TP 4 L Y C É E. Problème : comment se créent le charbon et le pétrole?

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1 TP 4 L Y C É E Problème : comment se créent le charbon et le pétrole?

2 Atelier 1: Origine du charbon et du pétrole Echantillon de schiste (roche) prélevé dans une ancienne mine de charbon lithotheque.ens-lyon.fr

3 Des traces de végétaux fossilisés dans les mines de charbon Calamites mine in southwestern Indiana, the Jenlin Mine Sigillaria Ancienne exploitation houillère à Glasgow (Ecosse) erials/webs/43/graphics/fossilgrove.htm hsonian_fossils/2013/09/ Reconstitution du paléoenvironnement avec les arbres Sigillaria et les Calamites (âge: Carbonifère Ma)

4 Molécules présentes dans le pétrole SVT 2 nde Nathan ed 2010 p149

5 Répartition des gisements d hydrocarbures* *hydrocarbure :composé organique contenant exclusivement des atomes de carbone (C) et d'hydrogène (H) SVT 2 nde Nathan ed 2010 p152

6 Atelier 2 : Dégradation de la matière organique vs conservation On place 100g de litière* fraîche dans une enceinte hermétique ExAO et on enregistre l évolution du taux de dioxygène dans l enceinte. On réalise le même enregistrement mais sur de la litière stérilisée (c est-à-dire portée à très hautes températures afin de détruire toute forme de vie). * litière: ensemble de feuilles mortes et débris végétaux en décomposition qui recouvrent le sol Belin SVT 2 nde ed 2010 p177

7 Analyse des résultats ExAO On constate une diminution du taux de dioxygène dans l enceinte dans le cas d une litière fraîche: la vitesse de disparition du dioxygène est de 3,5%.h -1 Or dans le cas d une litière stérilisée on n observe aucune variation du % de dioxygène. On en déduit que la litière fraîche contient des microorganismes (non visibles à l œil nu) capables de consommer le dioxygène. On connaît une réaction chimique consommant du dioxygène: la respiration qui consomme également des nutriments organiques. Il est donc fort probable que ces microorganismes du sol consomment la matière organique du sol en respirant.

8 Les microorganismes qui décomposent la matière organique du sol (débris de végétaux), entre autres par respiration, sont appelés des décomposeurs. Belin SVT 2 nde ed 2010 p177

9 Bilan partiel La production importante de biomasse est nécessaire et non suffisante pour créer des hydrocarbures. Il faut un environnement pauvre en dioxygène pour conserver cette dernière, autrement elle est dégradée par les microorganismes (les décomposeurs) à la surface du sol qui réalisent la respiration.

10 Atelier 3: Réactions chimiques permettant la transformation de la matière organique en hydrocarbure Le pétrole se forme au niveau des bassins sédimentaires océaniques par transformation de la matière organique d origine planctonique. Une des conditions essentielles à sa formation réside dans l accumulation d une importante quantité de matière organique qui doit être enfouie rapidement, afin de limiter la dégradation par les microorganismes à la surface du sol qui, qui utilisent la matière organique et le dioxygène (réaction chimique de la respiration). Si cette matière organique n est pas dégradée par la respiration en surface alors elle subit des transformations chimiques, via des microorganismes vivant sans dioxygène, ces réactions conduisent à la formation de matière organique appauvrie en O et N, le kérogène. La température croît au cours de l enfoncement de 3 C tous les 100 m en moyenne. Cet enfouissement conduit d une part à une transformation progressive des sédiments en roches et d autre part à la dégradation thermique du kérogène en pétrole, mélange d huile et de gaz. Cette dégradation correspond à un enrichissement en carbone et une élimination des éléments O, H et N (volatils) sous forme de gaz (H2O, CO2, CH4 et N2). Hachette SVT 2nde ed 2010 p131

11 Bilan partiel La transformation de matière organique en kérogène nécessite l intervention de microorganismes dans un milieu sans dioxygène, donc en profondeur. La transformation du kérogène en pétrole (huile et gaz) nécessite une augmentation de température du kérogène. Celle-ci est permise par un enfoncement de la roche kérogène.

12 Atelier 4 : conditions environnementales pour enfouir de la matière organique dans un milieu pauvre en O 2

13 Analyse de roches associées au charbon Alternance de schistes, veine de charbon, conglomérat, grès, schistes, veine de charbon D après CBGA

14 Les paléoenvironnements favorables à la formation de charbon Hachette SVT 2nde ed 2010 p131

15 Atelier 5 : Nature de la roche permettant de stocker les hydrocarbures Modélisation du piégeage du pétrole Belin SVT 2 nde ed 2010 p132

16 Atelier 5 : Nature de la roche permettant de stocker les hydrocarbures SVT 2 nde Nathan ed 2010 p153

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19 La recherche et l exploitation pétrolière

20 Exploitation pétrolière Lorsque la recherche a abouti à la découverte d un gisement exploitable, la mise en production du gisement consiste à organiser la récupération du pétrole par pompage dans des puits répartis sur la superficie reconnue du gisement. L eau qui est présente en mélange 2/3 avec le pétrole est séparée de ce dernier et réinjectée dans la formation pour soutenir la pression et favoriser l extraction. Le pétrole est pompé au moyen de matériels spécifiques (pompes «têtes de cheval» ou pompes centrifuges immergées).

21 Et le gaz de schistes? Le gaz de schiste, également appelé «gaz de roche-mère», est une forme de gaz naturel extraite à partir de terrains schisteux. Il joue un rôle croissant dans l'approvisionnement en gaz naturel aux États-Unis depuis le début du XXI e siècle. Un analyste s'attend à ce que les gaz de schiste constituent la moitié de la production nord-américaine de gaz naturel d'ici Liste des permis d exploration production exploitation Le Grenelle de l environnement a relancé son exploitation en France.

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23 Polémique sur le gaz de schiste l'exploitation des gaz de schiste a posé des problèmes d'environnement, il convient de s'assurer raisonnablement qu'il n'en serait pas de même dans des régions peuplées, où les ressources en eaux sont fragiles et peu abondantes particulièrement sensibles à la pollution. les problèmes posés sont loin de se limiter à la fracturation hydraulique ou au risque d'accident. Le paysage et donc l'économie touristique, les accès routiers, le trafic de camions-citernes, le besoin de bassins de rétentions des eaux polluées de forages et de fracturation... l'analyse doit porter sur l'ensemble des risques et doit prendre le temps nécessaire avant toute autorisation et recourir aux expertises contradictoires, en particulier de chercheurs et d'universitaires. il ne faut pas nier le besoin de gaz dont la société française fait une consommation importante. Tant pour ses industries que pour la vie quotidienne, en ville et à la campagne. Pour l'avenir, il faut suivre deux pistes. D'une part développer des solutions énergétiques sans gaz. Et d'autre part conserver le gaz de nos territoires pour nos enfants. Peut-être seront-ils obligés d'y puiser une ressource devenue indispensable, mais le temps gagné peut permettre de l'éviter ou de trouver des solutions techniques moins risquées pour l'environnement et la santé.

24 Traces écrites Chapitre II : les combustibles fossiles, énergie solaire du passé I. L origine biologique des combustibles fossiles (charbon et pétrole) Cf TP4 A. Mise en évidence 1 ) A l échelle macroscopique La présence de restes organiques dans les schistes en contact avec le charbon montre qu ils sont issus de matière organique végétale. 2 ) A l échelle moléculaire : Des molécules organiques proches des molécules du pétrole Les molécules du pétrole montrent une grande similitude avec celles des végétaux : par exemple le phytane du pétrole ressemble à une molécule simplifiée de chlorophylle a. On en déduit que le pétrole est une transformation de matière organique issue du vivant.

25 Traces écrites II. Du végétal aux hydrocarbures, les conditions nécessaires aux processus de transformations A. Une nécessaire conservation de la matière organique De la litière (ensemble de feuilles mortes et débris végétaux en décomposition qui recouvrent le sol) placée dans une enceinte hermétique munie d une sonde à dioxygène, révèle une consommation d O 2. Il existe donc dans cette litière, des organismes microscopiques, consommateurs de dioxygène et des molécules organiques de cette litière, réalisant la respiration. La matière organique est donc décomposée par ces microorganismes, les décomposeurs, notamment par la réaction de respiration. Ainsi, pour conserver cette matière organique afin qu elle soit transformée en hydrocarbures, il faut que lors du dépôt, le milieu soit anoxique. Ainsi, la production importante de biomasse est nécessaire et non suffisante pour créer des hydrocarbures. B. Réactions chimiques permettant la transformation de la matière organique en hydrocarbures La transformation de matière organique en kérogène nécessite l intervention de microorganismes dans un milieu sans dioxygène, donc en profondeur. La transformation du kérogène en pétrole (huile et gaz) nécessite une augmentation de température du kérogène. Celle-ci est permise par un enfoncement de la roche kérogène. Le principe d enfouissement rapide de la matière organique vaut également pour la transformation de celle-ci en charbon. Le pétrole provient de la transformation du phytoplanton marin (conditions environnementales : mer, océan). Le charbon provient de la transformation de débris de plantes terrestres (conditions environnementales : delta, fleuve).

26 C. Les roches réservoir de pétrole : assurer géologiquement un milieu de stockage La répartition des gisements de combustibles fossiles montre que transformation et conservation de la matière organique se déroulent dans des circonstances géologiques bien particulières. 1 ) Cas du charbon : Les veines de charbon sont souvent posées sur du schiste (argile très compactée), puis recouverte de conglomérat (roche détritique composée de particules grossières), eux-mêmes recouverts de grès. Ces alternances : schistes, charbon, conglomérat, grès peuvent être interprétés par le paléoenvironnement suivant : Une crue importante ou l élévation du niveau de la mer (delta) arrache des végétaux terrestres (futur charbon). Ces débris via le fort courant sont rapidement enfouis sous des roches détritiques suffisamment lourdes (deviennent conglomérats). Puis le courant plus calme permet le dépôt de roches détritiques plus fines (grès plus argiles). 2 ) Cas du pétrole Une intense activité phytoplanctonique entraîne une grande productivité de matière organique et une zone anoxique, ce qui permet d enfouir la matière organique sans la décomposer. Par enfouissement progressif, des microorganismes transforment cette matière organique en kérogène, puis l augmentation de température liée à l enfouissement termine la transformation du kérogène en pétrole. Cette roche liquide peut dense, va remonter jusqu à rencontrer une roche non perméable (argile par exemple). La roche mère du pétrole (sables, roches détritiques poreuses) et la roche sus-jacente imperméable sont qualifiées de «piège» du pétrole. Dans les deux cas (pétrole, charbon), la transformation de matière organique en hydrocarbures nécessité plusieurs dizaines de millions d années. D. les outils actuels pour prospecter des gisements pétrolifères La connaissance de ces mécanismes permet de découvrir les gisements et de les exploiter par des méthodes adaptées. Cette exploitation a des implications économiques et environnementales.