Kérogène - Définition et Explications

Le kérogène est la substance intermédiaire entre la matière organique et les combustibles fossiles. Charbon, gaz et pétrole, se sont formés à partir d'organismes vivants (algues, plancton, végétaux continentaux...) qui ont vécu au cours des temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le...) géologiques (du Cambrien (Le Cambrien, qui s'étend de -542 ± 0.3 à...) au Tertiaire).

Cette formation est l'aboutissement d'un long processus de sédimentation qui nécessite une succession de phases bien particulières.

Évolution du kérogène

Étape 0 (ou pré-étape) : mort (La mort est l'état définitif d'un organisme biologique qui cesse de vivre (même si...) et sédimentation…

Sur notre planète (Une planète est un corps céleste orbitant autour du Soleil ou d'une autre étoile de...), vivent et meurent en permanence, des multitudes d'organismes, composés pour l'essentiel de carbone (Le carbone est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole C,...), hydrogène (L'hydrogène est un élément chimique de symbole H et de numéro atomique 1.), azote (L'azote est un élément chimique de la famille des pnictogènes, de symbole N et de...) et oxygène (L’oxygène est un élément chimique de la famille des chalcogènes, de...). Ils constituent la biomasse ( En écologie, la biomasse est la quantité totale de matière (masse) de toutes les espèces...). Une faible partie (moins de 1 %) de cette biomasse sédimente à sa mort (lorsqu'elle se retrouve incluse dans des couches minérales sédimentaires en formation). Le processus de sédimentation est un processus lent et permanent au fond des océans (Océans stylisé Ωcéans est un documentaire français réalisé par...) et des lacs, qui produit certes peu d'effets à l'échelle d'une vie (La vie est le nom donné :) humaine, mais est d'une importance capitale (Une capitale (du latin caput, capitis, tête) est une ville où siègent les pouvoirs,...) à l'échelle des temps dits " géologiques " (quelques millions à quelques milliards d'années).

Etape 1 : formation d'un composé solide appelé kérogène

Tous les sédiments formés, s'ils sont minéraux en apparence, comportent une fraction de matière organique (La matière organique (MO) est la matière carbonée produite en général par...) (1 % en moyenne), qui se retrouve " piégée " dans le sédiment minéral en formation. Cette fraction organique (La chimie organique est une branche de la chimie concernant la description et l'étude d'une grande...) subit une première transformation par les bactéries (Les bactéries (Bacteria) sont des organismes vivants unicellulaires procaryotes, caractérisées...) en début de sédimentation, et conduit à la formation d'un composé solide appelé kérogène, disséminé - vu sa faible proportion : de simples petits filets dans la partie minérale. Cette dernière s'appellera la " roche mère ".

Bien qu'il ne soit présent qu'en faibles proportions dans les sédiments en règle générale, le kérogène représente, à l'échelle de la planète, une masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un...) totale de 10 000 000 Gt. Seulement 0,1 % de ce kérogène (c’est-à-dire un millième de la totalité de la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses...) organique sédimentée) forme le charbon (mais cela fait encore 10.000 Gt !), le gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et...) et le pétrole (Le pétrole est une roche liquide carbonée, ou huile minérale. L'exploitation de...) représentent chacun 0,003 % du kérogène total ( Total est la qualité de ce qui est complet, sans exception. D'un point de vue comptable, un...) en ordre de grandeur (mais cela fait encore quelques centaines de milliards de tonnes).

La formation proprement dite du kérogène commence par la formation de la roche (La roche, du latin populaire rocca, désigne tout matériau constitutif de l'écorce...) dite mère : il s'agit initialement de boues dans lesquelles les molécules organiques sont présentes.

- Rappel : 1 Gt = 1 milliard (Un milliard (1 000 000 000) est l'entier naturel qui suit neuf cent...) de tonnes.

Étape 2 : évolution du kérogène par un début de pyrolyse

De par la tectonique des plaques (La tectonique des plaques (d'abord appelée dérive des continents) est le modèle actuel du...), les sédiments s'enfoncent lentement dans le sol. De par la géothermie (La géothermie, du grec géo (la terre) et thermie (la chaleur), est la science qui...), la température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et...) ambiante augmente alors progressivement (incidemment l'énergie géothermique (La géothermie, du grec γ? (la terre) et θερμ?ς (la chaleur), est...) résulte de la radioactivité (La radioactivité, phénomène qui fut découvert en 1896 par Henri Becquerel sur...) naturelle des roches terrestres). La vitesse (On distingue :) d'enfouissement étant variable (En mathématiques et en logique, une variable est représentée par un symbole. Elle...), la température de l'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection...) sédimentaire augmente de 0,5 à 20° C par million (Un million (1 000 000) est l'entier naturel qui suit neuf cent quatre-vingt-dix-neuf...) d'années. À son tour, chaque petit filet de kérogène produit de l'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les...) qui est parfois expulsée sous l'effet de la pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée...) des couches situées au-dessus du sédiment.

• Donc, à cette étape, les boues de sédimentation se solidifient en roches poreuses, dites roches mères, pouvant se retrouver à plusieurs centaines de mètres de profondeur (jusqu'à trois kilomètres (Le mètre (symbole m, du grec metron, mesure) est l'unité de base de longueur du Système...) pour les plus profondes), tandis que les matières organiques se transforment, en plusieurs phases, en eau et kérogène.

Étape 3 : le kérogène subit une pyrolyse complète

À partir de 50 à 120 °C, le kérogène subit, en anaérobie (On appelle milieu anaérobie un milieu où il n'y a pas présence de dioxygène (O2).), une décomposition (En biologie, la décomposition est le processus par lequel des corps organisés, qu'ils...) thermique : la pyrolyse. Dans un premier temps, cette décomposition " extrait " l'eau et le CO₂ du kérogène. Ensuite, les températures croissant continuellement, le kérogène expulse des hydrocarbures liquides : le pétrole et le gaz "naturel". Chaque petit filet de kérogène commence donc à produire des hydrocarbures. Plus le sédiment est profond (et donc plus chaud), et plus la fraction de gaz est importante du fait d'une pyrolyse plus intense (en temps comme en température), décomposant ainsi plus fortement le kérogène puis les hydrocarbures liquides eux-mêmes. Il " suffit " de quelques millions d'années pour que le kérogène se transforme partiellement, sous l'effet de la chaleur (Dans le langage courant, les mots chaleur et température ont souvent un sens équivalent :...), en charbon ou pétrole, gaz, CO₂ et eau.

C'est l'apparition du gaz, au fur (Fur est une petite île danoise dans le Limfjord. Fur compte environ 900 hab. . L'île...) et à mesure que le kérogène est porté à une température croissante (résultant de l'enfouissement), qui finit par stopper la pyrolyse. La pression de gaz dans les petites poches qui contenaient le kérogène initial augmente en effet dans les couches profondes (de plus en plus chaudes), et lorsque cette pression devient suffisante pour vaincre " l'imperméabilité " de la roche mère, la fraction liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est...) et la fraction gazeuse sont progressivement expulsées de la roche mère.

L'âge de la roche mère varie de 1 million à 1 milliard d'années au moment de la migration. Pour le pétrole, l'âge le plus fréquent se situant aux alentours de 100 millions d'années.

Étape 4 de l'évolution du kérogène : formation de combustibles

Le charbon

Il est dû à une variété particulière de kérogène, qui se forme à partir de débris de végétaux dits " supérieurs " (arbres, fougères, prêles, lycopodes ...). C'est un kérogène qui présente la caractéristique d'être dominant dans le sédiment au lieu d'y être minoritaire. Le premier stade (Un stade (du grec ancien στ?διον stadion, du verbe...) de sédimentation conduit à la tourbe (La tourbe est le produit de la fossilisation de débris végétaux sur 1000 à 2500 ans dans des...). Lors de l'enfouissement, la pyrolyse conduit ensuite à la formation de lignite, puis de houille (La houille (mot francisé venant du wallon hoye), est une roche carbonée. C'est...), puis d'anthracite, qui est du carbone presque pur, débarrassé de l'essentiel de son hydrogène (et comme il s'agit d'un stade ultime de pyrolyse, l'anthracite est généralement le plus profond des charbons). Comme pour les autres kérogènes, le charbon produit du pétrole et du gaz au cours de son enfouissement, bien qu'en moindres quantités en ce qui concerne le pétrole. La formation de pétrole à partir du charbon a lieu au stade houille, et le méthane (Le méthane est un hydrocarbure de formule brute CH4. C'est le plus simple composé de la...) formé s'appellera... le grisou (Le grisou (le mot vient de grégeois) est un gaz naturel qui se dégage des couches de...).

• Inversement, on peut produire à partir du charbon :
  • de l'essence synthétique (L'essence synthétique a été créée pendant la Seconde Guerre mondiale par l'industrie chimique...) (extrêmement onéreuse, sa production n'est valable qu'en temps de guerre),
  • du " gaz de ville ", à partir des fameuses " usines à gaz " si chères aux générations précédentes,
  • du coke (à partir des cokeries), petits boulets de charbon utilisables pour le chauffage (Le chauffage est l'action de transmettre de l'énergie thermique à un objet, un...) et l'industrie sidérurgique.

Le pétrole

• Chaque petit filet de kérogène a produit à peu près tous les hydrocarbures qu'il pouvait produire (il ne reste quasiment plus d'hydrogène dans le sédiment). Sous la pression du gaz, " la migration primaire " commence.
• Après avoir été expulsés de la roche mère, les hydrocarbures, le gaz et l'eau entament alors une " migration secondaire " : ils " suintent " le long des couches perméables qui jouxtent les couches de roche mère (laquelle est généralement peu perméable, comme il est expliqué ci-dessus), en se dirigeant vers la surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a...) sous l'effet de la pression des couches de sédiment situées au-dessus.
• Ces fuites de pétrole sont fréquentes, et comme elles peuvent provenir soit de roches mères, soit de réservoirs déjà formés dont l'étanchéité (L'étanchéité est le résultat de l'interdiction d'un passage. Ce terme général peut être...) est rompue, elles ont servi longtemps de marqueurs pour trouver des gisements, au début de l'exploration (L'exploration est le fait de chercher avec l'intention de découvrir quelque chose d'inconnu.) pétrolière.

• Pour qu'existe un gisement exploitable d'hydrocarbures liquides, il faut qu'ils se " concentrent " quelque part avant de parvenir au sol, ce qui, pratiquement, nécessite qu'ils soient arrêtés dans leur remontée vers la surface par un " piège ". En pratique, ce piège est une nouvelle couche imperméable formant (Dans l'intonation, les changements de fréquence fondamentale sont perçus comme des variations de...) le plus souvent une espèce (Dans les sciences du vivant, l’espèce (du latin species, « type »...) " d'accent circonflexe " au-dessus de la roche poreuse dans laquelle le pétrole circule. Il peut s'agir d'une couche de sel, de marne, etc. À cause de leur densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la...) respective, l'eau expulsée de la roche mère vient se loger en dessous du pétrole, et le gaz au-dessus. À ce stade, le pétrole est dit " conventionnel ". La roche qui contient le pétrole s'appelle un réservoir.

• Lorsque le kérogène a produit tous les hydrocarbures qu'il pouvait produire, cela signifie qu'il a perdu tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou...) son hydrogène. Il reste un composé proche du charbon, mais pas nécessairement exploitable pour autant car il est toujours disséminé dans la roche mère à des teneurs inférieures à 1 % en moyenne (La moyenne est une mesure statistique caractérisant les éléments d'un ensemble de...).

Mais l'histoire de ce réservoir de pétrole ne s'arrête pas là : pris dans le mouvement de tectonique (La tectonique (du grec « τ?κτων » ou « tekt?n »...) des plaques, il se trouve inexorablement entraîné vers les couches profondes de plus en plus chaudes. De ce fait, le pétrole peut subir une nouvelle pyrolyse, (un peu l'équivalent d'une distillation (La distillation est un procédé de séparation de substances, mélangées sous forme liquide. Elle...) en raffinerie) qui va produire du gaz et une variété particulière de bitume (Le bitume est une substance composée d'un mélange d'hydrocarbures, très visqueuse...) (le pyrobitume) en quantités croissantes avec le temps et la température.

Le gaz naturel (Le gaz naturel est un combustible fossile, il s'agit d'un mélange d'hydrocarbures présent...)

Si le réservoir, décrit ci-dessus, est bien étanche (d'argile (L'argile (nom féminin) est une roche sédimentaire, composée pour une large part de...), de glaise, ...), cette nouvelle plongée entraîne la formation d'un gisement essentiellement gazier. Si le réservoir est insuffisamment étanche, le gaz s'échappe et il ne reste que les bitumes (ou asphaltes) dans les porosités de la roche réservoir. Ceci explique pourquoi, dans les bassins sédimentaires, les réservoirs de gaz sont généralement plus profonds que les gisements pétroliers (en fait pétro-gaziers).

• Pour résumer le schéma d'ensemble des produits susceptibles de migrations (pétrole et gaz) :
  • 1 - migration primaire ;
  • 2 - migration secondaire, le long des roches poreuses, des failles ;
  • 3 - dysmigration : pétrole et gaz, s'échappent du réservoir où il s'étaient accumulés.

Autres évolutions possibles du kérogène

• les sables bitumineux et les huiles extra-lourdes, qui correspondent aux poches où le pétrole formé a perdu ses éléments volatils. Si rien n'arrête la migration vers le haut des hydrocarbures, ils finissent par parvenir près du sol, où ils sont dégradés par l'action des bactéries et aboutissent à la formation de bitumes. Les sables bitumineux (ou asphaltiques) de l'Athabasca, au Canada, qui constituent la plus grande accumulation connue de bitumes de cette nature au monde (Le mot monde peut désigner :), correspondent à ce stade de l'évolution du " pétrole ". D'une certaine manière, nous avons là affaire à un composé " plus vieux que le pétrole ". Il s'agit donc de pétrole " plus vieux " que le pétrole conventionnel, et qui s'est altéré près de la surface terrestre en s'enrichissant en molécules lourdes ;

• les schistes bitumineux, qui désignent – à tort puisqu'il ne contiennent aucun bitume – un mélange (Un mélange est une association de deux ou plusieurs substances solides, liquides ou gazeuses...) de roches et de kérogène non pyrolysé. Il s'agit donc de combustibles fossiles qui se sont arrêtés au stade " avant le pétrole " dans la chaîne (Le mot chaîne peut avoir plusieurs significations :) de transformation, et ces ressources devraient plutôt être comptées dans la catégorie des charbons, à l'instar de la tourbe ou du lignite. Ils peuvent être transformés en pétrole en subissant une pyrolyse (à 500° C pour ne pas attendre un million d'années) dans une usine, mais le bilan énergétique est très mauvais (en général le rendement est négatif, c’est-à-dire que l'on dépense plus d'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...) que l'on en obtiendra ensuite en brûlant le combustible (Un combustible est une matière qui, en présence d'oxygène et d'énergie, peut se...) obtenu).

Exploitation

• Au début de l'exploitation pétrolière, le pétrole que nous savions extraire était du pétrole " conventionnel ", c’est-à-dire un liquide produit par la pyrolyse du kérogène, ayant été expulsé de la roche mère, puis ayant eu la bonne idée de se concentrer dans un réservoir. Exploiter ce pétrole est relativement aisé : une partie sort toute seule sous la pression du gaz généralement associé, et une autre partie se " pompe " avec des techniques diverses, qui ne cessent de se sophistiquer. Avec ce pétrole " conventionnel ", l'extraction consomme en moyenne, seulement une toute petite partie de l'énergie disponible dans l'huile (L'huile est un terme générique désignant des matières grasses qui sont à...) extraite.

• Mais aujourd'hui, les gisements s'épuisant, les opérateurs s'intéressent de plus en plus au pétrole " non conventionnel ", qui correspond à des produits " pâteux ", voire solides, souvent très minoritaires au sein d'une partie rocheuse. Ces gisements sont donc beaucoup plus difficiles à exploiter…

• s'il s'agit d'huiles extra-lourdes, ou de sables bitumineux, il faut par exemple y injecter de la vapeur () sous pression (pour fluidifier le " pétrole " en le réchauffant, et lui permettre de sortir sous la pression de la vapeur), ce qui nécessite de consacrer à l'extraction quelques dizaines de pour-cent de l'énergie qui sera fournie par le " pétrole " extrait ;

• s'il s'agit de schistes bitumineux, l'extraction du combustible s'apparente à une activité (Le terme d'activité peut désigner une profession.) minière, et le combustible peut ne représenter que quelques pour-cent, en poids (Le poids est la force de pesanteur, d'origine gravitationnelle et inertielle, exercée par la...), de la roche qu'il imprègne. Certains géologues refusent même d'en tenir compte dans l'inventaire des réserves pétrolières.

Conclusions

La formation des combustiles fossiles (charbon, hydrocarbures et gaz) est donc une conséquence naturelle, à très long terme, de la sédimentation dès lors qu'il y a une fraction organique notable dans la matière de départ. Cette sédimentation produit un corps particulier : le kérogène, capable lui-même de produire (charbon ou pétrole et/ ou gaz) suivant l'évolution des différentes conditions environnementales. Mais sans des processus aussi longs (plusieurs millions d'années) que particuliers (la tectonique des plaques) permettant de " concentrer " les produits formés, à l'origine, de manière très diffuse, aucun gisement de combustile fossile (Un fossile (dérivé du substantif du verbe latin fodere : fossile, littéralement...) n'existerait aujourd'hui.

Notes

• kérogène signifie en grec : " Je nais de la pierre ".
• En langage pétrolier (Un pétrolier est un navire citerne servant à transporter le pétrole ainsi que ses...), huile (tel que dans gas-oil) est synonyme de pétrole.

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