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Tectonique des plaques et géologie appliquée

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Introduction :

Le modèle de la tectonique des plaques a montré que les plaques terrestres sont mobiles entre elles à la surface de la Terre. La croûte océanique connaît un cycle : elle naît au niveau des dorsales océaniques et disparaît dans les fosses abyssales par le phénomène de subduction.

Ce cours va permettre de voir comment le modèle de la tectonique des plaques a aidé à la recherche d’hydrocarbures. Dans un premier temps, les conditions initiales à la formation d’hydrocarbures seront décrites, puis les étapes de leur formation seront vues. Enfin, à l’heure où le pétrole est de plus en plus rare, les nouvelles sources d’hydrocarbures et les conséquences de leur exploitation seront expliquées.

Tectonique des plaques et recherche d’hydrocarbures

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Définition

Hydrocarbure :

Les hydrocarbures sont des molécules organiques composées exclusivement d’atomes de carbone et d’hydrogène.

On les retrouve sous différentes formes : sous forme liquide, c’est le pétrole ; sous forme gazeuse, c’est le méthane, qui entre dans la composition du gaz naturel, et sous forme solide c’est le charbon.

La carte suivante montre que la répartition des réserves de pétrole à la surface de la Terre est très inégale. Il faut alors comprendre pourquoi.

Répartition des réserves de pétrole à la surface de la Terre

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À retenir

La formation d’hydrocarbures est complexe et nécessite la réunion des différentes conditions qui sont :

  • une forte productivité de matière organique que l’on retrouve piégée dans les sédiments ;
  • une faible teneur en oxygène pour éviter une dégradation de cette matière organique ;
  • Et un fort taux de sédimentation pour justement éviter que la matière organique ne s’oxyde.

Les fosses océaniques, qui sont le lieu de la subduction, bordent les continents. Cependant, ce n’est pas le cas pour toutes les côtes, comme le montre cette carte qui représente les zones de subduction en rouge. Il faut alors différencier les marges actives des marges continentales passives.

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Définition

Marge :

Une marge active est une zone de subduction qui marque la frontière entre océan et continent.
Une marge passive quant à elle est une frontière ne présentant pas d’activité tectonique.

Les marges sont représentées en bleu sur la carte ci-dessous :

Représentation des marges actives et des marges passives

Si l’on compare la localisation des marges passives et actives à l’épaisseur des sédiments à la surface de la Terre, on remarque que les dépôts de sédiments sont plus importants au niveau des marges passives :

Épaisseur des dépôts de sédiments

On peut se demander alors quelles sont les caractéristiques des marges passives. Les marges passives sont issues de la formation de rifts.

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Définition

Rift :

Un rift est un endroit où la croûte continentale s’amincit suite à des forces d’étirements.

Les rifts sont à l’origine de la formation d’un océan. La formation d’un rift est caractérisée par la présence de blocs basculés délimités par des failles normales.

Rift et formation d’un océan

Ces blocs basculés rencontrés dans les marges passives sont un lieu où l’accumulation des sédiments est forte. Les marges passives, par un taux de sédimentation important, permettent d’éviter l’oxydation de la matière organique.

Il faut alors savoir si les marges passives sont des zones où une quantité de matière organique importante a pu se retrouver piégée dans les sédiments. Pour cela, on s’intéresse à la répartition des océans au Jurassique moyen, c’est-à-dire il y a 160 millions d’années.

On peut voir sur la carte ci-dessous que les marges passives qui bordent les côtes est de l’Amérique et les côtes ouest de l’Afrique se situaient sur la zone équatoriale, qui permet une forte productivité de matière organique. Cette dernière a pu être piégée dans les sédiments des rifts, aboutissant à l’ouverture océanique. Ces sédiments piégés se sont ainsi retrouvés sous l’eau des océans qui présentent une teneur en oxygène bien inférieure à celle de l’atmosphère.

Physionomie de la Terre à la fin du Jurassique

On a donc les trois critères réunis pour la formation d’hydrocarbures.

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Attention

Ces trois critères sont indispensables mais ne suffisent pas.

Les étapes de formation des hydrocarbures

La première étape de la formation d’hydrocarbures est la migration primaire. Les sédiments riches en matière organique vont être enfouis : c’est la subsidence.

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Définition

Subsidence :

Enfoncement lent des structures géologiques dans les zones de fortes accumulations sédimentaires.

Au cours de cet enfouissement, le couple matière organique / sédiments va former la roche mère. Au fur et à mesure de la subsidence le kérogène (composé visqueux contenant de la matière organique et des hydrocarbures), va d’abord se former à partir de la matière organique. Puis, avec l’augmentation de la pression et de la température il va remonter vers la surface. Il quitte alors la roche mère pour se loger dans une roche-réservoir : c’est la migration primaire. Elle s’effectue grâce à la poussée d’Archimède.

Migration primaire

S’il n’y a pas de roche couverture, le kérogène quitte la roche réservoir pour atteindre la surface et est dégradé.

S’il y a une roche-couverture, alors la deuxième étape est la migration secondaire.

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Définition

Roche couverture :

Une roche couverture est une roche imperméable qui empêche le kérogène d’atteindre la surface.

Les roches couvertures sont souvent des argiles que l’on nomme schistes lorsqu’elles se présentent sous forme de feuillets empilés. Les roches imperméables peuvent également être formées de sel issu de l’assèchement d’un jeune océan. On parle alors de gisement d’hydrocarbures pré-salifères. Le kérogène va alors se stocker dans la partie supérieure de la roche-réservoir et former une poche dans laquelle il reste coincé.

Migration secondaire

Vers de nouvelles sources d’hydrocarbures

Aujourd’hui, les stocks de pétrole s’épuisent alors que la consommation ne cesse d’augmenter. On est alors à la recherche de nouvelles sources d’hydrocarbures et on entend beaucoup parler des gaz de schistes ou schistes bitumineux, et de fraction hydraulique.

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Définition

Gaz de schiste :

Le gaz de schiste est un gaz naturel, soit un mélange d’hydrocarbures riches en kérogène, emprisonné dans des schistes en profondeur.

La différence avec le pétrole c’est que ce gaz n’est pas piégé par une roche de couverture mais directement dans la roche. Il est donc beaucoup plus difficile à extraire. Pour cela il faut faire ce que l’on appelle une fracturation hydraulique.

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Définition

Fracturation hydraulique :

La fracturation hydraulique est le procédé au cours duquel on injecte dans une roche de l’eau sous pression et quelques additifs afin d’en récupérer le gaz de schiste.

On peut voir sur ce schéma la différence entre un forage conventionnel de gaz naturel et la fracturation hydraulique nécessaire à l’extraction du gaz de schiste.

Fracturation hydraulique pour le gaz de schiste et forage de gaz conventionnel pour le gaz naturel

Le kérogène une fois récupéré doit être chauffé à 500°C dans une cuve privée d’oxygène afin d’être transformé en pétrole. Il peut également être brûlé sans transformation préalable pour dégager de l’énergie.

Aujourd’hui en France, la fracturation hydraulique est sujette à de nombreuses controverses, car elle est jugée trop risquée pour l’environnement. En effet, il y a des répercussions à différents niveaux :

  • Les puits utilisés pour la fracturation hydraulique traversent souvent des nappes phréatiques. Aux États-Unis, cela a engendré de nombreuses pollutions de ces nappes ;
  • Cette technique nécessite une quantité très importante d’eau qu’il faut ensuite traiter ;
  • Une partie du gaz de schiste s’échappe dans l’atmosphère, ce qui entraîne une pollution atmosphérique ;
  • Enfin, le paysage est énormément modifié et bétonné pour les besoins de transport et d’exploitation, ce qui entraîne une augmentation de l’imperméabilité des sols, imperméabilité responsable entre autres d’une augmentation accrue d’inondations.

La fracturation hydraulique est aujourd’hui interdite en France mais certains y voient une solution miracle au problème de raréfaction du pétrole.

Conclusion :

Le modèle de la tectonique des plaques a aidé à la recherche de gisements pétroliers. Il a permis de mettre en évidence que les gisements d’hydrocarbures se situent au niveau des marges passives continentales et d’expliquer le phénomène de subsidence responsable de l’enfouissement des sédiments riches en matière organique.

Aujourd’hui, alors que le pétrole se raréfie et que la consommation énergétique ne cesse d’augmenter, certains pays comme les États-Unis se tournent vers l’exploitation des gaz de schiste, reléguant au second plan les graves conséquences environnementales.