Séquence 6 Tectonique des plaques et recherche d`hydrocarbures

Séquence 6
Tectonique des plaques
et recherche
d’hydrocarbures
Sommaire
Tectonique des plaques et recherche d’hydrocarbures
Glossaire
Exercices de la séquence 6
Séquence 6 – SN12
1
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1
Tectonique des plaques
et recherche d’hydrocarbures
Le terme d’hydrocarbure regroupe une famille de molécules chimiques
d’origine organique, que l’on retrouve sous forme gazeuse (méthane),
liquide (pétrole) ou solide (charbon). La formule générale d’un hydrocarbure s’écrit CnH2n. Ces hydrocarbures sont l’une des principales sources
d’énergie utilisées actuellement : leur combustion libère de l’énergie
thermique.
Document 1
Article de presse paru au mois de septembre 2010
Pour s’interroger
ENVIRONNEMENT – catastrophe DeepWater Horizons
BP a enfin réussi à définitivement colmater le puits de pétrole qui avait commencé à
répandre son pétrole brut au mois d’avril, après le naufrage de la plate-forme Deepwater Horizons.
Cette opération baptisée Bottom Kill met donc un terme à la lutte contre ce puits en
folie. Au total, on estime que 780 millions de litres de pétrole brut se sont échappés
du gisement. Le 20 septembre 2010, BP a revu à la hausse le bilan de ses dépenses
depuis le début des opérations et les évalue à 9,5 milliards de dollars.
La marée noire est donc terminée mais le pétrole, lui, est toujours là. De la Louisiane
à la Floride, « nous avons encore mille kilomètres de côtes touchées », souligne un
responsable des opérations. De son côté, BP a provisionné 20 milliards de dollars pour
l’indemnisation des victimes.
Questions
� Rappeler la définition des termes suivants : pétrole, gisement.
� Rechercher la localisation de la plateforme DeepWater Horizon. À côté
de quelle structure tectonique se trouve-t-elle ?
On cherche à établir un lien entre les processus tectoniques globaux et
la localisation des hydrocarbures (champs pétrolifères, gaziers ou mines
de charbon).
Comment
la connaissance des phénomènes tectoniques
permet-elle de localiser certains gisements pétroliers ?
Séquence 6 – SN12
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A
Questions
Tectonique et localisation
des environnements de dépôt
de la matière organique
� Rappeler pourquoi on qualifie les hydrocarbures d’ « énergie fossile ».
� Compléter l’équation de la combustion d’un hydrocarbure :
Mobiliser ses
acquis
CnH2n + _O2 à _ ___ + _H2O + énergie
� Préciser pourquoi la combustion massive d’hydrocarbures peut
constituer une pollution pour l’environnement.
Compte tenu de l’utilisation massive de ces ressources et de leur faible
taux de renouvellement, les évaluations actuelles prévoient que, si la
consommation mondiale se maintient, les stocks de pétrole vont rapidement disparaître.
La prospection pétrolière, c’est-à-dire la recherche de nouveaux gisements exploitables, est un enjeu planétaire majeur.
1. Localisation géographique des champs
pétrolifères
Activité 1
Les hydrocarbures du golfe du Mexique
Recenser, extraire et organiser des informations
Document 2
Répartition des champs de pétrole à la surface du globe
Principaux gisements
d’hydrocarbures
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Séquence 6 – SN12
Comment expliquer l’inégale répartition des réserves en pétrole et en
gaz à la surface du globe ?
On va essayer de comprendre les conditions tectoniques et biogéographiques qui président à la formation de gisements de pétrole. Par la
suite, on conservera l’exemple du golfe du Mexique.
Document 3
Disposition des continents durant le Jurassique
Définition
Une marge active est une frontière océan-continent en subduction,
comme la côte Est de l’Amérique du sud. Une marge passive est
une frontière ne présentant pas d’activité tectonique
Séquence 6 – SN12
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Document 4
Questions
Épaisseur des sédiments à la surface du globe
� Rappeler les principaux facteurs nécessaires à la transformation de la
matière organique en hydrocarbures.
� Dater approximativement l’ouverture du golfe du Mexique.
� Établir un lien entre l’épaisseur des sédiments d’une région et la
quantité de pétrole retrouvée.
� Utiliser l’ensemble des réponses aux questions précédentes pour ex-
pliquer l’existence d’hydrocarbures dans le Golfe du Mexique et proposer un âge à leur formation.
Le pétrole se forme au niveau de bassins sédimentaires : la matière organique se retrouve piégée dans les sédiments et peut y subir un processus
de maturation qui la transforme en hydrocarbures. Inversement, ce n’est
pas parce qu’on a un bassin sédimentaire qu’on va pouvoir y trouver du
pétrole : il faut que les conditions nécessaires à l’enfouissement et à la
préservation soient réunies.
2. Dépôt et conservation du pétrole dans
les bassins sédimentaires
Activité 2
Les conditions de formation des hydrocarbures
Recenser, extraire et organiser des informations
Questions
� Sachant que la formule brute d’un glucide est C H O et celle d’un
n 2n n
hydrocarbure est CnH2n, justifier que la synthèse d’hydrocarbures à
partir de matière organique nécessite un environnement pauvre en
oxygène (anoxique).
� A partir des documents 5 et 6 et de vos connaissances, montrer qu’une
marge passive de type « golfe du Mexique » présentait au Jurassique
des conditions favorables à la conservation d’hydrocarbures.
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Séquence 6 – SN12
Document 5
Comparaison de la teneur en O2 de l’eau et de l’air
Teneur moyenne
Document 6
Eau à 0°C
Eau à 20°C
Eau à 30°C
Air
14 mg/L
9,1 mg/L
7,6 mg/L
250 mg/L
Taux de sédimentation actuel dans différentes régions
(cm/milliers d’années)
Taux de sédimentation
Activité 3
Golfe du
Mexique
Marge
ivoirienne
34
10
Moyenne
Moyenne
des plaines
des océans
abyssales
1
5
Morphologie de la marge du golfe du Mexique
Recenser, extraire et organiser des informations
On étudie la morphologie des marges passives pour tenter de reconstituer leur histoire tectonique.
Au niveau d’une marge passive, on définit :
– au plus près du continent, le plateau continental ;
– le talus ou pente, faisant la transition entre le domaine continental et
le domaine océanique ;
– le glacis, au bas de la pente, où s’accumulent les sédiments issus du
domaine continental (apports fluviatiles).
Document 7
Coupe de la bordure nord du golfe du Mexique
Manteau
supérieur
Document 8
Croûte
continentale
Croûte
océanique
Sédiments
Les différents types de failles
Une faille est une rupture d’un volume de roche suivie d’un déplacement
des deux blocs résultants. La taille d’une faille va de quelques millimètres à plusieurs kilomètres.
Séquence 6 – SN12
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Il existe 3 grands types de failles :
– les failles normales, témoignant de contraintes extensives ;
– les failles inverses, témoignant de contraintes extensives ;
– les failles transformantes ou décrochements, témoignant de contraintes
sur le plan horizontal.
Document 9
Profil de sismique réflexion effectué au niveau du talus de la marge passive du golfe du Mexique
Questions
� Légender le document 7 et colorier : en marron, le plateau ; en rose, le
talus ; en vert, le glacis.
� Déterminer le type de failles observées au niveau de la marge du golfe
du Mexique.
� A l’aide de ce document et de l’activité 1, justifier le fait que ces failles
portent les cicatrices d’une déchirure de la lithosphère continentale
ayant donné naissance à un domaine océanique.
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Séquence 6 – SN12
Pour en savoir plus
Les blocs de roches délimités par les failles inverses sont appelés blocs basculés. Ces
blocs sont les traces du rifting ayant précédé la mise en place d’un domaine océanique
(océanisation). Ils sont le lieu d’une intense sédimentation.
Définition : Un rifting est une déchirure d’un continent ayant donné naissance à un
domaine océanique. Par exemple, la mer Rouge actuelle est en plein épisode de rifting.
Document 10
Déchirure crustale et naissance d’un océan
L’étude de la morphologie d’une marge passive peut donner des indices
sur la probabilité d’y trouver des hydrocarbures. La sismique réflexion
peut permettre de mettre en évidence des structures constituant des
pièges à pétrole. Pour en avoir le cœur net, il faut ensuite effectuer des
forages. Les gisements de pétrole exploités par quelques centaines de
mètres de profondeur d’eau sont dits « offshore ».
À retenir
Pour que la matière organique se transforme en hydrocarbures, il faut :
– un environnement de forte productivité, pour avoir de grandes quantités de carbone ;
– une faible teneur en oxygène ;
– un fort taux de sédimentation, pour enfouir rapidement la matière organique et la
préserver de l’oxygène.
Ces conditions se retrouvent réunies dans un petit nombre de bassins sédimentaires
de marges passives.
Les marges passives type golfe du Mexique constituent des endroits de
dépôt privilégié de la matière organique. La matière déposée évolue lentement par « crackage » des molécules organiques pour former un composé visqueux, sorte de « soupe » contenant des molécules d’hydrocarbures déjà formées et des molécules organiques pas encore dégradées :
c’est le kérogène. Au fur et à mesure de son enfouissement, sous l’effet
d’une augmentation de pression et de température, le kérogène se transforme en hydrocarbures au sens strict.
Séquence 6 – SN12
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Quelles
sont les conditions physico-chimiques et tectoniques nécessaires au piégeage des hydrocarbures ?
B
Tectonique et transformation
de la matière organique
en hydrocarbures
Pour que la maturation de la matière organique et le stockage du pétrole
produit se fassent efficacement, il faut que la matière organique soit enfouie à grande profondeur dans le bassin.
Ceci nécessite la présence de roches sédimentaires bien particulières.
1. Les pièges à pétrole des bassins sédimentaires
Mobiliser ses
acquis
� Rappeler la définition d’une roche sédimentaire.
� Compléter le schéma (document 11) avec les légendes suivantes :
roche-mère, roche réservoir, roche couverture.
� Préciser la porosité et la perméabilité de chacune de ces roches.
Document 11
Un piège à pétrole
argile
grès +gaz
grès +pétrole
grès +eau
Les principales roches-réservoirs sont essentiellement des sables plus
ou moins compactés en grès. Ils sont formés de petits grains siliceux
de type quartz ou feldspaths. En général, ces roches proviennent de la
dégradation de granites continentaux.
Les roches couvertures sont souvent des argiles. Les argiles représentent
les trois quarts des roches sédimentaires présentes à la surface du globe,
ce sont des particules très fines organisées en feuillets. Les argiles présentent un comportement ductile (=malléable) lorsqu’elles sont hydratées, et
un comportement cassant lorsqu’elles sont sèches. Elles se présentent souvent en bancs superposés parallèles : on parle alors de schistes.
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Séquence 6 – SN12
Pour comprendre les mécanismes de piégeage des hydrocarbures, on se
propose de réaliser une petite manipulation.
Activité 4
Modélisation d’un puits de pétrole
Manipuler et expérimenter
Vous aurez besoin de : un verre transparent, des graviers, du sable, de
l’argile (ou, à défaut, un peu de plâtre), un tube imperméable d’environ
1 cm de diamètre, de l’huile additionnée d’un peu de poussière de craie
(pour la colorer en rouge ou bleu).
Cette huile modélise le pétrole.
� Mettez au fond du verre 2 cm de graviers avec l’huile colorée.
� Rajoutez par-dessus 2 cm de sable, puis 2 cm d’argile.
� Tassez bien l’argile sur les bords et réalisez deux trous dans la couver-
ture argileuse.
� Enfoncez le tube dans l’un des trous, jusqu’au fond du gravier. Tassez
bien l’argile autour du tube pour éviter les fuites.
� Versez doucement de l’eau par ce tube et observez ce qui se passe au
niveau du second orifice.
Document 12
Modélisation à réaliser
eau
Modélisation
d’un puits de pétrole
tube
1er trou
2ème trou
Argile
Sable
Graviers +
huile (pétrole)
Questions
� Identifier la roche-mère, la roche réservoir et la roche couverture.
� Expliquer pourquoi c’est l’huile qui ressort par le second trou et non
l’eau injectée.
Le passage du pétrole de la roche mère à la roche réservoir est appelée
« migration primaire » et s’effectue grâce à la poussée d’Archimède. La
migration verticale ascendante du pétrole au sein de la roche réservoir
est appelée « migration secondaire » : le pétrole s’accumule dans la partie superficielle de cette roche.
Séquence 6 – SN12
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Pour en savoir plus
Il existe différents types de « pièges à pétrole » par lesquels la présence d’une couche
argileuse bloque la remontée des hydrocarbures.
Dans le golfe du Mexique, on trouve de nombreux dômes de sel. La cristallisation
du sel s’est produite lors de périodes où le niveau marin était bas et où le golfe était
presque asséché. Le sel est une roche légère et ductile, il a tendance à remonter sous
forme de diapirs » (un peu comme le magma à l’axe des dorsales !) et à soulever les
niveaux stratigraphiques sus-jacents.
On retrouve parfois des anticlinaux qui constituent des pièges stratigraphiques. Un anticlinal est une série de strates sédimentaires successives bombées « vers le haut ».
Une faille, normale ou inverse, peut mettre en contact des strates d’âges différents
(on parle de discordance) et créer un piège à pétrole.
Document 13
Illustration de deux types de pièges à hydrocarbures
Pli
Lentille de sable
Diapir de sel
Roche perméable
Faille
Roche imperméable
Pétrole
2. L’enfoncement du bassin : la subsidence
Pour aboutir à de grands empilements sédimentaires (plusieurs kilomètres), il est nécessaire qu’il y ait un enfoncement du fond du bassin :
on parle de subsidence. La subsidence est causée en grande partie par
les contraintes extensives qui affectent la région ; le poids de la couche
sédimentaire joue un rôle mineur.
La rare coïncidence de toutes ces conditions nécessaires à la formation du
pétrole explique la rareté des gisements dans l’espace et le temps. Cette
rareté est à l’origine de conflits d’intérêt pour la gestion de ces ressources.
Activité 5
Le pétrole en Angola
Manifester de l’intérêt pour la vie publique et les grands enjeux de la société
Document 14
La guérilla du Cabinda (le 8 janvier 2010)
En attaquant à l’arme automatique le bus de l’équipe du Togo, la veille
de l’ouverture de la Coupe d’Afrique des nations, le FLEC (Front de Libération de l’État du Cabinda) a réussi son coup médiatique le plus important
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Séquence 6 – SN12
trente-cinq ans de lutte. Ce petit territoire, enclavé entre les deux Congos
– Brazzaville et Kinshasa – réclame son indépendance depuis 1975.
Le Cabinda ne susciterait pas autant de troubles s’il n’était gorgé de
pétrole. Il fournit quelque 60 % de la production angolaise, qui est la
deuxième d’Afrique avec 1,7 millions de barils par jour. Les revenus tirés
de la production pétrolière au Cabinda représentent 42 % du PNB de
l’Angola, et 90 % du budget de l’État angolais.
Question
Localiser le Cabinda sur une carte et formuler des hypothèses permettant d’expliquer pourquoi ce lieu a pu être le siège d’une intense formation d’hydrocarbures.
À retenir
Le piégeage du pétrole en profondeur est lié à la nature et à la disposition relative des roches sédimentaires empilées dans la marge passive. Ces accumulations massives de sédiments sont permises
par la subsidence du fond du bassin.
C
Activité 6
Vers de nouvelles sources
d’hydrocarbures ?
Les nouveaux hydrocarbures
Montrer de l’intérêt pour les progrès scientifiques et techniques
Document 15
Le potentiel des schistes bitumineux
Les schistes bitumineux sont des roches sédimentaires à grain fin,
contenant des substances organiques, les kérogènes, en quantité suffisante pour fournir du pétrole et du gaz combustible. L’administration
américaine pour l’information sur l’énergie (United States Energy Information Administration) estime les réserves mondiales de schiste bitumineux à 3000 milliards de barils de pétrole. Cependant, les tentatives
depuis plus d’un siècle pour exploiter ces réserves n’ont pour l’instant
obtenu que des résultats limités. En effet, l’utilisation du kérogène en
tant que substitut du pétrole brut nécessite un traitement plus long, ce
qui en accroît le coût financier et environnemental.
Le kérogène présent dans les schistes bitumineux peut être converti en
pétrole. Si l’on chauffe le schiste bitumineux à une température suffisamment élevée (500 °C) dans une enceinte privée d’air, la vapeur engendrée pourra être distillée en huile de schiste – une forme de pétrole
non conventionnel – et en gaz. Les schistes bitumineux peuvent aussi
être brûlés directement comme un combustible de basse qualité pour la
production d’énergie et le chauffage.
Séquence 6 – SN12
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L’augmentation du prix du baril et la recherche d’indépendance par
rapport aux fournisseurs extérieurs d’énergie a attiré l’attention sur le
schiste bitumineux en tant que ressource énergétique. Cependant, son
exploitation et sa transformation soulèvent un certain nombre de préoccupations environnementales. L’Estonie, le Brésil, la Chine, l’Allemagne,
la Russie et Israël utilisent les schistes bitumineux.
Question
Présenter les avantages et les inconvénients de l’exploitation des
schistes bitumineux en tant que source d’hydrocarbures.
Bilan
Le modèle de la tectonique des plaques fournit des indices aidant à la
recherche des gisements pétroliers. Ce modèle permet d’expliquer :
le
positionnement géographique du bassin favorable au dépôt d’une
matière organique abondante et à sa conservation
la
subsidence du bassin, permettant l’enfouissement et la transformation de la matière organique
le
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piégeage des hydrocarbures formés au sein d’un gisement.
Séquence 6 – SN12
G lossaire
Bassin sédimentaire : dépression de la croûte continentale ou océanique
comblée par de grandes épaisseurs de sédiments.
Gisement : lieu où l’on peut extraire une ressource (pétrole, uranium, or
etc.) et qui soit rentable d’un point de vue économique.
Hydrocarbure : molécule de formule brute CnH2n dont la combustion
libère de grandes quantités d’énergie. Les hydrocarbures peuvent être
gazeux (méthane), huileux (pétrole) ou solides (charbon).
Kérogène : composé visqueux intermédiaire contenant à la fois des
molécules d’hydrocarbures déjà formées et des molécules organiques
pas encore dégradées.
Marge passive : limite océan-continent ne présentant pas d’activité
tectonique, par opposition aux frontières en subduction.
Pétrole : un liquide huileux formé d’hydrocarbures (molécules de type
alcane à longue chaîne).
Productivité primaire : quantité de matière végétale produite par unité de
temps et de surface, exprimée en GTc/an (gigatonnes de carbone par an).
Rifting : déchirure d’un continent ayant donné naissance à un domaine
océanique. Le fossé continental précédant la déchirure est appelé rift.
Roche sédimentaire : roche formée par l’accumulation de débris
organiques ou résultats de l’altération de roches préexistantes.
Roche-mère du pétrole : roche sédimentaire riche en matière organique
pouvant être le lieu de la formation d’hydrocarbures.
Roche réservoir : roche perméable et poreuse, de type sable, où le
pétrole peut se retrouver bloqué.
Roche couverture : roche imperméable bloquant la remontée des
hydrocarbures sous l’effet de la poussée d’Archimède.
Sismique-réflexion : méthode consistant à envoyer des ondes sismiques
pour mettre en évidence des réflecteurs en profondeur.
Subsidence : enfoncement progressif d’un bassin sédimentaire sous
l’effet de contraintes en extension.
Séquence 6 – SN12
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E
Exercice 1
xercices
de la séquence 6
Du pétrole en Alsace !
Recenser, extraire et organiser des informations.
Imagine-t-on un instant que l’Alsace renfermait du pétrole dans son soussol ? C’est pourtant à Pechelbronn qu’ouvra le premier site d’exploitation
du pétrole en Europe. Les premières galeries furent percées au 18e
siècle. Dès lors, l’exploitation prit une dimension industrielle jusqu’à sa
fermeture en 1970.
Document 1
Structure du fossé rhénan
Vosges
fossé Rhénan
Kaiserstuhl
Forêt
noire
Volcanisme
Miocène à Actuel
Eocène et Oligocène
Grès et conglomérats
Jurassique
Permien et Trias
Granites et gneiss
On réalise un profil de sismique réflexion dans le fossé rhénan. La
structure arrondie au centre est interprétée comme un dôme de sel.
Document 2
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Étude des couches sédimentaires en profondeur
Séquence 6 – SN12
� A l’aide du document 1, décrire précisément la morphologie du fossé
rhénan puis expliquer en quoi ce fossé est un bon candidat pour la
prospection pétrolière.
� Indiquer sur le document 2 l’endroit où vous réaliseriez un forage
pétrolier. Justifier votre réponse.
Exercice 2
Du gaz extraterrestre !
Recenser, extraire et organiser des informations. Communiquer dans un
langage scientifiquement approprié : oral, écrit, graphique, numérique.
Titan est le plus grand satellite de Saturne. La sonde Cassini a
cartographié par radar environ 20 % de sa surface. Plusieurs centaines
de lacs d’hydrocarbures y ont été observés, dont le lac Ontario Lacus. La
profondeur de ce lac est faible, environ 3m.
Document 1
Aspect du lac de Titan « Ontario Lacus »
© NASA
Document 2
Composition de l’atmosphère de Titan
N2
CH4
C2H6
C3H8
Séquence 6 – SN12
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L’énergie solaire aurait dû avoir converti l’intégralité du méthane de
l’atmosphère en hydrocarbures lourds en 50 millions d’années. En effet,
les molécules de méthane ont tendance à remonter progressivement
vers le haut de l’atmosphère où elles sont soumises au rayonnement
solaire. Ceci a pour effet de les transformer en molécules plus complexes
et donc plus lourdes qui tombent à la surface. Étant donné les
conditions de température et de pression à la surface de Titan, aucune
réaction physique ou chimique ne permet la retransformation de ces
hydrocarbures en méthane. Celui-ci est détruit et la quantité actuelle de
méthane dans l’atmosphère de Titan devrait être presque nulle. Il doit
donc exister un réservoir de méthane à l’intérieur de Titan permettant
de réalimenter l’atmosphère. Les scientifiques pensent que le méthane
atmosphérique est renouvelé par des éruptions volcaniques.
Document 3
Réactions chimiques dans l’atmosphère de Titan
� Calculer le volume d’hydrocarbures contenu dans le lac Ontario Lacus.
� A partir du document 2, expliquer pourquoi les hydrocarbures formés
ne sont pas détruits à la surface de Titan.
� Réaliser un schéma bilan présentant la formation des hydrocarbures
sur Titan.
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Séquence 6 – SN12
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