Biocarburants et Pétrole

Formation du pétrole

Sommaire

De la matière organique fossile ?

Notre première sous-partie sur la photosynthèse prend du sens avec l'affirmation suivante : le pétrole était jadis de la matière organique non fossile. En effet, les composants du pétrole possèdent les mêmes éléments (ce que l'on appelle officieusement le "CHON" : Carbone, Hydrogène, Oxygène, Nitrogen (azote)), ainsi que des structures en chaînes carbonées similaires. En témoigne le schéma suivant :

molecules
En haut se trouve une représentation mi-topologique mi-développée d'une molécule de chlorophylle A (C55H72O5N4Mg), dont la chaîne carbonée ramifiée devient cyclique à partir d'un certain point. En dessous, on trouve deux constituants du pétrole. À gauche, la représentation topologique de l'alcane Phytane (C20H42), ressemblant fortement à la partie ramifiée de la chaîne carbonée de la chlorophylle A. À droite, autre composé du pétrole, la Porphyrine de Vanadium (C30H30N4V), qui ressemble elle à la partie cyclique de la chlorophylle. Grâce à notre sens de l'observation, ainsi qu'à un rapide calcul, on déduit donc que le pétrole, par ses éléments et ses structures, s'apparente à la matière organique.

Nous sommes conscients des nombreux défauts de ce schéma, nous allons même en faire une critique. Tout d'abord, comme son apparente austérité peut le suggérer, il a été réalisé avec le logiciel Paint, à partir de modèles trouvés sur le Web. Le premier s'avère être un mélange entre une représentation topologique et développée, chose que nous n'avions jamais vue jusque là. Nous avons également trouvé certaines représentations moléculaires, cependant elles sont trop confuses pour que l'on puisse observer la géométrie similaire des espèces. Pour le modèle moléculaire de la Porphyrine, molécule caractéristique de la chlorophylle, une substitution assez courante du Magnésium en Vanadium a eu lieu, ce qui explique la présence de cet élément au centre du modèle moléculaire (il ne s'agit effectivement pas d'un carbone-mouton à deux pattes...) Pour le Phytane enfin, nous avons également trouvé une belle représentation moléculaire ici, mais nous avons pensé qu'une simple représentation topologique sera suffisante, pour ce que nous voulons démontrer.

Cependant, comme vous le savez et comme nous vous le montrerons, le pétrole met fort longtemps à se former. Cette matière organique a donc été produite il y a fort longtemps, et est maintenant devenue fossile.

Pétrole et bioéthanol ont une origine organique. Cependant, il y a une importante différence d'échelle entre les deux, sur laquelle nous reviendrons. La matière organique à l'origine du bioéthanol a été produite peu de temps avant sa fermentation, contrairement à celle à l'origine du pétrole. C'est pour cette raison d'échelle que le pétrole ne peut être considéré comme un biocarburant, (question soulevée par notre professeur de physique pour nous faire réfléchir), étant donné qu'il vient de matière organique fossile.

Son origine organique démontrée, passons maintenant à une description plus précise de la formation du pétrole.

Genèse pétrolière

Il faut tout d'abord savoir que si tous les pays n'ont pas été gâtés de la même façon, c'est parce que la formation de pétrole ne peut avoir lieu que dans certaines conditions bien précises. Celles-ci sont liées d'une part à la tectonique des plaques, et d'autre part au dépôt de matière organique.

Dépôt et Accumulation

En effet, comme nous l'avons longuement étudié cette année en géologie, la "Terre solide" n'est pas fixe, elle est constituée de plaques dites lithosphériques qui sont en perpétuel mouvement. Pour information, la lithosphère est constituée de croûte, continentale ou océanique, ainsi que d'un morceau du manteau supérieur. Sans trop rentrer dans le détail du mouvement de ces plaques, certaines régions sont propices à la création de bassins sédimentaires. Il s'agit d'espaces où la matière organique morte s'accumule, comme nous le verrons juste après. Plus généralement, comme leur nom l'indique, des sédiments s'y accumulent, c'est à dire diverses choses (débris de roches par exemple) qui se déposent. Pour parler un peu géologie, intéressons nous à la formation de ses bassins sédimentaires.

Les bassins sédimentaires

Notre étude nous amène en marge des continents, là où la Terre rencontre la mer... Mais il peut être utile de rappeler que nos continents ne se sont pas toujours trouvés à leur emplacement actuel, loin de là. Revenons donc un peu en arrière, au début du siècle dernier plus précisément, lorsque le brillant Alfred Wegener, en avance sur son temps, propose la théorie scientifique de la dérive des continents. Appuyée par des traces de fossiles identiques d'espèces ne pouvant se déplacer (comme des fougères) trouvées sur différents continents très éloignés actuellement et séparés par des océans, sur la correspondance de certaines côtes comme celles de l'Amérique du Sud et de l'Afrique, ou encore sur l'étude des paléoclimats, les climats anciens, cette théorie suggère qu'autrefois tous nos continents n'en formaient qu'un seul, une espèce de "super continent" appelée la Pangée (venant de Pan et Gaïa, une seule terre en Grec). Même si à l'époque de nombreux détracteurs ont saigné à blanc sa théorie, de nos jours cette idée est parfaitement reconnue, et à même donné naissance à notre modèle de tectonique des plaques actuel. Tout cela pour expliquer l'existence de nombreuses réserves de pétrole sur la péninsule Arabique, alors qu'actuellement elle ne se situe plus vraiment en marge d'un continent...

Certaines marges continentales sont faillées, c'est à dire découpées par des failles normales. Cela donne ce que l'on appelle des blocs basculés, d'altitudes décroissantes à mesure que l'on s'éloigne du continent. Ces failles se sont créées grâce à un mouvement divergent, un étirement. Pour mieux comprendre cela, nous avons réalisé, en cours de SVT, une expérience à l'aide de boîtes en plastique et de sables de diverses couleurs, expérience que notre professeure nous a généreusement laissés photographier. Nous avons décidé de l'inclure à cette partie, car elle ne constitue pas vraiment une expérience préparée par nos soins, comme les deux autres que nous avons réalisées...

Pour réaliser cette expérience, nous avons eu besoin du matériel suivant : deux sables de deux couleurs différentes pour bien voir les conséquences de l'étirement, une boite pour les contenir, une plaque de bois pour bien tasser les différentes couches, ainsi qu'une autre maintenant ces couches, que l'on pourra tirer à l'aide d'un levier pour simuler l'étirement. Pour commencer le montage, il faut placer la deuxième plaque de bois à peu près au milieu de la boite. Puis, il faut remplir la deuxième moitié de la boite avec quatre couches de sables, bien tassées et en faisant alterner les couleurs de sable. Cela donne quelque chose comme ça :

prepa1
Avec un petit zoom sur la partie qui nous intéresse réellement :
prepa2

Maintenant que la préparation est terminée sans qu'il n'y ait trop de sable renversé sur la paillasse, on peut passer à la modélisation en elle même. Pour cela, il suffit de tirer sur le levier, ce qui entraînera la plaque maintenant nos quatre couches de sable. Nous vous laissons admirer le résultat :

etirement etirement
Résultat après étirement, vu d'un côté...
etirement etirement
Puis de l'autre.

On peut ici bien observer les quelques différents blocs basculés d'altitudes inégales. Nous avont également tracé les failles normales qui les séparent en rouge. C'est entre ces blocs basculés, véritables pièges, que vont s'accumuler les sédiments.

La sédimentation

En plus de cet étirement, pour que l'on soit en présence d'un bassin sédimentaire, il faut que l'on se situe à proximité de l'embouchure d'un cours d'eau, pour qu'il puisse amener les sédiments obtenus par érosion des masses continentales. Mais ces matières minérales sont insuffisantes, ce ne sont pas elles qui sont à l'origine du pétrole. Évidemment, si l'on ne s'intéresse pas à la matière minérale, c'est son homologue organique qui va attirer notre attention. En théorie, et nous aurons l'occasion d'en reparler avec l'étude du cycle du carbone terrestre, la biosphère, c'est à dire "l'espace du vivant" recycle la quasi-totalité de la matière organique terrestre, et ce grâce à l'action de décomposeurs qui la transforment en matière minérale. Cependant, toute la matière organique ne subit pas ce sort... Des micro-organismes vont mourir dans des bassins sédimentaires, puis leurs cadavres vont se déposer avec les sédiments entre les blocs basculés évoqués précédemment. Voici une carte présentant les zones de dépôt actuelles de la matière organique sur notre planète :

depot
En observant cette carte, on peut facilement se rendre compte que les principales concentrations de matières organiques dans des sédiments (c'est à dire environ 2%...) se situent en marge des continents (on appelle cela des marges passives), dans les bassins sédimentaires précités. On en trouve moins en Antarctique, car il n'y a pas autant de fleuves pour déposer ces sédiments, eux-mêmes moins nombreux...

Ces micro-organismes petits et insignifiants vont donc en mourant se déposer dans les bassins sédimentaires. Il est important de noter que les micro-organismes à l'origine du pétrole actuel se sont déposés il y a fort longtemps, quelques centaines de millions d'années, on parle donc de phénomènes sur le long terme. Au fur et à mesure, les microbes vont devenir de plus en plus nombreux à y mourir et s'y déposer, on parle d'accumulation. De plus, ils vont être recouverts petit à petit par d'autres sédiments, apportés par exemple par les fleuves précités. De cette manière, la matière organique se retrouve dans un milieu dit anaérobie, c'est à dire privé de dioxygène, ce qui explique d'ailleurs le fait qu'elle ne se décompose pas, les décomposeurs, comme tous les êtres vivants, ne pouvant vivre privés de dioxygène. Et mine de rien, la masse d'un seul microbe est peut-être insignifiante, mais celles de nombreux microbes, ainsi que d'autres sédiments l'est un peu moins... Et que se passe-t-il quand quelque chose devient plus lourd ?

Enfouissement et Enfoncement

Il s'enfonce, attiré par la gravité et pour des raisons de densité (rapport de la masse au volume, comparé à celui de l'eau. Entre deux phases ou couches, celle qui a la densité la moins importante sera située au dessus de l'autre. La masse étant au numérateur, si elle augmente, la densité suit). Ce phénomène, l'enfoncement progressif d'un bassin sédimentaire, s'appelle la subsidence. Une fois qu'elle a atteint sa profondeur de croisière, souvent autour de 4000 mètres, la couche qui contient les restes de microbes s'arrête. Il est évident que ce phénomène ne se produit pas du jour au lendemain, il lui faut des millions d'années pour s'accomplir. Voici un graphique reconstituant l'enfoncement de ces couches sédimentaires :

enfouissement
Graphique représentant la courbe de l'enfoncement en fonction du temps. On remarque que celui-ci a commencé il y a 200 millions d'années, puis a continué de manière globalement régulière jusqu'il y a 75Ma, où cet enfoncement s'est stabilisé à une profondeur d'environ 3700m (proche des 4000m que nous avions annoncés). Nos restes organiques ont donc passé quelques 75 millions d'années à environ 4000m de profondeur. Retenons bien ces chiffres, ils nous seront utiles un peu plus tard...

Et maintenant que la profondeur adéquate est atteinte, la "grande cuisine" peut commencer.

Maturation et Piégeage

Notre couche de sédiments contenant les restes organiques en est arrivée à des conditions de température et de pression idéales. Sous cette pression, un produit intermédiaire va se former, le kérogène (à ne surtout pas confondre avec le kérosène, carburant des avions issus du raffinage du pétrole). Mais ce n'est pas fini, le kérogène va lui aussi subir une transformation. En effet, lorsque la température dépasse les 50°C, ce qui est le cas ici, ce kérogène va subir ce que l'on appelle une pyrolyse. Pour faire simple (ou du moins essayer), il s'agit de la décomposition d'un composé organique à cause de la chaleur en milieu anaérobie, c'est à dire en l'absence de dioxygène. Ça tombe bien, puisque les trois conditions sont remplies dans notre cas : nous sommes bien en présence de matière organique, grâce aux restes de microbes; ceux-ci sont littéralement écrasés et privés de dioxygène, et la température est adaptée.

Il ne faut pas confondre pyrolyse et combustion. Contrairement à la première, la seconde a besoin d'un comburant, très souvent du dioxygène. Prenons l'exemple trivial mais parlant du barbecue et de sa combustion de carbone. Ce dernier est le combustible, tandis que le dioxygène présent dans l'atmosphère est le comburant. Il ne faut pas non plus confondre tout cela avec une fusion, transformation physique, passage de l'état solide à l'état liquide.

Suite à cette pyrolyse vont se former plusieurs produits, dont du gaz et notre précieux pétrole. Encore une fois, ce processus prend beaucoup de temps. Pour mieux comprendre la pyrolyse, observons les relations entre la durée de l'enfouissement et les températures :

maturation
Vous vous souvenez des 75Ma d'années d'enfouissement évoquées tout à l'heure ? Fort bien, nous allons pouvoir les ré-exploiter ici. Une donnée nous manque cependant, à savoir la température. Pour la trouver, on sait qu'elle augmente de 25°C par kilomètre de profondeur. En prenant une température moyenne de surface de 15°C, à 3700 m de profondeur, on a une température de 15 + 25*3.7 = 107.5°C (nous ne faisons ni de la physique, ni de la chimie, donc nul besoin de nous occuper des chiffres significatifs...). En reportant cette température sur le graphique, pour une durée d'enfouissement de 75Ma, on constate que l'on se trouve dans le cas de formation d'huile (oil en anglais, tout comme le pétrole...), donc de pétrole, comme nous l'avions prévu.

Mais une fois formé, le pétrole ne reste pas là où il est.

Migration et piégeage

Il est temps de donner enfin des noms à ce dont on parle. La roche où a lieu la pyrolyse du kérogène, donc la formation du pétrole s'appelle roche mère. Mais le pétrole est assez sûr de lui pour quitter le nid familial. En vérité, encore une fois, tout est question de densité... Celle du pétrole liquide nouvellement formé est inférieure, il aura donc tendance à s'échapper de la roche mère vers la surface. Et là, deux cas de figure se présentent : ou bien il ne rencontre aucun obstacle lors de sa remontée, et atteint l'air libre, formant un affleurement ou bien des sables bitumineux. On parle dans ce dernier cas de sources de pétrole "non conventionnelles", nous n'allons pas trop nous attarder là-dessus. Dans l'autre cas, le pétrole rencontre une configuration spéciale de roches imperméables, qui entravent sa progression. Cette configuration de roches est induite, encore une fois, par la tectonique des plaques. Certaines roches sont déformées, en fonction de leur résistance, ce qui peut former, en fonction des cas, des plis ou des failles. Et par un concours de circonstances, il se forme ainsi ce que l'on appelle couramment un piège à pétrole. Détaillons un peu plus les roches qui le composent, il y en a trois principales, dont la roche mère déjà évoquée. On appelle roche couverture la roche imperméable, parce qu'elle recouvre l'endroit où le pétrole est stocké. Parlons-en justement, on appelle cet endroit la roche réservoir (ou officieusement roche éponge). L'avantage de son nom officieux est qu'il nous renseigne sur la structure de ce réservoir. Contrairement à ce que l'on pourrait penser, il ne s'agit pas d'un grand lac souterrain, mais plutôt d'une éponge, d'où le nom de roche poreuse. Cela changera pas mal de choses lors de l'extraction... Mais le pétrole n'est pas tout seul dans sa roche réservoir. Il y a avec lui du gaz, également formé lors de la pyrolyse du kérogène, ainsi que de l'eau. Dans l'ordre de densités décroissantes (donc de bas en haut), on trouve l'eau, le pétrole puis le gaz. En résumé, voici un schéma austère mais très bien fait :

reservoir_petrole
On retrouve ici les trois roches évoquées, ainsi que le contenu de la roche réservoir.

Ce schéma est fort pratique, mais pourquoi se contenter d'une image ? En cours de SVT, nous avons nous-mêmes réalisé une expérience modélisant la formation d'un piège à pétrole. Comme la précédente pour la formation de blocs basculés, nous avons réutilisé une boite en plastique et simulé la compression grâce à une plaque de bois. Au fond de la boîte, nous avons mis trois couches de sable de couleurs différentes, en alternance. Mais cette fois-ci, la nouveauté est que nos avons rajouté par dessus une couche d'argile pétrie au préalable (travail assez salissant, en vérité...), jouant le rôle de la roche imperméable. Nous avons également rajouté une couche de sable par dessus. Encore une fois, remercions la générosité de notre professeure, sans laquelle vous ne pourriez voir ceci :

piege piege
L'argile étant assez salissante, les parois de la boîte en ont pris un sacré coup... Toutefois, l'essentiel y est, la première couche rouge tout petite au fond, une plus importante (totalement in-intentionnelle, due à une erreur de dosage...) jaune, puis une autre rouge, ensuite la fameuse couche d'argile, et la dernière couche de sable jaune au dessus.

On peut se demander à ce stade, avant de réaliser la compression, où se trouve le pétrole. Une tentative a été faite de rajouter de l'eau et de l'huile (pour le pétrole), pour ainsi pouvoir observer leur migration. Cependant, dans la nature, cette opération prend beaucoup de temps, et il en est de même (toutes proportions gardées) pour notre boite. La tentative des professeurs ayant été un fiasco, nous n'avons pas modélisé la migration du pétrole. Néanmoins, grâce au schéma un peu plus haut, en regardant les images qui vont suivre, après compression, on peut facilement deviner où il est censé se trouver :

piege piege
On retrouve ici cette image de grand dôme, sous lequel le pétrole est bloqué. Encore une fois, la qualité n'est pas parfaite, mais l'essentiel est parfaitement discernable, d'autant plus que nous avons rajouté des légendes.

Et voilà, le pétrole piégé n'attend plus que d'être extrait... Nous aurons bien sûr l'occasion de revenir là dessus ultérieurement. Avant de conclure avec la composition du pétrole, un petit schéma bilan de sa formation. On y retrouve toutes les étapes que l'on a décrites jusque là.

conclusion

Composition du pétrole et famille de molécules

En conclusion, nous allons dire quelques mots sur les principaux composants du pétrole, étant donné qu'ils reviendront souvent tout au long du TPE. Nous allons donc introduire la notion d'hydrocarbure. Il s'agit de composés organiques constitués uniquement d'atomes d'hydrogène et de carbone, ces derniers constituant souvent une chaîne carbonée. Un hydrocarbure a une formule brute du type CmHn (avec m et n entiers naturels). On distingue plusieurs sous catégories, plusieurs familles de molécules dans les hydrocarbures.

Les alcanes

Il s'agit d'hydrocarbures saturés (car le nombre maximum possible d'atomes d'hydrogène sont reliés aux carbones) et ne comportant, chose très importante, que des liaisons covalentes simples. Les alcanes non cycliques ont tous une formule brute du type CnH2n+2 (avec n entier naturel). Il existe une nomenclature des alcanes, le cadet de la famille étant le Méthane (CH4). Voici un tableau permettant de nommer les alcanes. Contrairement à ce que l'on pourrait penser, la nomenclature est très complexe, et les noms des alcanes ramifiés ou cycliques peuvent très vite devenir tout aussi complexes et surtout très imagés. C'est pourquoi, dans un souci de simplicité, nous ne parlerons que des alcanes linéaires.

Nombre d'atomes de carbone et radicaux des alcanes linéaires
Nombre de carbones 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Radicaux Méth Éth Prop But Pent Hex Hept Oct Non Déc

On peut se risquer à une généralisation quant aux noms des alcanes, ils possèdent tous le suffixe "-ane". D'ailleurs, pour les alcanes linéaires, il suffit de le rajouter après le radical correspondant au nombre d'atomes de carbone dans la chaîne carbonée. Pour les alcanes ramifiés et cycliques, c'est un peu plus compliqué que cela, si bien que vous nous excuserez si l'on ne vous en parle pas... Que dire de plus sur les alcanes, si ce n'est que ce sont des composés organiques, donc leur combustion complète libère de l'eau et du dioxyde de carbone. Encore une petite chose, les températures de fusion des alcanes augmentent avec la taille de la chaîne carbonée, car les interactions de Van der Waals (interactions attractives entre les nuages électroniques de solides moléculaires assurant en partie leur cohésion) sont plus importantes à mesure que la longueur de la chaîne augmente.

Les alcènes

L'autre grande famille est celle des alcènes. À la différence des alcanes, ils possèdent une double liaison entre deux atomes de carbone (on dit qu'ils sont insaturés, car à la place de la double liaison, il aurait pu y avoir un atome d'hydrogène...). Par exemple, l'éthylène (ou ethène), de formule brute C2H4. Tous leurs noms se finissent également par "-ène", et dérivent de la nomenclature des alcanes correspondants (nous n'insisterons pas plus là dessus). Voici la formule développée de l'éthylène, qui permet de bien voir sa double liaison :

ethylene
Formule développée de l'éthylène

Les alcools

Pour enchaîner avec la partie suivante, sortons un peu des hydrocarbures ainsi que des composants du pétrole et évoquons une autre famille de molécules : les alcools. Ceux-ci sont constitués d'atomes de carbone et d'hydrogène, ce sont des composés organiques tout comme les hydrocarbures. Cependant, un de leurs carbones est relié à un groupe caractéristique hydroxyle "-OH" constitué d'un oxygène relié à un hydrogène. Ce groupe caractéristique leur confère des propriétés chimiques particulières, lors de la combustion par exemple. Mais c'est également grâce à lui que les températures de fusion des alcools sont supérieures à celles des alcanes leur correspondant. Il s'agit toujours d'une histoire de cohésion des solides, mais cette fois on parle également de liaisons hydrogènes. Il s'agit de liaisons formées entre les atomes d'hydrogène et les doublets non liants (doublets d'électrons ne formant pas de liaisons covalentes) des atomes d'oxygène. Les liaisons hydrogènes sont plus puissantes que les interactions de Van der Waals, ce qui assure aux alcools une meilleure cohésion, et donc des températures de fusion plus élevées. Tous les alcools possèdent le suffixe "-ol" dans leur nom, qui se forme sur le radical de l'alcane correspondant. Et un des membres de la famille est... l'éthanol !

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