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Sciences de la Terre et de l’Univers du lycée · শ্রেণি 10–12

18La géologie du charbon, du pétrole et du gaz

Une plaque d’argilite noire tirée d’une ancienne mine de charbon de Pennsylvanie porte des feuilles de plantes semblables à des fougères, aplaties et argentées sur la roche sombre. Elles ont poussé dans un marais il y a plus de trois cents millions d’années, au Carbonifère ; enfouies avant d’avoir pu pourrir, elles ont gardé leur forme, et le carbone des plantes du marais est devenu du charbon. Le pétrole et le gaz, pompés aujourd’hui depuis des plates-formes en mer, ont une origine du même genre : les restes d’êtres vivants qui ont échappé à la décomposition, puis ont été enfouis et chauffés. Ce chapitre suit ce carbone enfoui, du marais et du fond de la mer jusqu’à la veine de charbon et au gisement de pétrole.

À gauche : feuilles de plantes fossiles dans une argilite riche en carbone provenant d’une ancienne mine de charbon de Pennsylvanie, du Carbonifère ; la plaque mesure environ 10\, cm de large. Photographie James St. John (CC BY 2.0). À droite : une plate-forme de production de pétrole et de gaz en mer (illustration générée par IA). — À gauche : feuilles de plantes fossiles dans une argilite riche en carbone provenant d’une ancienne mine de charbon de Pennsylvanie, du Carbonifère ; la plaque mesure environ $10\,\mathrm{cm}$ de large. Photographie James St. John (CC BY 2.0). À droite : une plate-forme de production de pétrole et de gaz en mer (illustration générée par IA).

Tu sais déjà

Le charbon, le pétrole et le gaz naturel sont des combustibles fossiles : le pétrole et le gaz sont des mélanges d’hydrocarbures, des composés de carbone et d’hydrogène, et brûler un combustible fossile libère de l’énergie et du dioxyde de carbone (les livres de chimie). Les plantes et les algues fabriquent de la matière organique à partir de dioxyde de carbone et d’eau par la photosynthèse (les livres de biologie). Le charbon, le pétrole et le gaz viennent de matière organique enfouie dans des sédiments, et ils sont stockés dans des roches sédimentaires (livre 1, année 9). Une roche est poreuse quand elle contient des vides, perméable quand l’eau peut la traverser (livre 1, année 6). La température augmente avec la profondeur le long du géotherme, de 25 à $30{}^{\circ}\mathrm{C}$ par kilomètre dans les premiers kilomètres (Chapitre 12).

18.1 Conserver la matière organique

La plus grande partie de la matière organique ne devient jamais un combustible. Une feuille morte ou une algue morte est mangée par des animaux et des bactéries, ou réagit avec l’oxygène de l’air : en quelques semaines ou quelques années, son carbone est retourné dans l’atmosphère sous forme de dioxyde de carbone. La matière organique ne survit que là où elle est coupée de l’oxygène — au fond d’un marais aux eaux stagnantes, ou sur un fond marin ou lacustre dont l’eau ne contient pas d’oxygène. Enfouie là sous d’autres sédiments, elle peut se conserver pendant des dizaines ou des centaines de millions d’années.

Le charbon vient surtout de plantes terrestres accumulées dans des marais. Le pétrole et le gaz viennent surtout des algues microscopiques et des autres organismes du plancton marin : là où les eaux de surface sont très productives, le plancton mort tombe sur le fond assez vite pour qu’une partie échappe à la décomposition, et il est enfoui dans la boue.

Définition 18.1 (Roche mère ; kérogène)

Le kérogène est la matière organique dispersée dans une roche sédimentaire, en petites particules qui ne se dissolvent pas dans les solvants organiques. Une roche mère est une roche sédimentaire riche en kérogène, dans laquelle le pétrole et le gaz se forment quand elle est enfouie et chauffée.

La plupart des roches mères sont des argilites et des pélites, déposées sous forme de boues riches en matière organique. Près de la surface, leur kérogène reste solide : des bactéries vivant sans oxygène transforment une partie de la matière organique en méthane, mais la plus grande partie de ce méthane s’échappe vers la surface. Fabriquer du pétrole demande de la chaleur, et la chaleur demande de la profondeur.

18.2 Enfouissement et maturation

Définition 18.2 (Bassin sédimentaire)

Un bassin sédimentaire est une région de la croûte qui s’enfonce pendant des millions d’années, si bien que des sédiments s’y accumulent, souvent sur plusieurs kilomètres d’épaisseur.

Dans un bassin qui s’enfonce, chaque couche est enfouie de plus en plus profondément sous les couches qui s’empilent sur elle. En descendant, elle suit le géotherme : elle est chauffée. Son kérogène cuit lentement, ses grosses molécules se cassant en molécules plus petites, celles du pétrole et du gaz.

Définition 18.3 (Maturation ; fenêtre à huile ; fenêtre à gaz)

La maturation d’une roche mère est la transformation de son kérogène en pétrole et en gaz à mesure qu’elle est enfouie et chauffée. La fenêtre à huile est l’intervalle de température, d’environ 60 à $120{}^{\circ}\mathrm{C}$ , dans lequel le kérogène forme surtout du pétrole. Au-delà d’environ $120{}^{\circ}\mathrm{C}$ , dans la fenêtre à gaz, il forme surtout du méthane.

Comme la température augmente avec la profondeur, la fenêtre à huile est aussi un intervalle de profondeurs. Là où le géotherme est une droite, on la trouve facilement.

Proposition 18.4 (Profondeur de la fenêtre à huile)

Supposons que la température vaille $T_0$ en surface et augmente avec la profondeur $z$ selon un gradient géothermique constant $G$ : $T = T_0 + G z$ . La fenêtre à huile se trouve alors entre les profondeurs

z_{\text{sommet}} = \frac{60 - T_0}{G} \qquad\text{et}\qquad z_{\text{base}} = \frac{120 - T_0}{G},

les températures étant en ${}^{\circ}\mathrm{C}$ . Son épaisseur vaut $60/G$ : plus le géotherme est raide, moins la fenêtre est profonde et épaisse.

Démonstration. Le sommet de la fenêtre est la profondeur où $T_0 + G z = 60$ , c’est-à-dire $z = (60 - T_0)/G$ ; la base est là où $T_0 + G z = 120$ . La différence vaut $(120 - 60)/G = 60/G$ . ∎

Avec une surface à $20{}^{\circ}\mathrm{C}$ et un gradient de $30{}^{\circ}\mathrm{C}$ par kilomètre, la fenêtre à huile se trouve entre $40/30 \approx 1.3\,\mathrm{km}$ et $100/30 \approx 3.3\,\mathrm{km}$ . Dans les forages des États-Unis, le gradient vaut en moyenne $29{}^{\circ}\mathrm{C}$ par kilomètre, $25$ dans l’Est et $34$ dans l’Ouest ; une roche mère doit en général être enfouie à plus de $2\,\mathrm{km}$ environ avant de produire du pétrole. Faute de mesure sur le kérogène, les géologues pétroliers ont considéré comme mature une roche mère enfouie sous plus de $3\,\mathrm{km}$ environ de roches plus jeunes.

À gauche : histoire de l’enfouissement du bassin de Merrow, un bassin inventé (modèle calculé, sans tenir compte de la compaction). Chaque courbe suit une couche au cours du temps, depuis le jour où elle s’est déposée en surface ; la courbe épaisse est la roche mère, déposée il y a 165 millions d’années. Avec une surface à 20 C et un gradient de 30 C par kilomètre, la fenêtre à huile est la bande comprise entre 1.3 et 3.3\, km. Les points marquent le moment où la roche mère y est entrée et celui où elle l’a quittée, pour la fenêtre à gaz. À droite : profondeur du sommet et de la base de la fenêtre à huile en fonction du gradient géothermique (surface à 20 C). — À gauche : histoire de l’enfouissement du bassin de Merrow, un bassin inventé (modèle calculé, sans tenir compte de la compaction). Chaque courbe suit une couche au cours du temps, depuis le jour où elle s’est déposée en surface ; la courbe épaisse est la roche mère, déposée il y a 165 millions d’années. Avec une surface à $20{}^{\circ}\mathrm{C}$ et un gradient de $30{}^{\circ}\mathrm{C}$ par kilomètre, la fenêtre à huile est la bande comprise entre $1.3$ et $3.3\,\mathrm{km}$ . Les points marquent le moment où la roche mère y est entrée et celui où elle l’a quittée, pour la fenêtre à gaz. À droite : profondeur du sommet et de la base de la fenêtre à huile en fonction du gradient géothermique (surface à $20{}^{\circ}\mathrm{C}$ ).

Un tel diagramme est un diagramme d’enfouissement : l’âge y va de gauche à droite jusqu’à aujourd’hui, la profondeur vers le bas. Il transforme une colonne de roches, datée couche par couche, en une histoire.

Méthode 18.5 (Lire un diagramme d’enfouissement)

Repérer la courbe de la roche mère : elle part de la surface le jour où la roche s’est déposée.
Tracer le sommet et la base de la fenêtre à huile, en profondeur, à partir du géotherme (Proposition 18.4).
Lire l’âge auquel la courbe de la roche mère croise le sommet de la fenêtre : la roche mère commence à produire du pétrole. Lire l’âge auquel elle croise la base : à partir de là, elle produit du gaz.
Comparer ces âges à celui du piège : seuls le pétrole et le gaz formés après l’apparition du piège peuvent y être retenus.

Dans le bassin de Merrow, la roche mère entre dans la fenêtre à huile il y a environ 117 millions d’années et en sort il y a environ 51 millions d’années ; son enfouissement maximal, $4.0\,\mathrm{km}$ à $140{}^{\circ}\mathrm{C}$ , date d’il y a 20 millions d’années, avant que le soulèvement et l’érosion la fassent remonter. Aujourd’hui, elle est toujours dans la fenêtre à gaz. Le problème du week-end calcule ces âges.

18.3 De la roche mère au piège

Le pétrole et le gaz sont plus légers que l’eau, et les pores des roches enfouies sont pleins d’eau. Une fois formés, ils sont chassés de la roche mère et remontent lentement à travers toute roche qui les laisse passer.

Définition 18.6 (Migration)

La migration est le lent déplacement du pétrole et du gaz hors de la roche mère où ils se sont formés, vers le haut à travers des roches perméables, sous l’effet de leur densité plus faible que celle de l’eau qui les entoure.

Définition 18.7 (Roche réservoir ; roche couverture)

Une roche réservoir est une roche poreuse et perméable dans laquelle le pétrole et le gaz s’accumulent : ses pores les stockent, et leurs connexions les laissent s’écouler vers un puits. Une roche couverture est une roche imperméable située au-dessus du réservoir, que le pétrole et le gaz ne peuvent pas traverser.

Les grès et certains calcaires font de bons réservoirs ; les pélites, les argilites et le sel font de bonnes couvertures. Là où rien ne les arrête, le pétrole et le gaz atteignent la surface, où ils suintent et sont oxydés : leur carbone retourne dans l’atmosphère. Ils ne s’accumulent que là où une couverture a une forme telle qu’ils ne peuvent pas la contourner.

Définition 18.8 (Piège)

Un piège est un agencement de roche réservoir et de roche couverture qui retient le pétrole et le gaz en place, en leur fermant la route vers le haut de tous les côtés.

Un système pétrolier (dessin sans échelle). La roche mère, profonde, à gauche, se trouve sous l’isotherme 60 C et produit du pétrole ; le pétrole et le gaz en sortent vers le grès situé au-dessus et remontent lentement le long de celui-ci, sous la couverture d’argilite, jusqu’à la voûte d’un anticlinal. Là, ils se rangent par densité : le gaz en haut, le pétrole au-dessous, l’eau en bas. Les roches de recouvrement, au-dessus, enfouissent la roche mère assez profondément pour la rendre mature. — Un système pétrolier (dessin sans échelle). La roche mère, profonde, à gauche, se trouve sous l’isotherme $60{}^{\circ}\mathrm{C}$ et produit du pétrole ; le pétrole et le gaz en sortent vers le grès situé au-dessus et remontent lentement le long de celui-ci, sous la couverture d’argilite, jusqu’à la voûte d’un anticlinal. Là, ils se rangent par densité : le gaz en haut, le pétrole au-dessous, l’eau en bas. Les roches de recouvrement, au-dessus, enfouissent la roche mère assez profondément pour la rendre mature.

Dans un piège, les fluides se rangent par densité : le gaz en haut, le pétrole au-dessous, l’eau tout en bas. Le piège le plus simple est un anticlinal, une voûte formée par les couches (les plis sont l’objet du Chapitre 20). Les failles, les dômes de sel et les variations des roches elles-mêmes forment aussi des pièges.

Quatre types de pièges (dessins sans échelle) : le grès réservoir en jaune, l’argilite couverture en gris-vert, le pétrole en vert, le gaz en rouge. (a) La voûte d’un anticlinal. (b) Un réservoir incliné coupé par une faille, contre une argilite de l’autre côté. (c) Des couches relevées contre un dôme de sel qui monte. (d) Un grès qui s’amincit vers le haut de la pente au sein d’une argilite : un piège dû à une variation des roches elles-mêmes.

Exemple 18.9 (Un piège dans un anticlinal)

Une campagne sismique cartographie le toit d’un grès scellé par une argilite. Il forme une voûte dont le sommet se trouve à $1800\,\mathrm{m}$ sous la surface. Autour du sommet, la courbe de niveau la plus profonde qui se referme encore tout autour se trouve à $2050\,\mathrm{m}$ ; au-dessous, le grès s’ouvre sur le côté. Un puits foré au sommet trouve du gaz jusqu’à $1880\,\mathrm{m}$ . Quelle hauteur de colonne de pétrole et de gaz le piège peut-il retenir, et quelle est l’épaisseur du pétrole ?

Solution. Le pétrole et le gaz remplissent la voûte depuis le sommet vers le bas ; ce qui descend sous la dernière courbe fermée s’échappe sur le côté, au point de fuite, et poursuit sa migration. La colonne mesure au plus $2050 - 1800 = 250\,\mathrm{m}$ de haut. Si le piège est plein, le gaz occupe les $1880 - 1800 = 80\,\mathrm{m}$ du haut et le pétrole les $2050 - 1880 = 170\,\mathrm{m}$ suivants, avec de l’eau au-dessous.

Chacune des pièces — une roche mère, un réservoir, une couverture, les roches situées au-dessus qui enfouissent la roche mère, un piège — est nécessaire, et elles doivent se mettre en place dans le bon ordre.

Définition 18.10 (Système pétrolier)

Un système pétrolier est un ensemble de roche mère mature avec tout le pétrole et tout le gaz qui en sont issus, ainsi que les éléments et les processus dont ils ont besoin : la roche mère, la roche réservoir, la couverture et les roches de recouvrement (les roches situées au-dessus, qui enfouissent la roche mère), ainsi que la formation des pièges, la génération, la migration et l’accumulation du pétrole et du gaz.

L’ordre est ce qui compte le plus. Un piège qui se forme après le passage du pétrole ne retient rien : le diagramme d’enfouissement date la génération du pétrole, l’histoire des plis et des failles date le piège, et le système pétrolier ne fonctionne que si le piège est venu en premier. Les géologues pétroliers appellent aussi moment critique l’époque qui montre le mieux la génération, la migration et l’accumulation réunies.

18.4 Où le pétrole et le gaz s’accumulent

Où un système pétrolier se met-il en place ? Il lui faut un bassin qui s’enfonce longtemps, des eaux pauvres en oxygène pour conserver la matière organique, et des couvertures. Les rifts et les marges continentales qu’ils deviennent réunissent les trois.

Quand un continent commence à se fendre, comme l’Afrique aujourd’hui le long du rift est-africain (livre 1, année 7), sa croûte s’étire et se casse en blocs le long de failles normales (Chapitre 14). Certains blocs s’effondrent, d’autres basculent, et les fossés qui les séparent se remplissent de sédiments, souvent sur plusieurs kilomètres d’épaisseur, et de lacs, dont les boues riches en matière organique peuvent devenir des roches mères. Quand l’étirement s’arrête, la croûte amincie refroidit et continue de s’enfoncer lentement, si bien que le bassin continue de se remplir. Si la mer envahit alors un bassin qui ne communique qu’en partie avec l’océan et s’évapore, elle laisse d’épaisses couches de sel. Une fois le rift ouvert en océan, ses bords deviennent des marges passives : des bordures de continent situées à l’intérieur d’une plaque, loin de toute limite de plaques, qui continuent de s’enfoncer et de recevoir des sédiments venus du continent.

Une marge passive construite sur un ancien rift (dessin sans échelle, profondeurs exagérées). Dans le rift, des blocs basculés de croûte continentale limités par des failles normales contiennent des argilites lacustres, les roches mères. Une couche de sel, déposée quand la jeune mer s’est évaporée, les scelle ; au-dessus, des sédiments marins s’accumulent à mesure que la marge s’enfonce. Le sel, plus léger que les sédiments qui l’entourent, monte en dômes qui relèvent les couches en pièges.

Les marges de l’Atlantique Sud se sont construites ainsi. L’Afrique et l’Amérique du Sud ont commencé à se séparer à la fin du Trias ou au début du Jurassique. Au large de l’Afrique centrale occidentale, les fossés du rift se sont remplis de plusieurs kilomètres de sédiments, parmi lesquels des argilites lacustres épaisses de jusqu’à $600\,\mathrm{m}$ , contenant jusqu’à $20\,\%$ de carbone organique en masse. Au Crétacé inférieur, la mer a commencé à envahir le bassin, encore et encore, et à s’évaporer, en laissant plus d’un kilomètre de sel ; là où le sel est resté en place, il scelle le pétrole et le gaz des roches situées au-dessous. Dans le golfe du Mexique, du sel plus léger que les sédiments qui l’entourent est monté en dômes, et les couches relevées contre eux forment des pièges.

18.5 Le charbon

Le charbon se forme sur les continents, surtout dans des marais au bord des rivières et des deltas, sous des climats humides, de tropicaux à tempérés, là où les plantes poussent vite et où leurs restes tombent dans une eau stagnante pauvre en oxygène. En quelques siècles ou quelques millénaires, ils s’accumulent en tourbe. Quand une rivière change de cours, ou que la mer monte, du sable et de la boue enfouissent la tourbe ; enfouie plus profondément, elle est comprimée et chauffée.

Définition 18.11 (Charbon ; houillification ; rang)

Le charbon est une roche sédimentaire formée surtout de restes de plantes terrestres, riche en carbone. La houillification est la transformation de la tourbe en charbon, et d’un charbon en un charbon plus riche, par enfouissement et chauffage. Le rang d’un charbon mesure l’avancement de la houillification : du lignite à l’anthracite, en passant par les charbons subbitumineux et bitumineux, la teneur en carbone augmente.

Le lignite se forme à des profondeurs allant de quelques centaines de mètres à environ $1.5\,\mathrm{km}$ , jusqu’à environ $50{}^{\circ}\mathrm{C}$ ; le charbon bitumineux entre 1 et $5\,\mathrm{km}$ , jusqu’à environ $150{}^{\circ}\mathrm{C}$ ; l’anthracite au-delà de $5\,\mathrm{km}$ et de $150{}^{\circ}\mathrm{C}$ . À mesure que le rang augmente, le carbone forme une part de plus en plus grande du charbon : environ 25 à $35\,\%$ dans le lignite, jusqu’à 86 à $97\,\%$ dans l’anthracite. Le méthane formé en chemin reste dans les pores du charbon, ce qui explique qu’une mine de charbon puisse contenir un gaz explosif. Former une veine de charbon demande des millions d’années.

En haut à gauche : teneur en carbone des différents rangs de charbon. Données : U.S. Energy Information Administration. En haut à droite : une couche de lignite, la bande noire sous des sables pâles, mise à nu dans une mine de Roumanie ; photographie U.S. Geological Survey (domaine public). En bas, de gauche à droite : un lignite, d’environ 4.5\, cm de large, brun-noir et terne ; un charbon bitumineux, avec des fragments de plantes aplatis ; un anthracite, noir et vitreux. Photographies James St. John (CC BY 2.0). — En haut à gauche : teneur en carbone des différents rangs de charbon. Données : U.S. Energy Information Administration. En haut à droite : une couche de lignite, la bande noire sous des sables pâles, mise à nu dans une mine de Roumanie ; photographie U.S. Geological Survey (domaine public). En bas, de gauche à droite : un lignite, d’environ $4.5\,\mathrm{cm}$ de large, brun-noir et terne ; un charbon bitumineux, avec des fragments de plantes aplatis ; un anthracite, noir et vitreux. Photographies James St. John (CC BY 2.0).

La tourbe perd l’essentiel de son volume en chemin. Dans une couche de charbon du centre de l’Utah, la comparaison de la tourbe entaillée par un ancien chenal de rivière avec le charbon qui manque à côté donne un rapport des épaisseurs d’environ $11{:}1$ : chaque mètre de ce charbon bitumineux a été autrefois quelque onze mètres de tourbe.

18.6 Exercices

Exercice 18.1 ★

Remettre dans l’ordre les étapes qui mènent du plancton au pétrole dans un piège : la migration ; la maturation dans la fenêtre à huile ; l’enfouissement sous des sédiments plus jeunes ; le plancton mort se dépose sur un fond marin pauvre en oxygène ; le pétrole s’accumule sous une couverture ; la matière organique devient du kérogène dans une boue.

Solution

Solution de Exercice 18.1.

Le plancton mort se dépose sur un fond marin pauvre en oxygène ; la matière organique devient du kérogène dans une boue ; l’enfouissement sous des sédiments plus jeunes ; la maturation dans la fenêtre à huile ; la migration ; le pétrole s’accumule sous une couverture.

Exercice 18.2 ★

Pour chaque roche, dire s’il s’agit plus probablement d’une roche mère, d’une roche réservoir ou d’une couverture : (1) une argilite sombre riche en matière organique ; (2) un grès bien trié aux pores connectés ; (3) une couche de sel ; (4) une pélite sans matière organique ; (5) un calcaire plein de cavités ouvertes.

Solution

Solution de Exercice 18.2.

(1) Roche mère. (2) Roche réservoir. (3) Couverture. (4) Couverture. (5) Roche réservoir.

Exercice 18.3 ★

Dans un bassin, la surface est à $10{}^{\circ}\mathrm{C}$ et le gradient géothermique vaut $25{}^{\circ}\mathrm{C}/\mathrm{km}$ . Entre quelles profondeurs se trouve la fenêtre à huile ? Quelle est son épaisseur ?

Solution

Solution de Exercice 18.3.

Sommet : $(60 - 10)/25 = 2.0\,\mathrm{km}$ ; base : $(120 - 10)/25 = 4.4\,\mathrm{km}$ . La fenêtre est épaisse de $60/25 = 2.4\,\mathrm{km}$ .

Exercice 18.4 ★

(1) Ranger le lignite, l’anthracite, le charbon bitumineux et la tourbe par rang croissant. (2) Lequel a la plus forte teneur en carbone ? (3) Lequel s’est formé à la plus grande profondeur et à la plus haute température ?

Solution

Solution de Exercice 18.4.

(1) Tourbe, lignite, charbon bitumineux, anthracite. (2) L’anthracite, de 86 à $97\,\%$ de carbone. (3) L’anthracite, au-delà d’environ $5\,\mathrm{km}$ et $150{}^{\circ}\mathrm{C}$ .

Exercice 18.5 ★

(1) Dans un piège, pourquoi le gaz se trouve-t-il au-dessus du pétrole, et le pétrole au-dessus de l’eau ? (2) Pourquoi la roche située au-dessus d’un réservoir doit-elle être imperméable ? Nommer deux roches qui font de bonnes couvertures.

Solution

Solution de Exercice 18.5.

(1) Les fluides se rangent par densité : le gaz est le plus léger, puis le pétrole, puis l’eau. (2) Le pétrole et le gaz montent parce qu’ils sont plus légers que l’eau ; seule une roche qu’ils ne peuvent pas traverser les arrête. La pélite (ou l’argilite) et le sel.

Exercice 18.6 ★★

Deux bassins ont la même température de surface, $15{}^{\circ}\mathrm{C}$ . Le bassin A a un gradient de $20{}^{\circ}\mathrm{C}/\mathrm{km}$ , le bassin B de $40{}^{\circ}\mathrm{C}/\mathrm{km}$ . (1) Calculer les profondeurs du sommet et de la base de la fenêtre à huile dans chacun. (2) Une roche mère se trouve à $2\,\mathrm{km}$ de profondeur dans les deux bassins. Que produit-elle dans chacun ? (3) Dans quel bassin un puits doit-il aller plus profond pour trouver du pétrole formé sur place ?

Solution

Solution de Exercice 18.6.

(1) A : $(60 - 15)/20 = 2.25\,\mathrm{km}$ et $(120 - 15)/20 = 5.25\,\mathrm{km}$ . B : $45/40 \approx 1.13\,\mathrm{km}$ et $105/40 \approx 2.63\,\mathrm{km}$ . (2) À $2\,\mathrm{km}$ : dans A, $15 + 40 = 55{}^{\circ}\mathrm{C}$ , la roche n’est pas encore mature et ne produit pas de pétrole ; dans B, $15 + 80 = 95{}^{\circ}\mathrm{C}$ , dans la fenêtre à huile, elle produit du pétrole. (3) Dans le bassin A : le pétrole ne s’y forme qu’au-dessous de $2.25\,\mathrm{km}$ .

Exercice 18.7 ★★

Prendre le rapport de $11{:}1$ mesuré dans le centre de l’Utah entre l’épaisseur d’une tourbe et celle du charbon qu’elle est devenue. (1) Quelle épaisseur de tourbe a donné une veine de charbon épaisse de $3\,\mathrm{m}$ ? (2) Supposer que la tourbe s’accumulait à raison de $1\,\mathrm{mm}$ par an. Combien de temps a-t-elle mis à s’accumuler ? (3) Pourquoi le marais devait-il s’enfoncer pendant tout ce temps ?

Solution

Solution de Exercice 18.7.

(1) $11 \times 3 = 33\,\mathrm{m}$ de tourbe. (2) $33\,000\,\mathrm{mm}$ à raison de $1\,\mathrm{mm}$ par an : environ $33\,000$ ans. (3) La tourbe ne se conserve que sous une eau stagnante, hors d’atteinte de l’oxygène ; à mesure qu’elle s’accumule, le sol doit s’enfoncer au même rythme pour que sa surface reste gorgée d’eau.

Exercice 18.8 ★★

Utiliser le diagramme d’enfouissement du bassin de Merrow (surface à $20{}^{\circ}\mathrm{C}$ , gradient de $30{}^{\circ}\mathrm{C}/\mathrm{km}$ ). La roche mère était à $1.2\,\mathrm{km}$ de profondeur il y a 120 millions d’années, à $2.3\,\mathrm{km}$ il y a 95 millions d’années et à $4.0\,\mathrm{km}$ il y a 20 millions d’années. (1) Calculer sa température à chaque date. (2) À chaque date, était-elle immature, dans la fenêtre à huile ou dans la fenêtre à gaz ?

Solution

Solution de Exercice 18.8.

(1) $20 + 30 \times 1.2 = 56{}^{\circ}\mathrm{C}$ ; $20 + 30 \times 2.3 = 89{}^{\circ}\mathrm{C}$ ; $20 + 30 \times 4.0 = 140{}^{\circ}\mathrm{C}$ . (2) Il y a 120 millions d’années, immature ; il y a 95 millions d’années, dans la fenêtre à huile ; il y a 20 millions d’années, dans la fenêtre à gaz.

Exercice 18.9 ★★

Le toit d’un grès réservoir forme une voûte dont le sommet se trouve à $2400\,\mathrm{m}$ de profondeur ; sa courbe fermée la plus profonde est à $2580\,\mathrm{m}$ . Un puits foré au sommet trouve du gaz jusqu’à $2450\,\mathrm{m}$ , puis du pétrole. (1) Quelle est la plus grande hauteur de colonne que le piège peut retenir ? (2) Si le piège est plein, quelle est l’épaisseur du pétrole ? (3) Le pétrole et le gaz qui continuent d’arriver une fois le piège plein : où vont-ils ?

Solution

Solution de Exercice 18.9.

(1) $2580 - 2400 = 180\,\mathrm{m}$ . (2) Le gaz occupe $2450 - 2400 = 50\,\mathrm{m}$ , le pétrole $2580 - 2450 = 130\,\mathrm{m}$ . (3) Ils s’échappent au point de fuite, sous la courbe fermée la plus profonde, et poursuivent leur migration vers le haut, jusqu’à un autre piège ou jusqu’à la surface.

Exercice 18.10 ★★

Faute de mesure sur le kérogène, les géologues pétroliers ont considéré comme mature une roche mère enfouie sous plus de $3\,\mathrm{km}$ de roches. Avec une surface à $20{}^{\circ}\mathrm{C}$ : (1) Quel gradient place $3\,\mathrm{km}$ au sommet de la fenêtre à huile ? à sa base ? (2) Avec les gradients de 25 à $34{}^{\circ}\mathrm{C}/\mathrm{km}$ mesurés dans les forages, où tombe la profondeur de $3\,\mathrm{km}$ ? La règle est-elle raisonnable ?

Solution

Solution de Exercice 18.10.

(1) Sommet de la fenêtre à $3\,\mathrm{km}$ : $(60 - 20)/3 \approx 13{}^{\circ}\mathrm{C}/\mathrm{km}$ ; base : $(120 - 20)/3 \approx 33{}^{\circ}\mathrm{C}/\mathrm{km}$ . (2) À $3\,\mathrm{km}$ , la température va de $20 + 75 = 95{}^{\circ}\mathrm{C}$ à $20 + 102 = 122{}^{\circ}\mathrm{C}$ : dans la fenêtre à huile, ou à sa base pour les gradients les plus forts. La règle est raisonnable : dans la plupart des bassins, une roche mère enfouie sous $3\,\mathrm{km}$ de roches a commencé à produire du pétrole.

Exercice 18.11 ★★

Trois échantillons de charbon contiennent $30\,\%$ , $70\,\%$ et $92\,\%$ de carbone. (1) Donner le rang de chacun. (2) À l’aide des profondeurs et des températures données dans le cours, lequel a été enfoui le plus profondément ? (3) Le lignite a un aspect terne, brun-noir ; quel aspect a l’anthracite ?

Solution

Solution de Exercice 18.11.

(1) $30\,\%$ : lignite ; $70\,\%$ : charbon bitumineux ; $92\,\%$ : anthracite. (2) L’anthracite, au-delà d’environ $5\,\mathrm{km}$ et $150{}^{\circ}\mathrm{C}$ . (3) Noir et vitreux.

Exercice 18.12 ★★★

Entre 120 et 95 millions d’années, $1100\,\mathrm{m}$ de boue se sont accumulés dans le bassin de Merrow. (1) Calculer la vitesse d’enfouissement en mètres par million d’années. (2) Avec un gradient de $30{}^{\circ}\mathrm{C}/\mathrm{km}$ , de combien de degrés la roche mère s’est-elle réchauffée par million d’années ? (3) Si ce rythme s’était maintenu, combien de temps la roche mère aurait-elle mis à traverser toute la fenêtre à huile ? (4) Le modèle donne environ 66 millions d’années. Pourquoi plus longtemps ?

Solution

Solution de Exercice 18.12.

(1) $1100/25 = 44\,\mathrm{m}$ par million d’années. (2) $0.044 \times 30 \approx 1.3{}^{\circ}\mathrm{C}$ par million d’années. (3) La fenêtre s’étend sur $60{}^{\circ}\mathrm{C}$ : $60/1.32 \approx 45$ millions d’années. (4) L’enfouissement a ralenti après 95 millions d’années (environ 24, puis 23 et $20\,\mathrm{m}$ par million d’années) : la roche mère s’est réchauffée plus lentement.

Exercice 18.13 ★★★

Dans le bassin de Merrow, la roche mère a été dans la fenêtre à huile d’il y a environ 117 à il y a environ 51 millions d’années, et l’anticlinal qui piège le pétrole s’est formé il y a 80 millions d’années. (1) Supposer que la roche mère a produit du pétrole à un rythme constant tant qu’elle était dans la fenêtre. Quelle fraction de son pétrole s’est formée après l’apparition du piège ? (2) Qu’est devenu le reste ? (3) Si l’anticlinal s’était formé il y a 40 millions d’années, que pourrait-il retenir ?

Solution

Solution de Exercice 18.13.

(1) $(80 - 51)/(117 - 51) = 29/66 \approx 0.44$ : environ $44\,\%$ . (2) Il a migré vers le haut avant qu’aucun piège n’existe au-dessus : il s’est échappé vers la surface, où il a été oxydé, ou s’est accumulé dans un autre piège. (3) Il y a 40 millions d’années, la roche mère avait quitté la fenêtre à huile : elle ne produisait plus que du gaz, et l’anticlinal n’aurait pu en retenir que du gaz.

Exercice 18.14 ★★★

Reprendre l’histoire de l’enfouissement du bassin de Merrow (Exercice 18.8 : $0.4\,\mathrm{km}$ il y a 150 millions d’années, $1.2\,\mathrm{km}$ il y a 120, $2.3\,\mathrm{km}$ il y a 95, $3.0\,\mathrm{km}$ il y a 66, la profondeur augmentant régulièrement entre ces dates), mais dans un bassin plus chaud : gradient de $40{}^{\circ}\mathrm{C}/\mathrm{km}$ , surface à $20{}^{\circ}\mathrm{C}$ . (1) Calculer les profondeurs du sommet et de la base de la fenêtre à huile. (2) Calculer les âges auxquels la roche mère est entrée dans la fenêtre et en est sortie. (3) L’anticlinal se forme toujours il y a 80 millions d’années. Retiendrait-il du pétrole ? Du gaz ?

Solution

Solution de Exercice 18.14.

(1) Sommet : $(60 - 20)/40 = 1.0\,\mathrm{km}$ ; base : $(120 - 20)/40 = 2.5\,\mathrm{km}$ . (2) $1.0\,\mathrm{km}$ se situe entre $0.4\,\mathrm{km}$ (il y a 150 millions d’années) et $1.2\,\mathrm{km}$ (120) : $150 - 30 \times 0.6/0.8 = 127.5$ millions d’années. $2.5\,\mathrm{km}$ se situe entre $2.3\,\mathrm{km}$ (95) et $3.0\,\mathrm{km}$ (66) : $95 - 29 \times 0.2/0.7 \approx 86.7$ millions d’années. (3) Pas de pétrole : la roche mère a quitté la fenêtre à huile avant la formation de l’anticlinal, et son pétrole avait migré ailleurs. Il pourrait retenir le gaz produit après 80 millions d’années.

Exercice 18.15 ★★★

Une veine d’anthracite du Carbonifère affleure aujourd’hui en surface. Le Carbonifère s’est terminé il y a environ 299 millions d’années. (1) À l’aide des profondeurs données dans le cours, à quelle profondeur minimale la veine a-t-elle été enfouie ? (2) Avec une surface à $15{}^{\circ}\mathrm{C}$ et un gradient de $30{}^{\circ}\mathrm{C}/\mathrm{km}$ , quelle température a-t-elle atteinte à cette profondeur ? Est-ce cohérent avec la température donnée pour l’anthracite ? (3) Qu’est-il arrivé aux roches qui la recouvraient ? Donner un minorant de la vitesse moyenne, en millimètres par an, en supposant que tout s’est produit après le Carbonifère.

Solution

Solution de Exercice 18.15.

(1) Au moins $5\,\mathrm{km}$ . (2) $15 + 30 \times 5 = 165{}^{\circ}\mathrm{C}$ , au-dessus de $150{}^{\circ}\mathrm{C}$ : c’est cohérent. (3) Au moins $5\,\mathrm{km}$ de roches ont été soulevés et érodés. $5 \times 10^{6}\,\mathrm{mm}$ en au plus $299$ millions d’années donnent au moins $5 \times 10^6/2.99 \times 10^8 \approx 0.017\,\mathrm{mm}$ par an en moyenne.

18.7 Problème : quand la roche mère a-t-elle produit son pétrole ?

Problème 18.1

Problème du week-end — dater le pétrole d’un bassin inventé

Un puits foré à travers le sommet d’un anticlinal du bassin de Merrow, un bassin inventé, traverse les couches sous-jacentes. Datées par leurs fossiles, elles enregistrent la façon dont le bassin s’est rempli. De la plus ancienne à la plus récente :

intervalle (Ma)	épaisseur	roches
165 à 150	$400\,\mathrm{m}$	argilite noire riche en matière organique, puis pélite
150 à 120	$800\,\mathrm{m}$	grès poreux
120 à 95	$1100\,\mathrm{m}$	pélite
95 à 66	$700\,\mathrm{m}$	craie
66 à 35	$700\,\mathrm{m}$	sables et argiles
35 à 20	$300\,\mathrm{m}$	sables
20 à aujourd’hui	$-500\,\mathrm{m}$	soulèvement : les $500\,\mathrm{m}$ du haut érodés

La surface est à $20{}^{\circ}\mathrm{C}$ et le gradient géothermique vaut $30{}^{\circ}\mathrm{C}/\mathrm{km}$ , tous deux supposés constants. Les couches gardent leur épaisseur une fois déposées (on néglige la compaction). L’anticlinal s’est formé il y a 80 millions d’années. Suivre l’argilite noire de la base, déposée il y a 165 millions d’années.

Partie I — Les roches.

Quelle couche est la roche mère, laquelle le réservoir, laquelle la couverture ?
Qu’est-ce qui a rendu l’argilite noire riche en matière organique ?
Le Jurassique a duré d’il y a environ $201.4$ à il y a environ $143.1$ millions d’années. Au cours de quelle période la roche mère s’est-elle déposée ? Et le grès ?
Qu’est-ce que le kérogène ? Pourquoi l’argilite noire ne produit-elle pas de pétrole en surface ?
Quelle épaisseur de roches recouvre aujourd’hui la roche mère ?

Partie II — L’enfouissement au cours du temps.

Calculer la profondeur de la roche mère il y a 150, 120, 95, 66, 35 et 20 millions d’années, puis aujourd’hui.
Calculer la vitesse d’enfouissement, en mètres par million d’années, pendant chacun des six premiers intervalles.
Quand la roche mère a-t-elle été la plus profonde, et à quelle profondeur ?
Pourquoi sa profondeur a-t-elle diminué au cours des 20 derniers millions d’années ?
À quelle profondeur se trouve aujourd’hui la base du grès ?

Partie III — La température au cours du temps.

Calculer la température de la roche mère à chacune des dates de la question 6.
Entre quelles profondeurs se trouve la fenêtre à huile dans ce bassin ?
Entre quelles dates de la question 6 la roche mère a-t-elle dépassé $60{}^{\circ}\mathrm{C}$ ?
En supposant que sa profondeur a augmenté régulièrement dans cet intervalle, calculer l’âge auquel elle a atteint $60{}^{\circ}\mathrm{C}$ .
De la même manière, calculer quand elle a atteint $120{}^{\circ}\mathrm{C}$ .

Partie IV — Dans la fenêtre, et le piège.

Quelle est la température la plus élevée qu’elle a atteinte ? Que produit-elle aujourd’hui ?
Qu’est devenu le pétrole formé avant l’existence de l’anticlinal ?
En supposant que le pétrole s’est formé à un rythme constant tant que la roche mère était dans la fenêtre, quelle fraction s’en est formée après l’apparition de l’anticlinal ?
Quels fluides le puits doit-il s’attendre à trouver au sommet de l’anticlinal, et dans quel ordre à partir du haut ?
Conclure : quand la roche mère est-elle entrée dans la fenêtre à huile ?

Solution

Solution de Problème 18.1.

1. La roche mère : l’argilite noire ; le réservoir : le grès poreux ; la couverture : la pélite qui le surmonte.

2. Le plancton déposé sur un fond marin pauvre en oxygène a échappé à la décomposition et a été enfoui dans la boue.

3. La roche mère au Jurassique (165 se situe entre 201.4 et 143.1). Le grès a commencé à se déposer au Jurassique, mais essentiellement au Crétacé inférieur.

4. La matière organique dispersée dans une roche sédimentaire, insoluble dans les solvants organiques. Elle ne produit du pétrole qu’une fois chauffée vers $60{}^{\circ}\mathrm{C}$ , ce qui demande un enfouissement.

5. $400 + 800 + 1100 + 700 + 700 + 300 - 500 = 3500\,\mathrm{m}$ .

6. $0.4\,\mathrm{km}$ , $1.2\,\mathrm{km}$ , $2.3\,\mathrm{km}$ , $3.0\,\mathrm{km}$ , $3.7\,\mathrm{km}$ , $4.0\,\mathrm{km}$ ; aujourd’hui $3.5\,\mathrm{km}$ .

7. $400/15 \approx 26.7$ ; $800/30 \approx 26.7$ ; $1100/25 = 44$ ; $700/29 \approx 24.1$ ; $700/31 \approx 22.6$ ; $300/15 = 20$ ( $\mathrm{m}$ par million d’années).

8. Il y a 20 millions d’années, à $4.0\,\mathrm{km}$ .

9. Le bassin a été soulevé et $500\,\mathrm{m}$ de roches ont été érodés à son sommet.

10. La base du grès s’est déposée il y a 150 millions d’années, sur $400\,\mathrm{m}$ d’argilite et de pélite : $3.5 - 0.4 = 3.1\,\mathrm{km}$ .

11. $T = 20 + 30 z$ : $32{}^{\circ}\mathrm{C}$ , $56$ , $89$ , $110$ , $131$ , $140{}^{\circ}\mathrm{C}$ ; aujourd’hui $125{}^{\circ}\mathrm{C}$ .

12. $40/30 \approx 1.33\,\mathrm{km}$ et $100/30 \approx 3.33\,\mathrm{km}$ .

13. Entre il y a 120 millions d’années ( $56{}^{\circ}\mathrm{C}$ ) et il y a 95 millions d’années ( $89{}^{\circ}\mathrm{C}$ ).

14. La température a augmenté de 33 degrés en 25 millions d’années ; il lui a fallu $25 \times 4/33 \approx 3.0$ millions d’années pour gagner les 4 degrés de $56$ à $60{}^{\circ}\mathrm{C}$ : il y a environ $120 - 3.0 = 117$ millions d’années.

15. Entre il y a 66 millions d’années ( $110{}^{\circ}\mathrm{C}$ ) et il y a 35 ( $131{}^{\circ}\mathrm{C}$ ) : il y a $66 - 31 \times 10/21 \approx 51.2$ millions d’années.

16. $140{}^{\circ}\mathrm{C}$ , il y a 20 millions d’années. À $125{}^{\circ}\mathrm{C}$ aujourd’hui, elle est dans la fenêtre à gaz : elle produit surtout du méthane.

17. Sans piège au-dessus, il a migré vers le haut et s’est échappé, vers la surface ou vers d’autres pièges.

18. $(80 - 51.2)/(117.0 - 51.2) \approx 0.44$ .

19. Du gaz en haut, puis du pétrole, puis de l’eau.

20. La roche mère est entrée dans la fenêtre à huile il y a environ 117 millions d’années.

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