Chapitre 2.2
L’énergie fossile : une ressource non renouvelable
OBJECTIF
TP 1. Origine des combustibles fossiles
• A. Les roches carbonées sont formées de molécules organiques
• B. Les roches carbonées sont issues d'une lente évolution en profondeur et à l'abri de l'air
• C. Les hydrocarbures liquides et gazeux peuvent s'accumuler dans des pièges
• L'essentiel
II. La prospection et l'exploitation du pétrole
• A. On recherche le pétrole dans les bassins sédimentaires
• B. L'exploitation et le transport du pétrole ont des implications environnementales
• L'essentiel
TP 1. Origine des combustibles fossiles
• A. Les roches carbonées sont formées de molécules organiques
• B. Les roches carbonées sont issues d'une lente évolution en profondeur et à l'abri de l'air
• C. Les hydrocarbures liquides et gazeux peuvent s'accumuler dans des pièges
• L'essentiel
II. La prospection et l'exploitation du pétrole
• A. On recherche le pétrole dans les bassins sédimentaires
• B. L'exploitation et le transport du pétrole ont des implications environnementales
• L'essentiel
● Le charbon, le pétrole et le gaz naturel sont des ressources naturelles largement utilisées pour assurer les besoins énergétiques de l’humanité.
● On cherche à préciser l’origine de ces ressources et les conséquences de leur utilisation.
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1 Plantes tropicales fossilisées datées de 300 Ma (Carbonifère) dans du charbon de l’Illinois (Etats-Unis) - 2 Rameaux de Mariopteris fossilisés datés de 300 Ma (Carbonifère) dans du charbon.- 3 Molécules organiques dans le pétrole
La présence de restes organiques dans les combustibles fossiles montre qu'ils sont issus d'une biomasse. Dans des environnements de forte productivité, une faible partie de matière organique s'accumule dans le fond de bassins sédimentaires où elle est ensuite recouverte de sédiments (sables, argiles...). Cela la place à l'abri de l'air et empêche sa décomposition rapide. Le fond du bassin s'enfonçant sous le poids des sédiments, de multiples couches se superposent. Cet enfouissement lent soumet la matière organique à une augmentation de pression et de température provoquant des transformations chimiques qui entraînent une augmentation de sa teneur en carbone et hydrogène (par perte des atomes d'oxygène, d'azote...).
Images : 1 www.developpementdurablelejournal.com - 2 www.dinosoria.com
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1 Plantes tropicales fossilisées datées de 300 Ma (Carbonifère) dans du charbon de l’Illinois (Etats-Unis) - 2 Rameaux de Mariopteris fossilisés datés de 300 Ma (Carbonifère) dans du charbon.- 3 Molécules organiques dans le pétrole
La présence de restes organiques dans les combustibles fossiles montre qu'ils sont issus d'une biomasse. Dans des environnements de forte productivité, une faible partie de matière organique s'accumule dans le fond de bassins sédimentaires où elle est ensuite recouverte de sédiments (sables, argiles...). Cela la place à l'abri de l'air et empêche sa décomposition rapide. Le fond du bassin s'enfonçant sous le poids des sédiments, de multiples couches se superposent. Cet enfouissement lent soumet la matière organique à une augmentation de pression et de température provoquant des transformations chimiques qui entraînent une augmentation de sa teneur en carbone et hydrogène (par perte des atomes d'oxygène, d'azote...).
Images : 1 www.developpementdurablelejournal.com - 2 www.dinosoria.com
Formation du charbon (vidéo 1 min 18 s - lien externe)
- Des végétaux terrestres morts s'accumulent dans des lagunes, des lacs ou des marécages.
- La matière organique est d’abord transformée en acides humiques (qui donnent aux sols leur couleur brune (voir chapitre 2.4-II). Le premier stade de formation du charbon est la tourbe (50 à 70% de carbone). Lorsque les fragments de bois sont encore reconnaissables à l’œil nu c’est le lignite (70% de carbone), quand le charbon est noir et compact, c’est la houille (75 à 93 % de carbone) et enfin l’anthracite (plus de 93 % de carbone).
Source www.planete-energies.com (TOTAL)
- Des végétaux terrestres morts s'accumulent dans des lagunes, des lacs ou des marécages.
- La matière organique est d’abord transformée en acides humiques (qui donnent aux sols leur couleur brune (voir chapitre 2.4-II). Le premier stade de formation du charbon est la tourbe (50 à 70% de carbone). Lorsque les fragments de bois sont encore reconnaissables à l’œil nu c’est le lignite (70% de carbone), quand le charbon est noir et compact, c’est la houille (75 à 93 % de carbone) et enfin l’anthracite (plus de 93 % de carbone).
Source www.planete-energies.com (TOTAL)
Formation du pétrole et du gaz naturel (vidéo 2 min 26 s - lien externe)
ATTENTION. Sur la vidéo il faut lire O et non O2 pour oxygène. La vidéo fait en effet la confusion entre l'élément oxygène (O) et le gaz oxygène ou dioxygène (O2).
- Des débris animaux et végétaux (d'origine planctonique) s'accumulent sur le fond des mers fermées, des lagunes, des deltas, des estuaires...
- Quand l'enfouissement de la roche mère atteint 2 200 à 3 800 mètres pour des températures de 100 °C apparaît la fenêtre à huile. Des réactions chimiques transforment la matière organique en molécules d'hydrocarbures liquides (l'oxygène, l’azote, le phosphore et le soufre sont peu à peu éliminés, les atomes de carbone et d’hydrogène se réorganisent). Un enfoncement plus profond, entre 3 800 et 5 000 mètres, permet le passage aux hydrocarbures gazeux (ex. le méthane CH4). C’est la fenêtre à gaz. Au delà, la matière organique est entièrement désorganisée.
Source www.planete-energies.com (TOTAL)
ATTENTION. Sur la vidéo il faut lire O et non O2 pour oxygène. La vidéo fait en effet la confusion entre l'élément oxygène (O) et le gaz oxygène ou dioxygène (O2).
- Des débris animaux et végétaux (d'origine planctonique) s'accumulent sur le fond des mers fermées, des lagunes, des deltas, des estuaires...
- Quand l'enfouissement de la roche mère atteint 2 200 à 3 800 mètres pour des températures de 100 °C apparaît la fenêtre à huile. Des réactions chimiques transforment la matière organique en molécules d'hydrocarbures liquides (l'oxygène, l’azote, le phosphore et le soufre sont peu à peu éliminés, les atomes de carbone et d’hydrogène se réorganisent). Un enfoncement plus profond, entre 3 800 et 5 000 mètres, permet le passage aux hydrocarbures gazeux (ex. le méthane CH4). C’est la fenêtre à gaz. Au delà, la matière organique est entièrement désorganisée.
Source www.planete-energies.com (TOTAL)
La diversité des pétroles est liée à la diversité de la matière organique initiale. Si celle-ci est principalement d’origine animale on obtient beaucoup de liquides. À l’inverse, si les débris végétaux dominent, on obtient surtout du gaz. Pour un pétrole généré à 3 000 m de profondeur et pour une sédimentation moyenne de 50 m par million d’années, il faut 60 millions d’années pour obtenir des hydrocarbures liquides.
Une caméra au fond d'un puits (vidéo 2 min 25 s- lien externe)
- Le pétrole et le gaz, peu denses, migrent depuis la roche mère, où ils se sont formés, vers la surface.
- S'ils ne rencontrent pas d'obstacle, ils peuvent remonter jusqu’à l'air libre. C'est ce qui a fait connaître le pétrole depuis l’antiquité.
- S'ils rencontrent un toit imperméable (ex. argile), ils s’accumulent dans des pièges formés d’une roche magasin poreuse (ex. sable ou grès). Dans un tel gisement le pétrole est souvent accompagné d’eau et de gaz naturel. Par différence de densité le gaz surmonte le pétrole qui surmonte l’eau.
Source : www.cite-sciences.fr
- Le pétrole et le gaz, peu denses, migrent depuis la roche mère, où ils se sont formés, vers la surface.
- S'ils ne rencontrent pas d'obstacle, ils peuvent remonter jusqu’à l'air libre. C'est ce qui a fait connaître le pétrole depuis l’antiquité.
- S'ils rencontrent un toit imperméable (ex. argile), ils s’accumulent dans des pièges formés d’une roche magasin poreuse (ex. sable ou grès). Dans un tel gisement le pétrole est souvent accompagné d’eau et de gaz naturel. Par différence de densité le gaz surmonte le pétrole qui surmonte l’eau.
Source : www.cite-sciences.fr
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Piège à pétrole 1 - Piège à pétrole 2 - Piège à pétrole 3
● Les pétroles, charbons et gaz naturels sont formés de molécules organiques.
● Les environnements à forte productivité permettent d’accumuler une biomasse importante. Dans un milieu pauvre en dioxygène (lacs, marécages, lagunes, deltas, estuaires…), recevant un sédiment à grain fin, une petite partie du carbone organique (de l’ordre de 0,1 %) est enfouie et échappe à la décomposition.
● L’enfoncement du bassin sédimentaire entraîne la roche mère en profondeur. Elle est alors soumise à une augmentation de pression et de température (250 bars et 30°C par km) qui permet la transformation de la matière organique en combustible fossile (perte des éléments O, N, P notamment, donc enrichissement relatif en carbone et hydrogène). Les charbons sont issus de la transformation de débris végétaux terrestres, les pétroles et les gaz naturels sont d’origine planctonique.
● Le pétrole et le gaz, peu denses, migrent vers la surface. Ils s’accumulent dans des pièges formés d’une roche magasin poreuse (ex. sable ou grès) surmontée d’un toit formé d’une roche imperméable (ex. argile, sel gemme). On appelle gisement le lieu où l’accumulation d’une ressource géologique permet son exploitation.
La prospection pétrolière
En géologie on appelle prospection la recherche d'un gisement (lieu où l’accumulation d’une ressource géologique permet son exploitation).
En géologie on appelle prospection la recherche d'un gisement (lieu où l’accumulation d’une ressource géologique permet son exploitation).
Les bassins sédimentaires dans le monde
La connaissance de mécanismes de formation et d'accumulation du pétrole permet de limiter les zones de prospection pétrolière aux seuls bassins sédimentaires. Il s'agit de cuvettes où des couches rocheuses superposées et composées de sédiments se sont accumulées durant des millions d'années. Cela a permis l'enfouissement de la roche mère.
La connaissance de mécanismes de formation et d'accumulation du pétrole permet de limiter les zones de prospection pétrolière aux seuls bassins sédimentaires. Il s'agit de cuvettes où des couches rocheuses superposées et composées de sédiments se sont accumulées durant des millions d'années. Cela a permis l'enfouissement de la roche mère.
La sismique réflexion (vidéo 1 min 15 s - lien externe)
Cette technique permet de représenter les couches du sous-sol afin de repérer les pièges susceptibles de renfermer des gisements d'hydrocarbures.
Source : www.planete-energies.com
Le forage (vidéo 4 min 40 s - lien externe)
C'est la seule manière de vérifier la présence d'hydrocarbures, d'évaluer l'importance du gisement et de l'exploiter.
Source : www.planete-energies.com/fr
Rupture d'oléoduc à Saint-Martin-de-Crau (France, 2009)
Lors de cet accident 4 000 m3 de pétrole brut on été déversés sur le sol. Les fuites d’oléoducs et accidents de forage entraînent des pollutions terrestres
Image : www.20minutes.fr
Lors de cet accident 4 000 m3 de pétrole brut on été déversés sur le sol. Les fuites d’oléoducs et accidents de forage entraînent des pollutions terrestres
Image : www.20minutes.fr
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1 Naufrage de l’Erika (France,1999) - 2 Marée noire provoquée par le naufrage de l'Erika
Lors du naufrage de l’Erika (France,1999) 37 000 tonnes de fuel lourd ont été déversés ce qui a entraîné la pollution des fonds marins ainsi que celle de 400 km de côtes françaises (entre le Finistère sud (Lorient) et la Charente maritime (les sables d'Olone)) .
Images : 1 www.ecologiepratique.com - 2 www.ouest-france.fr
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1 Naufrage de l’Erika (France,1999) - 2 Marée noire provoquée par le naufrage de l'Erika
Lors du naufrage de l’Erika (France,1999) 37 000 tonnes de fuel lourd ont été déversés ce qui a entraîné la pollution des fonds marins ainsi que celle de 400 km de côtes françaises (entre le Finistère sud (Lorient) et la Charente maritime (les sables d'Olone)) .
Images : 1 www.ecologiepratique.com - 2 www.ouest-france.fr
Explosion de la plateforme Deepwater Horizon (États-Unis, 2010)
Cet accident de plateforme a entraîné la fuite de 780 000 m3 de pétrole brut, affectant les écosystèmes marins et côtiers.
Image : fr.wikipedia.org
II. La prospection et l'exploitation du pétrole
● On recherche le pétrole et le gaz (prospection) dans les bassins sédimentaires (océaniques ou continentaux) où les couches de roches superposées permettent la formation de pièges à pétrole et où peuvent être réalisés des forages.
● On recherche le pétrole et le gaz (prospection) dans les bassins sédimentaires (océaniques ou continentaux) où les couches de roches superposées permettent la formation de pièges à pétrole et où peuvent être réalisés des forages.
● L'exploitation et le transport du pétrole présentent des dangers, notamment des marées noires.
L’atmosphère primitive de la Terre (vers - 4 Ga) était composée d’environ 95 % de dioxyde de carbone et 5 % de diazote, comme celle que l’on trouve actuellement sur ses planètes sœurs, Vénus et Mars. Cette énorme quantité de dioxyde de carbone a ensuite considérablement diminué grâce à deux mécanismes :
- dissolution dans l’hydrosphère et précipitation sous forme de roches carbonatées (calcaires par exemple) ;
- formation des gisements de roches carbonées (= pétroles, charbons, gaz = combustibles fossiles).
- dissolution dans l’hydrosphère et précipitation sous forme de roches carbonatées (calcaires par exemple) ;
- formation des gisements de roches carbonées (= pétroles, charbons, gaz = combustibles fossiles).
Le cycle du carbone avant 1850
- Les transferts de carbone s'opèrent essentiellement entre trois grands réservoirs : l'atmosphère, la biosphère et l'hydrosphère. Le bilan de ce cycle court est nul et le taux de dioxyde de carbone atmosphérique est stable à l'échelle humaine.
- Les échanges avec la lithophère sont faibles et quantitativement négligeables à l'échelle humaine (quelques générations). Cependant, cumulés pendant plusieurs centaines de millions d'années, il ont permis la séquestration d'énormes quantités de carbone dans les roches carbonées et les roches carbonatées de sorte que le taux atmosphérique dioxyde de carbone est tombé à 0,028 % (280 ppmv) vers 1850.
ppmv : parties par million en volume (un litre pour un million de litres).
D'après : cycleducarbone.ipsl.jussieu.fr et SVT Hatier, 2010 p. 123.
- Les transferts de carbone s'opèrent essentiellement entre trois grands réservoirs : l'atmosphère, la biosphère et l'hydrosphère. Le bilan de ce cycle court est nul et le taux de dioxyde de carbone atmosphérique est stable à l'échelle humaine.
- Les échanges avec la lithophère sont faibles et quantitativement négligeables à l'échelle humaine (quelques générations). Cependant, cumulés pendant plusieurs centaines de millions d'années, il ont permis la séquestration d'énormes quantités de carbone dans les roches carbonées et les roches carbonatées de sorte que le taux atmosphérique dioxyde de carbone est tombé à 0,028 % (280 ppmv) vers 1850.
ppmv : parties par million en volume (un litre pour un million de litres).
D'après : cycleducarbone.ipsl.jussieu.fr et SVT Hatier, 2010 p. 123.
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1 Ryobi(Japon) - 2 Mauna Loa (Hawaii) - 3 Île Mahe (Seychelles) - 4 Cap Grim (Australie) - 5 Pôle Sud
Quel que soit le lieu de l'enregistrement sur la planète le taux moyen de dioxyde de carbone a régulièrement augmenté de 1974 (330 ppmv) à 2011 (390 ppmv).
Images : gaw.kishou.go.jp
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1 Ryobi(Japon) - 2 Mauna Loa (Hawaii) - 3 Île Mahe (Seychelles) - 4 Cap Grim (Australie) - 5 Pôle Sud
Quel que soit le lieu de l'enregistrement sur la planète le taux moyen de dioxyde de carbone a régulièrement augmenté de 1974 (330 ppmv) à 2011 (390 ppmv).
Images : gaw.kishou.go.jp
La concentration de dioxyde de carbone atmosphérique subit des variations saisonnières
La concentration atmosphérique en CO2 augmente pendant la fin de l’automne et l’hiver (d’octobre à avril dans l’hémisphère nord, d’avril à septembre dans l’hémisphère sud) ; elle diminue du milieu du printemps au début de l’automne (d’avril à septembre dans l’hémisphère nord, d’octobre à avril dans l’hémisphère sud). Ces rythmes saisonniers sont liés à l'activité biologique (la photosynthèse absorbe du CO2 et la respiration en libère). Ils sont très marqués dans l'hémisphère nord près des côtes mais sont atténués loin des côtes où l'activité biologique se fait moins sentir. À l'équateur les variations saisonnières ont une faible amplitude et au pôle sud l'activité biologique est très faible.
La concentration atmosphérique en CO2 augmente pendant la fin de l’automne et l’hiver (d’octobre à avril dans l’hémisphère nord, d’avril à septembre dans l’hémisphère sud) ; elle diminue du milieu du printemps au début de l’automne (d’avril à septembre dans l’hémisphère nord, d’octobre à avril dans l’hémisphère sud). Ces rythmes saisonniers sont liés à l'activité biologique (la photosynthèse absorbe du CO2 et la respiration en libère). Ils sont très marqués dans l'hémisphère nord près des côtes mais sont atténués loin des côtes où l'activité biologique se fait moins sentir. À l'équateur les variations saisonnières ont une faible amplitude et au pôle sud l'activité biologique est très faible.
Concentration du dioxyde de carbone atmosphérique depuis 150 ans
Les mesures anciennes ont été effectuées grâce à l'analyse des bulles d'air emprisonnées dans les glaces polaires que l'on peut dater. Depuis les années 1950 il s'agit de mesures directes dans l'atmosphère.
Le dioxyde de carbone atmosphérique est passé de 280 ppmv (0,028%) avant l'ère industrielle à 381 ppmv (0,038%) en 2006. L'augmentation de la concentration de dioxyde de carbone atmosphérique s'est accélérée depuis le milieu des années 1960 et continue d'accélérer. Entre 1970 et 1979, elle était de 1,3 ppmv par année, entre 1980 et 1999 autour de 1,55 ppmv par année, et entre 2000 et 2006, elle atteignait la valeur de 1,9 ppmv par année.
Émissions de CO2 d'origine humaine
Une part est causée par la déforestation et l'utilisation des sols, mais la plus grande part, du moins actuellement, est due à l'utilisation des énergies fossiles.
Une part est causée par la déforestation et l'utilisation des sols, mais la plus grande part, du moins actuellement, est due à l'utilisation des énergies fossiles.
Devenir du CO2 antropique
L'océan et la végétation sont des "puits naturels" qui absorbent une partie du carbone libéré par l'homme. L'océan en absorbe une part assez constante mais la végétation l'absorbe de manière très irrégulière selon les années (variations liées au climat). Le reste du dioxyde de carbone s'accumule dans l'atmosphère.
L'océan et la végétation sont des "puits naturels" qui absorbent une partie du carbone libéré par l'homme. L'océan en absorbe une part assez constante mais la végétation l'absorbe de manière très irrégulière selon les années (variations liées au climat). Le reste du dioxyde de carbone s'accumule dans l'atmosphère.
Émissions de CO2 dues à l'utilisation des énergies fossiles entre 1990 et 2006
L'augmentation de la concentration de CO2 atmosphérique s'explique notamment par une augmentation des émissions de carbone liées à l'utilisation des énergies fossiles qui dépasse les prévisions les plus pessimistes et à une réduction de l'efficacité des puits naturels du carbone.
Source : cycleducarbone.ipsl.jussieu.fr
L'augmentation de la concentration de CO2 atmosphérique s'explique notamment par une augmentation des émissions de carbone liées à l'utilisation des énergies fossiles qui dépasse les prévisions les plus pessimistes et à une réduction de l'efficacité des puits naturels du carbone.
Source : cycleducarbone.ipsl.jussieu.fr
Le cycle du carbone actuel
L'extraction et la combustion des combustibles fossiles font que le cycle court du carbone s'opère maintenant entre les quatre grands réservoirs : l'atmosphère, la biosphère, les océans et la lithosphère. En effet, à cause des activités humaines, cette dernière restitue une partie du carbone séquestré depuis des centaines de millions d'années. La moitié environ du dioxyde de carbone anthropique (= libéré par l'Homme) est réabsorbée par photosynthèse et dissolution dans les océans. L'autre moitié, soit environ 4 Gt par an, s'accumule dans l'atmosphère, ce qui entraîne actuellement un taux de dioxyde de carbone atmosphérique de 0,039 %. Cette valeur est en en constante augmentation. Sources : cycleducarbone.ipsl.jussieu.fr et SVT Hatier, 2010 p. 123.
L'extraction et la combustion des combustibles fossiles font que le cycle court du carbone s'opère maintenant entre les quatre grands réservoirs : l'atmosphère, la biosphère, les océans et la lithosphère. En effet, à cause des activités humaines, cette dernière restitue une partie du carbone séquestré depuis des centaines de millions d'années. La moitié environ du dioxyde de carbone anthropique (= libéré par l'Homme) est réabsorbée par photosynthèse et dissolution dans les océans. L'autre moitié, soit environ 4 Gt par an, s'accumule dans l'atmosphère, ce qui entraîne actuellement un taux de dioxyde de carbone atmosphérique de 0,039 %. Cette valeur est en en constante augmentation. Sources : cycleducarbone.ipsl.jussieu.fr et SVT Hatier, 2010 p. 123.
● Le carbone est échangé entre quatre grands réservoirs : l’atmosphère, l’hydrosphère, la biosphère et la lithosphère ce qui constitue le cycle du carbone.
● Le carbone circule facilement entre les trois premiers réservoirs :
- la photosynthèse permet à la biosphère d'absorber du carbone mais la respiration et la décomposition en libèrent ;
- dissolution et dégazage permettent des échanges entre hydrosphère et atmosphère.
● Le carbone parvient très lentement dans la lithosphère : soit par fossilisation (roches carbonées) soit par précipitation (roches carbonatées). Les mécanismes naturels de libération étant rares, la lithosphère séquestre durablement le carbone, c'est un puits de carbone.
● Lorsqu’on fait brûler un combustible fossile, du carbone est libéré. L'océan et la biosphère en réabsorbent la moitié, l'autre moitié s'accumule dans l'atmosphère. On observe :
- une acidification de l’eau des océans* ;
- une augmentation de l’activité photosynthétique ;
- une augmentation de l’effet de serre qui entraîne un réchauffement climatique.
● Le carbone circule facilement entre les trois premiers réservoirs :
- la photosynthèse permet à la biosphère d'absorber du carbone mais la respiration et la décomposition en libèrent ;
- dissolution et dégazage permettent des échanges entre hydrosphère et atmosphère.
● Le carbone parvient très lentement dans la lithosphère : soit par fossilisation (roches carbonées) soit par précipitation (roches carbonatées). Les mécanismes naturels de libération étant rares, la lithosphère séquestre durablement le carbone, c'est un puits de carbone.
● Lorsqu’on fait brûler un combustible fossile, du carbone est libéré. L'océan et la biosphère en réabsorbent la moitié, l'autre moitié s'accumule dans l'atmosphère. On observe :
- une acidification de l’eau des océans* ;
- une augmentation de l’activité photosynthétique ;
- une augmentation de l’effet de serre qui entraîne un réchauffement climatique.
acide carbonique
BILAN
● Brûler un combustible fossile, c’est utiliser une énergie solaire du passé.
● Les combustibles fossiles sont des énergies non renouvelables car ces ressources sont consommées à une vitesse bien supérieure à la vitesse à laquelle elles sont naturellement formées.
● L'utilisation des combustibles fossiles perturbe le cycle naturel du carbone
● Brûler un combustible fossile, c’est utiliser une énergie solaire du passé.
● Les combustibles fossiles sont des énergies non renouvelables car ces ressources sont consommées à une vitesse bien supérieure à la vitesse à laquelle elles sont naturellement formées.
● L'utilisation des combustibles fossiles perturbe le cycle naturel du carbone
Sur http://www.cnrs.fr/cw/dossiers/saga.htm (CNRS)