains de vitrinite
Cette réfléctivité permet de déterminer le rang du charbon
soit sa teneur en C
Rv max% = Ro% x 1.066
Ro % = 12 exp[-3.3 (H/C)] - (O/C)
Poids % C = 1200/[12 + (H/C) + 16 (O/C)]
Classement des charbons en fonction du pouvoir réflecteur de la
vitrinite
0.2-0.5%
Charbon brun proche de la tourbe
Ro(%) 0.6-2.0%
charbon noir ou houille
2.0-5.0%
Anthracite
NOTE: Le terme Coke est seulement utilisé pour décrire un charbon
dans lequel la vitrinite a été carbonisée à cause d’une élévation brutale
de la température(durant une intrusion granitique par ex.).
Ressources en charbon aux USA
A la vitesse de consommation actuelle, il reste environ
400 ans de ressources en charbon pour les USA
Contrôle de l’utilisation du charbon au niveau environnemental
Combustible fossile = problème de pollution / SO2 gaz
(pyrite micro-divisée présente dans les charbons)
qui lorsqu’il se combine à l’eau de pluie forment les pluies acides
(USA, Canada, Scandinavie et Europe de l’Est).
Zones des pluies acides USA
Destruction des monuments
Par les pluies acides
PETROLE ET GAZ NATUREL
pétrole et gaz naturel associé = décomposition sur les
fonds sous-marins côtiers de plantes aquatiques et organismes
marins (plancton)
Ils s’enfouissent progressivement dans les sédiments peu riches en
oxygène. Pas d’oxydation en CO2
Décomposition des molécules complexes (lipides, protéines et hydrates
de carbone) par les bactéries = soustraction de O et N
production d’huiles et de gaz (C et H) = hydrocarbures
La compaction des sédiments en « roche -mère » sédimentaire entraîne
la migration des fluides vers des « roches réservoirs » poreuses
comme les grès ou les calcaires.
Les fluides sont présents en général à la surface d’une eau saumâtre
associée.
porosité = volume de vides / volume total d'un matériau, roche ou
sédiment.
Sédiments poreux = sables et les graviers
Sédiment peu ou non poreux = argiles
Si on empile des sphères (particules) de taille égale
leurs axes forment un réseau cubique, le pourcentage des
vides, soit l'espace disponible pour le fluide, est de 47,6%
C'est un empilement cubique.
empilement maximum des sphères (sans les déformer) =
Empilement rhomboédrique, avec un espace de vides de 25,9%
Les porosités sont plus faibles si les particules du sédiments ne sont pas
de taille uniforme
Distinction de deux concepts : porosité et perméabilité.
Porosité = pourcentage de vides par unité de volume dans
un sédiment ou une roche.
Perméabilité = capacité du sédiment ou de la roche à transporter
les fluides qui se trouvent dans les pores = connexion des pores
Formation des hydrocarbures - roche mère
Compaction des sédiments en roches et formation des huiles
Kérogène
T< 50°C
Action des bactéries
P < 1500 Bars
T< 150°C
Graphite
Kérogène = pétrole embryonnaire = maturation avec la T et P
Migration vers les roches réservoirs = « pièges à pétrole »
argile
grès
zones imperméables
qui empêchent la
remontée des fluides
Extraction pétrolière
Différentes méthodes de
Récupération du pétrole
1) Les trois premières figures montrent
des processus naturels d’extraction (eau,
pression du gaz et gaz dissous) - 30% extraits
4) injection d’eau et récupération
par pompage
5) Injection de vapeur très chaude
Abaissement de la viscosité
6) Injection de produits chimiques
qui vont se dissoudre dans le pétrole
et abaisser sa viscosité, il ne colle plus
À la roche réservoir
Où et quand s’est formé
le pétrole?
C’est un processus continu de formation depuis le Précambrien
Cependant 4 périodes de temps marquent la production:
1) Le Dévonien
(360-340 MA)
2) Le Carbonifère-Permien
(310 -250 MA)
3) Le Jurassique-Crétacé
(150-70 MA)
4) L’Oligocène-Miocène
(35-12 MA)
Total:
1265 Mds.
Barrils
Régions géologiques des réserves de pétrole
Réserves mondiales estimées
de pétrole brut, 1995
Une centaine d’années de réserves
Avec la consommation actuelle
Ressources utilisables non
renouvelables
Le pétrole , source de pollution
Comme le charbon, le pétrole est une importante source de pollution,
notamment en CO2 lors de la combustion.
Les accidents sur les sites d’exploitation ou lors de
« marées noires » sont autant de pollutions locales qui mettent du
temps à se résorber (environ 20 ans).
Le gaz naturel (99% de méthane) est moins polluant et de nouvelles
sources sont actuellement découvertes.
Le nucléaire et l’utilisation de l’uranium
1ère utilisation en 1944 :
la bombe atomique
Les physiciens préconisent
une application non
militaire de l’énergie
nucléaire : La fission
de noyaux d’235U
Réserves d’Uranium
Faible concentration dans la croûte: 2ppm
En filons dans les granites et roches acides :quelques centaines de ppm
dans les minéraux tels les zircons, le sphène ou l’apatite
Minerai d’uranium = la pechblende (sous forme UO2)
Les plus grandes réserves sont associées aux roches magmatiques
On en trouve également dans les roches sédimentaires
U4+ comme dans UO2 se transforme facilement en U6+ qui va
donner (UO2)2+ soluble dans les carbonates, sulfates et fluorures
Toutes ces mines
sont fermées
Cogema possédant
des mines plus
productives au
Canada à présent
Principaux types
de dépôts d’U
aux USA
Dissolution en eaux
acides, puis
accumulation
dans des zones
plus réductrices
Ressources mondiales
En Uranium
Sources d’énergie alternatives
Energie solaire
Conversion de l’énergie solaire en chaleur, chauffage de l’eau
et production d’électricité
Conversion photovoltaïque directe en électricité
Géothermie
Géothermie basse enthalpie
Banlieue Parisienne:
Eau à 80°C
Les geysers sont les plus grandes
sources de Géothermie haute enthalpie
vapeur d’eau chaude =Conversion en électricité (Islande)