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 changement dans le monde.) géologiques (du Cambrien 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 on a pu parler de la mort dans un sens cosmique plus général, incluant par exemple la mort des étoiles). Chez les organismes...) et sédimentation…

Sur notre planète (Une planète est un corps céleste orbitant autour du Soleil ou d'une autre étoile de l'Univers et possédant une masse suffisante pour que sa gravité la maintienne en...), 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, de numéro atomique 6 et de masse atomique 12,0107.), 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 numéro atomique 7. Dans le langage courant, l'azote désigne le gaz diatomique...) et oxygène (L’oxygène est un élément chimique de la famille des chalcogènes, de symbole O et de numéro atomique 8.). Ils constituent la biomasse ( En écologie, la biomasse est la quantité totale de matière (masse) de toutes les espèces vivantes présentes dans un milieu naturel donné. Dans le domaine de l'énergie, le terme de biomasse regroupe...). 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 Jacques Perrin et Jacques Cluzaud dont le tournage a commencé en 2004 et produit en 2009.) 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, ou une ville ayant une prééminence dans un domaine social, culturel,...) 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 des êtres vivants , végétaux, animaux, ou...) (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 classe de molécules à base de carbone : les composés organiques.) subit une première transformation par les bactéries (Les bactéries (Bacteria) sont des organismes vivants unicellulaires procaryotes, caractérisées par une absence de noyau et d'organites. La plupart des bactéries possèdent une paroi cellulaire glucidique, le...) 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 corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et l'autre la contribution...) 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 trois états les plus communs sont l'état solide, l'état liquide, l'état gazeux. La matière occupe de...) 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 quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la matière n'a pas de forme propre ni de volume propre : un gaz...) et le pétrole (Le pétrole est une roche liquide carbonée, ou huile minérale. L'exploitation de cette énergie fossile est l’un des piliers de l’économie industrielle...) 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 total est le résultat d'une addition, c'est-à-dire une somme. Exemple : "Le total des dettes". En physique le total n'est...) 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 terrestre. Tout matériau entrant dans la composition du sous-sol...) 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 quatre-vingt-dix-neuf millions neuf cent quatre-vingt-dix-neuf mille neuf...) 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 fonctionnement interne de la Terre. Elle est l'expression en surface de la convection qui se déroule dans le manteau terrestre.), 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 étudie les phénomènes thermiques internes du globe terrestre et la...), la température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est reliée aux...) ambiante augmente alors progressivement (incidemment l'énergie géothermique (La géothermie, du grec γ? (la terre) et θερμ?ς (la chaleur), est la science qui étudie les phénomènes thermiques internes du globe terrestre et la technique qui vise...) résulte de la radioactivité (La radioactivité, phénomène qui fut découvert en 1896 par Henri Becquerel sur l'uranium et très vite confirmé par Marie Curie pour le thorium, est un...) 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 est utilisée pour marquer un rôle dans une formule, un...), la température de l'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut être comprise comme un...) 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 mille neuf cent quatre-vingt-dix-neuf (999 999) et qui précède un million un (1 000 001). Il...) 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 organismes vivants connus.) 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 à la surface sur laquelle elle s'applique.) 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 international. Il est défini comme la distance parcourue par la lumière dans le...) 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 soient d'origine animale ou végétale dès l'instant qu'ils sont privés de vie,...) 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 : Quelle chaleur !), 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 couvre une superficie de 22 km². Elle est...) 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 facilement déformable mais difficilement compressible.) 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 ?στημι istêmi, « se tenir droit et...) de sédimentation conduit à la tourbe (La tourbe est le produit de la fossilisation de débris végétaux sur 1000 à 2500 ans dans des milieux humides anaérobies que l'on appelle tourbières. Cette matière, parfois considérée comme...). 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 également une roche combustible fossile solide provenant de la décomposition d'organismes du carbonifère.), 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 famille des alcanes. C'est un gaz que l'on trouve à l'état naturel et qui est produit par des organismes vivants. Il est principalement...) formé s'appellera... le grisou (Le grisou (le mot vient de grégeois) est un gaz naturel qui se dégage des couches de charbon et des terrains encaissants. Très redouté des mineurs,...).

• 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 allemande afin de permettre à la Wehrmacht de se passer de...) (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 matériau.) 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 plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois...) 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 compris dans de nombreux domaines.) 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 hauteur : plus la fréquence est élevée, plus la hauteur perçue est haute et inversement. Chaque voyelle se caractérise par son timbre...) le plus souvent une espèce (Dans les sciences du vivant, l’espèce (du latin species, « type » ou « apparence ») est le taxon de base de la systématique....) " 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 masse volumique d'un corps pris comme référence. Le corps de référence est l'eau pure à 4 °C pour les liquides...) 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 l'univers.) 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 quantités : elle exprime la grandeur qu'auraient...).

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 » signifiant batisseur, charpentier) est l'étude des...) 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 consiste à porter le mélange à ébullition et à recueillir une...) 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 (voire solide) à la température ambiante et de couleur noire. Connu depuis la plus haute Antiquité sous forme naturelle, il...) (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 naturellement dans des roches poreuses sous forme gazeuse.)

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 minéraux spécifiques, silicates en général d'aluminium plus ou moins hydratés, qui présentent une structure...), 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 qui n'interagissent pas chimiquement. Le résultat de l'opération est une préparation...) 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 chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) 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 combiner à l'oxygène (qui sert de comburant) dans une réaction chimique générant de la chaleur : la combustion.) 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 l'état liquide à température ambiante et qui ne se mélangent pas à l'eau, mais, est cependant...) 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 Terre sur un corps massique en raison uniquement du voisinage de la Terre. Elle est égale à l'opposé de 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 « qui est fouillé ») est le reste...) 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 dérivés (essence). Pour le transport d'autres liquides, les navires ont d'autres appellations : les méthaniers...), huile (tel que dans gas-oil) est synonyme de pétrole.

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