LES RESSOURCES FOSSILES # Le charbon Hydrocarbures (HC - CH4) # Le pétrole # Le gaz naturel les molécules deviennent de plus en plus complexes avec l’enfouissement # L’uranium

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?

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 l’activité humaine) Nécessité de trouver des énergies renouvelables ( énergie solaire, énergie nucléaire, combustion de bioalcool, éolienne) pour ne pas être tributaire des énergies fossiles

Variation des différents types d’énergies utilisés depuis 1850 aux USA Actuellement 90% = Charbon, pétrole et gaz En France le pourcentage du nucléaire est relativement plus important 76% de l’électricité produite vient de l’industrie du nucléaire

Historique Evolution de la Société = changement des besoins énergétiques et des types d’énergies utilisés. Industrie des 18ème et 19ème siècles = Charbon - en France, au Royaume-Uni (Angleterre, Pays de Galles), en Allemagne de l’Ouest 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 l’environnement - Pas de production de poussières et fumées toxiques - Transport par pipelines

Dernier quart du 20ème siècle = introduction de l’énergie nucléaire Energie prometteuse = coût moindre et plus sûre pour l’environnement. 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..).

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 CO2 par oxydation Une petite fraction seulement échappe au processus et est préservée, enfouie et transformée en matériaux utilisables comme combustible fossile (pétrole, charbon, gaz)

Cycle du Carbone Gto = gigatonnes Millliards de tonnes

LE CHARBON

Différents types de « charbon » en fonction de l’enfouissement Soit augmentation de P et T

TOURBE Pour éviter la décomposition à l’air = milieu très pauvre en oxygène très peu oxydant = grands marécages Les plantes sont attaquées par des bactéries = libération oxygène et H2O 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 = 2 000 à 12 000 ans

En France = Tourbières non asséchées = superficie : 60 000 ha Etude des pollens "fossiles " des tourbières= évolution végétation et climats depuis 12 000 ans. D’un point de vue hydrologique : tourbières = réserves d’eau Rôle important dans l’alimentation des nappes phréatiques Bon pouvoir épurateur

LIGNITE Enfouissement plus important Charbon souple à 70% de Carbone Enfouissement = élévation T et P forte température = réactions chimiques Libération des gaz (méthane, etc..) et de l’eau sous forme vapeur.

HOUILLE P augmente, gaz s’échappent = résidus carbonés solides Gisements de gaz associés au charbon = non exploitables La lignite est transformée en houille = Charbon d’usage courant à 75% carbone La pyrogénation (portée à haute T) de la houille donne des hydrocarbures, du goudron, de L’ammoniac et un résidu : LE COKE A partir de la houille on fabrique des matières plastiques, des engrais et des carburants

ANTHRACITE Niveaux soumis aux déformations du métamorphisme T et P favorisent encore la perte en eau et en volatiles. L’anthracite est formée. Elle contient 90% de carbone. Elle brule sans flamme et dégage une chaleur importante

Où et quand s’est formé le charbon? 95% des ressources en combustible solide se trouvent dans l’hémisphère 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 jusqu’à 1.6MA Les tourbes datent du quaternaire

Prospection du charbon

A partir de l’examen 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)

La cristallinité de l’Illite PROSPECTION = utilisation de deux indices : la cristallinité de l’illite et le pouvoir réflecteur de la vitrinite La cristallinité de l’Illite Enfouissement des sédiments dans les bassins = diagènese Modification de la minéralogie des argiles en fonction de la température Passage progressif de la smectite à l’illite = f(T, enfouissement) En corrélation avec la maturation des hydrates de carbones = f(T, enfouissement) Analyse du matériau par diffraction des rayons X

Rappel sur les argiles 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).

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+).

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.

Le passage de composés désorganisés et mal cristallisés (smectites) vers l’illite = étapes de l’enfouissement = f(T) Cette réaction est fortement contrôlée par la température mais dépend également de la disponibilité en potassium, la proportion d’eau 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 d’enfouissement

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

des gisements de charbon utiles pour le chauffage Mesure de la Largeur mi- Hauteur de la Raie à 9.3Å De l’illite Aussi appelé Index de Kübler Seule l’anchizone est représentative des gisements de charbon utiles pour le chauffage

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.

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

La réflectivité La réflectivité de la vitrinite est liée à l’indice de réfraction de la Vitrinite (ns), à l’indice de réfraction de l’huile dans lequel on immerge la préparation polie (nm) et le coefficient d’absorption de La vitrinite (ks)

On mesure Rv % sur une trentaine de grains de vitrinite Cette réfléctivité permet de déterminer le rang du charbon soit sa teneur en C Rv max% = Ro% x 1.066 Ro % = 12 exp[-3.3 (H/C)] - (O/C) Poids % C = 1200/[12 + (H/C) + 16 (O/C)]

0.2-0.5% Charbon brun proche de la tourbe Classement des charbons en fonction du pouvoir réflecteur de la vitrinite 0.2-0.5% Charbon brun proche de la tourbe Ro(%) 0.6-2.0% charbon noir ou houille 2.0-5.0% Anthracite NOTE: Le terme Coke est seulement utilisé pour décrire un charbon dans lequel la vitrinite a été carbonisée à cause d’une élévation brutale de la température(durant une intrusion granitique par ex.).

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

Contrôle de l’utilisation du charbon au niveau environnemental Combustible fossile = problème de pollution / SO2 gaz (pyrite micro-divisée présente dans les charbons) qui lorsqu’il se combine à l’eau de pluie forment les pluies acides (USA, Canada, Scandinavie et Europe de l’Est). Destruction des monuments Par les pluies acides Zones des pluies acides USA

PETROLE ET GAZ NATUREL

pétrole et gaz naturel associé = décomposition sur les fonds sous-marins côtiers de plantes aquatiques et organismes marins (plancton) Ils s’enfouissent progressivement dans les sédiments peu riches en oxygène. Pas d’oxydation en CO2 Décomposition des molécules complexes (lipides, protéines et hydrates de carbone) par les bactéries = soustraction de O et N production d’huiles 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 d’une eau saumâtre associée.

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.

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

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

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

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

Extraction pétrolière

Différentes méthodes de Récupération du pétrole Les trois premières figures montrent des processus naturels d’extraction (eau, pression du gaz et gaz dissous) - 30% extraits 4) injection d’eau 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

Où et quand s’est formé le pétrole? C’est un processus continu de formation depuis le Précambrien Cependant 4 périodes de temps marquent la production: Le Dévonien (360-340 MA) 2) Le Carbonifère-Permien (310 -250 MA) 3) Le Jurassique-Crétacé (150-70 MA) 4) L’Oligocène-Miocène (35-12 MA)

Total: 1265 Mds. Barrils

Régions géologiques des réserves de pétrole

Réserves mondiales estimées de pétrole brut, 1995 Une centaine d’années de réserves Avec la consommation actuelle Ressources utilisables non renouvelables

Le pétrole , source de pollution Comme le charbon, le pétrole est une importante source de pollution, notamment en CO2 lors de la combustion. Les accidents sur les sites d’exploitation ou lors de « marées noires » sont autant de pollutions locales qui mettent du temps à se résorber (environ 20 ans).

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

Le nucléaire et l’utilisation de l’uranium

1ère utilisation en 1944 : la bombe atomique Les physiciens préconisent une application non militaire de l’énergie nucléaire : La fission de noyaux d’235U

Réserves d’Uranium 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 l’apatite Minerai d’uranium = la pechblende (sous forme UO2) Les plus grandes réserves sont associées aux roches magmatiques On en trouve également dans les roches sédimentaires U4+ comme dans UO2 se transforme facilement en U6+ qui va donner (UO2)2+ soluble dans les carbonates, sulfates et fluorures

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

Principaux types de dépôts d’U aux USA Dissolution en eaux acides, puis accumulation dans des zones plus réductrices

Ressources mondiales En Uranium

Sources d’énergie alternatives

Energie solaire Conversion de l’énergie solaire en chaleur, chauffage de l’eau et production d’électricité

Conversion photovoltaïque directe en électricité

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