Géologie des hydrocarbures

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1 Université Mohamed Premier Faculté des Sciences Département des Sciences de la Terre Filière STU - S6 MC STU_S6 MC Géologie des hydrocarbures Notion de système pétrolier Dr Mohammed Et-Touhami stu_s6@yahoo.com

2 Energie solaire Surface de l eau Photique (moins dense) Phytoplancton (algues) fixe le carbone par photosynthèse Bactéries, zooplancton et animaux consomment la MO Grande partie (90%) de la MO et des substances nutritives est recyclée Aphotique (dense) Près de 10% de MO Arrive au fond de l océan (ou lac) = Production exportée Diagénèse microbienne Matériel fécal (pelotes fécales) La matière organique est un précurseur majeur du pétrole Dr Et-Touhami - Cours STU S6

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4 Le phytoplancton constitue l essentiel de la biomasse en milieu marin. Ces organismes de la zone photique sont consommés par le zooplancton et par tout le reste de la chaîne alimentaire (- > baleine). Ces organismes produisent des pelotes fécales (partie de la MO phytoplanctonique non consommée) qui coulent dans la colonne d eau. = sédimentation de la MO marine. La dégradation (ou reminéralisation) de la MO intervient déjà dans la zone photique et au cours de la chute dans la colonne d eau. La dégradation de la MO se poursuit à l interface eau/sédiments sous l action des bactéries et des organismes benthiques. Cette dégradation continue dans les eaux interstitielles tant qu il reste de l oxygène dissout et de la MO (bactéries aérobies) Les conditions et la durée de cette dégradation dépendent de +ieurs facteurs: - quantité de la MO; - taux de sédimentation; - granulométrie du sédiment; - intensité de la bioturbation, etc. Production de carbone organique (pelotes fécales contenant de la MO) depuis la zone de production jusqu à l enfouissement dans les sédiments (d après Einsele, 1992)

5 Zonation de la diagenèse Durant la diagenèse, la composition de la MO change et son potentiel à produire du pétrole est en partie déterminé. La décomposition microbienne de la MO est due à l activité de bactéries, de champignons, de protozoaires, et d autres microbes. respiration de l oxygène Zone aérobie: Zone oxique réduction des nitrates réduction des sulfates fermentation Pas de biodégradation Zone strictement anaérobie: Zone anoxique Dr Et-Touhami - Cours STU S6

6 zone oxique Dans la zone oxique, directement sous l interface eau/ sédiment, la réaction principale est l oxydation de la MO (induite par les microbes): CH 2 O + O 2 = CO 2 + H 2 O L oxygène peut pénétrer jusqu à une profondeur de 20 cm dans les sables perméables, mais la circulation et la diffusion dans les sédiments fins sont lentes, limitant les possibilités de renouvellement de l oxygène. La décomposition aérobique est donc plus effective dans les sédiments grossiers que dans les sédiments fins. La profondeur de la zone oxique peut être de < 1cm à plusieurs m. Dr Et-Touhami - Cours STU S6

7 zone anoxique Dans la zone anoxique, les microbes anaérobiques utilisent des enzymes pour décomposer des protéines, carbohydrates et lipides en simples molécules le plus souvent par fermentation et réduction. Trois zones sont typiquement présentes: Réduction des nitrates Réduction des sulfates Méthanogenesis (fermentation) Dr Et-Touhami - Cours STU S6

8 Réduction des nitrates Après l épuisement de l oxygène, les nitrates (NO 3- ) sont utilisés comme source d énergie: 6CH 2 O + 4NO 3 - = 6CO 2 + 6H 2 O + 2N 2 Ou 5CH 2 O + 4NO 3 - = 2N 2 + 4HCO 3 - (ion bicarbonate) + CO 2 + 3H 2 O CH 4 + N 2 + 2H 2 O ---- > NH 3 (ammoniac) + H 2 + CO 2 Dr Et-Touhami - Cours STU S6

9 Réduction des sulfates 2CH 2 O + SO 4 2- (sulphates) = H 2 S (sulfure d hydrogène) + 2HCO 3 - (ion bicarbonate) SO 4 2- = S (soufre) + 2O 2 (principalement par la bactérie Desulfovibrio) Si le fer est disponible dans le sédiment, H 2 S peut se combiner avec le fer pour former la pyrite (FeS 2 ). Ce processus explique pourquoi la pyrite est tellement commune dans les argilites noires riche en MO. Si le fer n est pas disponible, le H 2 S peut migrer dans la zone oxique (pour devenir SO 4 2- ) ou peut se combiner avec des molécules organiques. Ceci peut résulter dans un pétrole brute riche en S. Dr Et-Touhami - Cours STU S6

10 Méthanogenesis (fermentation) Les méthanogènes produisent CH 4 (méthane) à partir du résidu des zones sus-jacentes: Exemples: - CH 3 COOH (cellulose) = CH 4 + CO 2 (fermentation de l acétate ) - CO 2 + 8H + = CH 4 + 2H 2 O (réduction de CO 2 ) Ces processus donnent naissance au gaz des marécages (CH 4 ), et aussi au CO 2, H 2, H 2 S, NH 3 et P 2 O 5. Le gaz biogénique peut former des accumulations commerciales (ex. Siberia ouest) ou être un risque (feu, explosion) durant des forages peu profonds. Dr Et-Touhami - Cours STU S6

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12 Seuil d anoxie : qlq dcm dans les sables - qlq cm (mmm) dans les argiles. Bactéries aérobies (et réaction chimiques abiotiques) consomment tout l oxygène (sous forme dissout). Remplacement par d autres communautés bactériennes qui vont oxyder d autres éléments comme les nitrates, les sulfates et oxydes et hydroxydes de fer et de Mn. En profondeur, les bactéries fermentatrices ou méthanogènes prendront le dernier relai dans la dégradation de la MO et produiront CH 4 et/ou CO 2. Chémocline ou front redox correspond à la transition entre les niveaux présentant des conditions oxydantes et ceux présentant des conditions réductrices où se développe la sulfato-réduction.

13 Conclusions Zone aérobie Zone strictement anaérobie Pas de biodégradation La décomposition anaérobique de la MO est beaucoup moins efficace que la décomposition aérobique (oxique). Elle produit un résidu plus réduit riche en lipides (riche en H). Les réaction précoces microbiennes: - enlèvent beaucoup de N, S, O et P - Conduit à une concentration précoce de C et H dans le résidu L activité microbienne est la plus intense dans les environnements du plateau continental et décroît avec l augmentation de la profondeur. Elle est plus faible dans les fonds océaniques profonds et en dessous des eaux stratifiées (anoxiques). Dr Et-Touhami - Cours STU S6

14 Interface eau/air dégradation bactérienne aérobie dégradation physico-chimique extension vers zone photique de l anaérobiose Interface eau/sédiment Dégradation bactérienne anaérobie (NO 3-, FeO 3, MnO 4-, SO 4 2- ) Méthanogenèse (fermentation) extension de subsurface à la profondeur de l anaérobiose enrichissement possible du sédiement en MO Conbustibles fossiles

15 ROCHE MERE - environnement de dépôt La roche mère se dépose dans des environnements de dépôt caractérisés par: - une productivité biologique élevée; - et une bonne préservation. Le sédiment originel qui va évoluer en roche mère est habituellement de la boue noire. Dr Et-Touhami - Cours STU S6

16 Productivité biologique élevée Illumination adéquate (pour la photosynthèse); disponibilité de la nourriture (N et P). En général, l illumination n est pas un facteur limitant en surface, sauf dans les hautes latitudes en hivers. La distribution de la nourriture est très hétérogène dans les eaux marines. Les régions côtières sont les plus riches: (1) arrivages continentaux et (2) zones de courants de type «upwelling». Dans de telles zones, les nutriments stimulent la croissance du phytoplancton qui à son tour maintient une abondance du zooplancton, des poissons, etc. Ainsi, des quantités de MO importantes peuvent atteindre le fond. Dr Et-Touhami - Cours STU S6

17 Bonne préservation Comment la MO échappe-t-elle à une reminéralisation intense? Sur le fond de l océan (ou du lac) bien oxygéné, la MO sera (1) décomposée par les microorganismes (principalement des bactéries) et (2) consommée par les organismes fouisseurs (bioturbateurs) qui en remuant les sédiments l exposent à l oxygène contenu dans les eaux du fond. Si par contre l eau est stagnante, avec peu (dysaérobique ou suboxique) ou pas (anaérobique) d oxygène, une plus grande quantité de MO sera préservée. On distingue ainsi: Des eaux oxiques # des eaux anoxiques Dr Et-Touhami - Cours STU S6

18 Dans les eaux oxiques (oxygénées) La plupart de la MO est consommée (transformée en CO 2 et H 2 O). La plupart de la MO qui atteint le substrat est donc détruite par les organismes benthiques (microorganismes compris). La préservation de la MO est une fonction du taux de sédimentation: avec un enfouissement rapide, une plus grande quantité de MO sera épargnée par la biodégradation. La MO qui sera épargnée est généralement pauvre en H donc propice à la formation de GAZ. Dr Et-Touhami - Cours STU S6

19 Dans les eaux anoxiques OXIQUE ANOXIQUE Si la colonne d eau est stratifiée, les eaux du fond s appauvrissent en oxygène. La MO qui se dépose dans des eaux anoxiques peut être décomposée uniquement par des microorganismes anérobiques Les µorg anérobiques sont moins efficaces que les µorg aérobiques Plus de MO est préservé en raison de l absence d activité biogénique Une MO riche en H et en lipides et donc propice à la formation d huile La MO s accumule sous forme de boue (vase) noire et d argilite laminées Dr Et-Touhami - Cours STU S6

20 Stratification des eaux La stratification des eaux peut résulter de plusieurs processus: Différence de température Les eaux de surface sont généralement plus chaudes et moins denses que les eaux du fond plus froides. Les eaux tropicales sont généralement stratifiées en permanance. Différence de salinité L eau peut développer aussi une stratification chimique (meromixis), quand des eaux moins salines reposent sur des eaux salines plus denses. Ceci peut se produire quand des venues d eaux douces «flottent» au dessus d eaux salines, mais ne se mélangent pas à moins qu elles s évaporent et atteignent la même salinité et densité. Si la différence de salinité et de densité est grande, cette condition peut être stable sur de très longues périodes (> ans).

21 Stratification des eaux Activité biologique Le développement d eaux de fond anoxiques résulte le plus souvent de processus biologiques dans la colonne d eau et dans les sédiments. Ces réactions sont rapides quand elles sont opérées par des microorganismes. Ce processus peut se produire dans la colonne d eau et sur le fond. A mesure que la MO coule l oxygène est consommé. Si la circulation d eau est faible, résultant dans la stratification de densité de la colonne d eau, l oxygène peut eventuellement arriver à épuisement ==> anoxicité.

22 Activité biologique (exemple) Plate forme continentale Activité biologique intense Oxique (TOC: <3%) Anoxique (TOC: 3-10%) Zone d oxygène minimum oxique O 2 profond

23 Durant les périodes de haut niveau marin eustatique, la zone d épuisement d oxygène peut se déplacer dans des mers peut profondes couvrant les continents (ex. mers épicontinentales). Une zone d épuisement d oxygène induite par l activité biologique et donc anoxique est commune dans les eaux océaniques à des profondeurs de quelques 100 m. Là où cette zone rencontre les continents, les sédiments déposés sur le fond sont surmontés par des eaux anoxiques offrant une grande possibilité pour la préservation de la MO. Ceci peut résulter dans le dépôt de roches-mères favorables. Une grande partie des meilleurs roches-mères du monde se sont dépôsées au cours des transgressions marines.

24 Différence de salinité (exemple) Oxique HALOCLINE H 2 S CH 4 ANOXIQUE Un autre environnement où la stratification joue un rôle majeur est les bassins marins barrés (seuil) (ex. la mer Noire actuelle) et les lacs stratifiés profond (ex. Lac Tanganyika, Est de l Afrique).

25 Différence de salinité (exemple) suite Contexte simplifié de la Mer noire. La halocline marque la limite entre l eau de mer Oxygénée normale et les eaux de fond anoxiques qui ont une salinité d environ 20g/l TDS (total dissolved solids). Le haut fond (Bosphore) est à 27m au dessous du niveau de la mer. Les sédiments au fond de la Mer Noire contiennent jusqu à 15% TOC ce qui en fait d excelentes roches mères potentielles. La plupart de la MO dérive du plancton.

26 Les environnements favorables : - Déserts (< 0.05% OM) - Plaines océaniques abyssales (< 0.1% OM) - Côtes à haute énergie ( % OM) - Côtes à faible énergie (0.5 5% OM) - Plaine d inondation distale et deltas (0.5 > 10% OM) - Mer fermée, Mer barrée (< 2 > 10% OM) - Mers épicontinentales (< 1 - > 10%) - Lacs, lagons côtiers (< 1 - > 10%) - Marécages côtiers (10 100%)

27 Des bassins avec une sédimentation fine et rapide dans des régions où la productivité est modérée à élevée ; Des bassins restreints avec une sédimentation fine lente, mais avec des eaux(des sédiments) du fond anoxiques. Les bassins marins (lacustres) restreints ont principalement une MO planctonique qui est propice à la formation d huile (MO sapropélique) Sur les plates-formes continentales avec une sédimentation argileuse rapide, spécialement à côté des sites d afflux de sédiment deltaique. La MO, cependant, dérive le plus souvent de plantes terrestres (humique) et peut produire plus de gaz que d huile. Les cycles transgressifs sont plus importants que les cycles regressifs dans la formation de bonne roches-mères.

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