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# Le charbon Hydrocarbures (HC - CH 4 ) # Le pétrole # Le gaz naturel les molécules deviennent de plus en plus complexes avec lenfouissement # Luranium.

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1 # Le charbon Hydrocarbures (HC - CH 4 ) # Le pétrole # Le gaz naturel les molécules deviennent de plus en plus complexes avec lenfouissement # Luranium LES RESSOURCES FOSSILES

2 Aspects importants des activités de recherche et développement en géologie appliquée Plusieurs questions: -Comment se forment ces ressources? -Où se forment -elles? -Comment sont elles contrôlées? -Combien de temps vont elles perdurer? -Comment peut on les remplacer?

3 Introduction Utilisation de ces ressources = usines, bâtiments, maisons, transports Les réserves : dépôts connus et exploités Les ressources : ensemble des réserves plus les dépôts non encore découverts ou exploités Les ressources fossiles = matériaux non renouvelables (lenteur des processus de formation et de mise en place / à lactivité humaine) Nécessité de trouver des énergies renouvelables ( énergie solaire, énergie nucléaire, combustion de bioalcool, éolienne) pour ne pas être tributaire des énergies fossiles

4 Variation des différents types dénergies utilisés depuis 1850 aux USA Actuellement 90% = Charbon, pétrole et gaz En France le pourcentage du nucléaire est relativement plus important 76% de lélectricité produite vient de lindustrie du nucléaire

5 Evolution de la Société = changement des besoins énergétiques et des types dénergies utilisés. Industrie des 18ème et 19ème siècles = Charbon - en France, au Royaume-Uni (Angleterre, Pays de Galles), en Allemagne de lOuest et dans les Appalaches aux USA En 1859 = premier puit de pétrole aux USA - Gaz-Pétrole = énergies de remplacement du charbon. Premiers puits de pétrole en Californie Meilleure préservation De lenvironnement - Pas de production de poussières et fumées toxiques - Transport par pipelines Historique

6 Dernier quart du 20ème siècle = introduction de lénergie nucléaire Energie prometteuse = coût moindre et plus sûre pour lenvironnement. Des problèmes seront très vite soulevés notamment au niveau de la gestion des déchets nucléaires et le coût de plus en plus important de la sécurité du Nucléaire (Three mile island, Tchernobyl..).

7 SEDIMENTS 1) Charge terrigène provenant de l'érosion des continents qui se dépose sur les deltas qui est dispersée sur le plateau continental puis apportée au pied du talus continental 2) Charge allochimique provenant du bassin principalement de la couche de plancton Dans les sédiments = 10 à 20% MATIERE ORGANIQUE Matière organique = hydrates de carbones/molécules organiques Matière organique donne CO 2 par oxydation Une petite fraction seulement échappe au processus et est préservée, enfouie et transformée en matériaux utilisables comme combustible fossile (pétrole, charbon, gaz)

8 Cycle du Carbone Gto = gigatonnes Millliards de tonnes

9 LE CHARBON

10 Différents types de « charbon » en fonction de lenfouissement Soit augmentation de P et T

11 TOURBE Pour éviter la décomposition à lair = milieu très pauvre en oxygène très peu oxydant = grands marécages Les plantes sont attaquées par des bactéries = libération oxygène et H 2 O augmentation relative du % de carbone Faible profondeur = tourbe (matériau brun, fibreux à 50% de carbone) Formation = sol gorgé d'eau - climat frais et humide. végétaux hydrophiles (mousses, sphaignes, hypnacces, carex, roseaux, joncs...) Tourbières acides à sphaignes au pH = 3,5 = climats pluvieux (Irlande) Tourbières alcalines à carex au pH > 6 = fonds de vallées. Milieux fragiles : édification = à ans

12 En France = Tourbières non asséchées = superficie : ha Etude des pollens "fossiles " des tourbières= évolution végétation et climats depuis ans. Dun point de vue hydrologique : tourbières = réserves deau Rôle important dans lalimentation des nappes phréatiques Bon pouvoir épurateur

13 Enfouissement = élévation T et P forte température = réactions chimiques Libération des gaz (méthane, etc..) et de leau sous forme vapeur. Enfouissement plus important Charbon souple à 70% de Carbone LIGNITE

14 P augmente, gaz séchappent = résidus carbonés solides Gisements de gaz associés au charbon = non exploitables La lignite est transformée en houille = Charbon dusage courant à 75% carbone La pyrogénation (portée à haute T) de la houille donne des hydrocarbures, du goudron, de Lammoniac et un résidu : LE COKE A partir de la houille on fabrique des matières plastiques, des engrais et des carburants HOUILLE

15 Niveaux soumis aux déformations du métamorphisme T et P favorisent encore la perte en eau et en volatiles. Lanthracite est formée. Elle contient 90% de carbone. Elle brule sans flamme et dégage une chaleur importante ANTHRACITE

16 Où et quand sest formé le charbon? 95% des ressources en combustible solide se trouvent dans lhémisphère Nord et en particulier en ex-URSS (50%), en Amérique du Nord (15%), en Australie et en Chine (20%). Deux grandes périodes géologiques sont liées à ces formations: - Carbonifère Inférieur au Permien (360 à 245 MA) - Crétacé 144 MA et durant le tertiaire jusquà 1.6MA Les tourbes datent du quaternaire

17 Prospection du charbon

18 A partir de lexamen au microscope on distingue: Le fusain (résidu de débris ligneux) Le durain dur et mat (débris végétaux encore identifiables) Le clairain dur et brillant (mélange de feuilles et spores dans un ciment amorphe) Le vitrain (macéral - VITRINITE, EXINITE,INERTITE) qui provient de la pulvérisation des débris ligneux, des feuilles et des spores)

19 PROSPECTION = utilisation de deux indices : la cristallinité de lillite et le pouvoir réflecteur de la vitrinite I)La cristallinité de lIllite Enfouissement des sédiments dans les bassins = diagènese Modification de la minéralogie des argiles en fonction de la température Passage progressif de la smectite à lillite = f(T, enfouissement) En corrélation avec la maturation des hydrates de carbones = f(T, enfouissement) Analyse du matériau par diffraction des rayons X

20 Kaolinite ( T-O, d=7A°) Pas de substitution dans les couches. Le feuillet est neutre. La kaolinite se forme dans les sols bien drainés, par pH acide, surtout en climat subtropical et tropical. Ses cristaux sont souvent grand (jusqu'à 15 µm). Rappel sur les argiles

21 Illite (T-O-T, d=10Å) Association d'une couche octa (alumineuse) et deux couche tétra (siliceuses). Il peut y avoir des substitutions (remplacement de Si par Al). Des cations (K+) sont adsorbés dans l'espace interfoliaire afin de compenser le déséquilibre des charges. Sa structure est proche de la muscovite (plus d'eau, moins de K+).

22 Smectite (T-O-T, d= 14 A°) Empilement des feuillets désordonné; Substitution d'atomes importantes. Désordre et faible charge des feuillets facilitent adsorption de molécules variées = eau, cations, molécules organiques L'espace interfoliaire s'écarte (d = 17 Å). Les smectites sont calciques, plus rarement sodiques Elles sont formées dans les sols mal drainés plutôt alcalins. Les feuillets de smectites peuvent s'intercalés avec d'autres feuillets argileux, souvent illitiques. L'ensemble forme les argiles interstratifiés.

23 Le passage de composés désorganisés et mal cristallisés (smectites) vers lillite = étapes de lenfouissement = f(T) Cette réaction est fortement contrôlée par la température mais dépend également de la disponibilité en potassium, la proportion deau dans la roche, la pression etc.. On réalise une corrélation entre le rapport illite/smectite, la progressive mise en ordre des interstratifiés associés, et la température donc la profondeur denfouissement

24 Comparaison des diagrammes DRX de l illite et des interstratifiés Pic à 9.3Å

25 Mesure de la Largeur mi- Hauteur de la Raie à 9.3Å De lillite Aussi appelé Index de Kübler Seule lanchizone est représentative des gisements de charbon utiles pour le chauffage

26 II) le pouvoir réflecteur de la vitrinite Plus la durée d'enfouissement est longue, plus T et P sont élevées, plus le degré de fossilisation = le RANG est important (% C) Ce rang est mésuré par le pouvoir réflecteur Les macéraux (substances contenues dans toutes les formes de charbon) Vitrinite = Tissus végétaux préservés de l'oxydation avant Enfouissement (le plus important en masse) Exinite = macéral provenant des cires, résines et spores préservés de l'oxydation avant enfouissement Inertinite = restes des végétaux partiellement oxydés par des bactéries aérobies avant enfouissement.

27 Macéraux visibles sous microscope optique charbon broyé, enrobé dans résine polyester translucide et poli Les vitrinites apparaissent en gris moyen les exinites en noir, les inertinites en blancs. Largeur = 200µm

28 La réflectivité de la vitrinite est liée à lindice de réfraction de la Vitrinite (ns), à lindice de réfraction de lhuile dans lequel on immerge la préparation polie (nm) et le coefficient dabsorption de La vitrinite (ks) La réflectivité

29 Rv max% = Ro% x Ro % = 12 exp[-3.3 (H/C)] - (O/C) On mesure Rv % sur une trentaine de grains de vitrinite Cette réfléctivité permet de déterminer le rang du charbon soit sa teneur en C Poids % C = 1200/[12 + (H/C) + 16 (O/C)]

30 Classement des charbons en fonction du pouvoir réflecteur de la vitrinite %Charbon brun proche de la tourbe Ro(%) %charbon noir ou houille %Anthracite NOTE: Le terme Coke est seulement utilisé pour décrire un charbon dans lequel la vitrinite a été carbonisée à cause dune élévation brutale de la température(durant une intrusion granitique par ex.).

31 Ressources en charbon aux USA A la vitesse de consommation actuelle, il reste environ 400 ans de ressources en charbon pour les USA

32 Contrôle de lutilisation du charbon au niveau environnemental Combustible fossile = problème de pollution / SO 2 gaz (pyrite micro-divisée présente dans les charbons) qui lorsquil se combine à leau de pluie forment les pluies acides (USA, Canada, Scandinavie et Europe de lEst). Zones des pluies acides USA Destruction des monuments Par les pluies acides

33 PETROLE ET GAZ NATUREL

34 pétrole et gaz naturel associé = décomposition sur les fonds sous-marins côtiers de plantes aquatiques et organismes marins (plancton) Ils senfouissent progressivement dans les sédiments peu riches en oxygène. Pas doxydation en CO 2 Décomposition des molécules complexes (lipides, protéines et hydrates de carbone) par les bactéries = soustraction de O et N production dhuiles et de gaz (C et H) = hydrocarbures La compaction des sédiments en « roche -mère » sédimentaire entraîne la migration des fluides vers des « roches réservoirs » poreuses comme les grès ou les calcaires. Les fluides sont présents en général à la surface dune eau saumâtre associée.

35 porosité = volume de vides / volume total d'un matériau, roche ou sédiment. Sédiments poreux = sables et les graviers Sédiment peu ou non poreux = argiles Si on empile des sphères (particules) de taille égale leurs axes forment un réseau cubique, le pourcentage des vides, soit l'espace disponible pour le fluide, est de 47,6% C'est un empilement cubique.

36 empilement maximum des sphères (sans les déformer) = Empilement rhomboédrique, avec un espace de vides de 25,9%

37 Les porosités sont plus faibles si les particules du sédiments ne sont pas de taille uniforme Distinction de deux concepts : porosité et perméabilité. Porosité = pourcentage de vides par unité de volume dans un sédiment ou une roche. Perméabilité = capacité du sédiment ou de la roche à transporter les fluides qui se trouvent dans les pores = connexion des pores

38 Formation des hydrocarbures - roche mère T< 50°C T< 150°C P < 1500 Bars Graphite Kérogène Kérogène = pétrole embryonnaire = maturation avec la T et P Action des bactéries Compaction des sédiments en roches et formation des huiles

39

40 Migration vers les roches réservoirs = « pièges à pétrole » grès argile zones imperméables qui empêchent la remontée des fluides

41 Extraction pétrolière

42 Différentes méthodes de Récupération du pétrole 1)Les trois premières figures montrent des processus naturels dextraction (eau, pression du gaz et gaz dissous) - 30% extraits 4) injection deau et récupération par pompage 5) Injection de vapeur très chaude Abaissement de la viscosité 6) Injection de produits chimiques qui vont se dissoudre dans le pétrole et abaisser sa viscosité, il ne colle plus À la roche réservoir

43 Où et quand sest formé le pétrole? Cest un processus continu de formation depuis le Précambrien Cependant 4 périodes de temps marquent la production: 1)Le Dévonien ( MA) 2) Le Carbonifère-Permien ( MA) 3) Le Jurassique-Crétacé ( MA) 4) LOligocène-Miocène (35-12 MA)

44 Total: 1265 Mds. Barrils

45 Régions géologiques des réserves de pétrole

46 Réserves mondiales estimées de pétrole brut, 1995 Ressources utilisables non renouvelables Une centaine dannées de réserves Avec la consommation actuelle

47 Le pétrole, source de pollution Comme le charbon, le pétrole est une importante source de pollution, notamment en CO 2 lors de la combustion. Les accidents sur les sites dexploitation ou lors de « marées noires » sont autant de pollutions locales qui mettent du temps à se résorber (environ 20 ans).

48 Le gaz naturel (99% de méthane) est moins polluant et de nouvelles sources sont actuellement découvertes.

49 Le nucléaire et lutilisation de luranium

50 1ère utilisation en 1944 : la bombe atomique Les physiciens préconisent une application non militaire de lénergie nucléaire : La fission de noyaux d235U

51 Réserves dUranium Faible concentration dans la croûte: 2ppm En filons dans les granites et roches acides :quelques centaines de ppm dans les minéraux tels les zircons, le sphène ou lapatite Minerai duranium = la pechblende (sous forme UO 2 ) Les plus grandes réserves sont associées aux roches magmatiques On en trouve également dans les roches sédimentaires U 4+ comme dans UO 2 se transforme facilement en U 6+ qui va donner (UO 2 ) 2+ soluble dans les carbonates, sulfates et fluorures

52 Toutes ces mines sont fermées Cogema possédant des mines plus productives au Canada à présent

53 Principaux types de dépôts dU aux USA Dissolution en eaux acides, puis accumulation dans des zones plus réductrices

54 Ressources mondiales En Uranium

55 Sources dénergie alternatives

56 Energie solaire Conversion de lénergie solaire en chaleur, chauffage de leau et production délectricité

57 Conversion photovoltaïque directe en électricité

58 Géothermie Les geysers sont les plus grandes sources de Géothermie haute enthalpie vapeur deau chaude =Conversion en électricité (Islande) Géothermie basse enthalpie Banlieue Parisienne: Eau à 80°C


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