La formation des gisements de pétrole et de gaz

Dans les profondeurs de la Terre, pétrole et gaz méthane naissent à partir de la matière organique de plantes ou d'animaux morts. Leur genèse s'étale sur des dizaines de millions d'années et s'opère seulement dans des conditions physiques, chimiques et géographiques bien particulières.

La formation d'un gisement.
© Keblow

Où trouve-t-on
des gisements ?

Le pétrole et le gaz sont constitués de molécules composées d'atomes d'hydrogène et de carbone, les hydrocarbures.

Les gisements de pétrole et de gaz sont situés à plusieurs centaines de mètres sous la surface terrestre.

Lorsqu'elles sont exposées à l'air, ces molécules entrent en contact avec de l'oxygène et servent de nourriture aux bactéries aérobies (micro-organismes vivant dans les milieux où il y a de l'air). Cela déclenche diverses réactions chimiques : oxydés par l'oxygène, biodégradés par les bactéries qui les digèrent, les hydrocarbures se transforment en eau et en dioxyde de carbone.

De ce fait, il n'y a aucun gisement de pétrole à la surface de la Terre, zone en contact plus ou moins direct avec l'atmosphère. Pour trouver des gisements d'hydrocarbures liquides ou gazeux, il faut s'enfoncer à plusieurs centaines de mètres sous la surface terrestre.

Les gisements pétroliers et gaziers se situent sous terre jusqu'à n'importe quelle profondeur.

Faux. Au-delà de 10 kilomètres de profondeur, on ne trouve plus d'hydrocarbures : ils sont détruits à cause de l'élévation de la température qui, dans le sous-sol, augmente en moyenne de 3 °C tous les 100 mètres.

D'où viennent le pétrole et le gaz ?

Les hydrocarbures sont issus d'une transformation de la matière organique de plantes ou d'animaux morts, il y a des dizaines de millions d'années.

Quand un organisme vivant meurt à la surface de la Terre, la matière qui le compose est généralement recyclée de deux manières différentes :

   • des prédateurs, des charognards ou des bactéries s'en nourrissent ;

   • exposée à l'air ambiant, la matière restante s'oxyde : les atomes d'hydrogène et de carbone qu'elle contient se combinent avec les atomes d'oxygène présents dans l'air. Ainsi, la matière organique se change en eau (H₂O) et en gaz carbonique (CO₂) qui peuvent alimenter la croissance de nouvelles plantes.

Cependant, une infime partie de cette masse organique, de l'ordre de 0,1 %, échappe à ce destin. Transportée par les cours d'eau, cette matière se dépose parfois au fond des mers. Dans ce milieu peu oxygéné, peu agité par les courants marins, elle est en partie préservée. Elle se mêle ainsi à des matières minérales (particules d'argile ou sables très fins), mais aussi au plancton marin mort (animaux et végétaux microscopiques). Sous l'action de bactéries anaérobies (micro-organismes n'ayant pas besoin d'air pour vivre), ce mélange se transforme en boues sombres et malodorantes.

Au fil du temps, ces boues s'accumulent et durcissent. Si elles contiennent au moins 1 à 2 % de matière organique, elles peuvent se transformer en roche mère qui, à terme, donnera des gisements de pétrole et de gaz. Ce pourcentage semble faible. Toutefois, pour qu'il soit atteint, le site concerné doit présenter une ou plusieurs caractéristiques exceptionnelles :

   • un climat chaud favorisant le développement d'importantes quantités de plancton ;

   • la proximité de l'embouchure d'un grand fleuve charriant beaucoup de débris végétaux ;

   • pas de montagne à proximité pour limiter les volumes de sédiments minéraux au sein de la roche.

Néanmoins, tant que la roche mère demeure au niveau du plancher océanique, elle ne peut pas produire de pétrole.

Une genèse de plusieurs millions d'années : la sédimentation

Très lentement, la roche mère s'enfonce dans la croûte terrestre sous le poids des sédiments qui se déposent au-dessus d'elle : elle parcourt ainsi quelques mètres à quelques centaines de mètres par million d'années. Cet affaissement progressif, pouvant atteindre 8 000 mètres, porte le nom de subsidence et débouche sur la formation d'un bassin sédimentaire.
Il s'agit d'une cuvette où des couches rocheuses superposées, composées de sédiments, se sont accumulées durant des millions d'années.

En s'enfouissant dans le sol, la roche mère est soumise à des températures de plus en plus fortes. Dans le même temps, la matière organique qui la compose se retrouve écrasée par le poids des sédiments qui s'accumulent, la pression augmentant de 25 bars par 100 mètres. Ainsi, à un kilomètre sous terre, il fait déjà 50 °C pour une pression de 250 bars !
Dans ces conditions physiques, la matière organique évolue peu à peu :

   • les atomes de carbone et d'hydrogène se réorganisent et s'associent avec l'oxygène encore présent dans la roche ;

   • les atomes d'azote, de soufre et de phosphore, autres éléments essentiels du vivant, finissent par disparaître.

Ainsi, la matière organique se transforme en kérogène. Il s'agit d'un matériau intermédiaire composé d'eau, de CO₂, de carbone et d'hydrogène, qui se changera ensuite en pétrole ou en gaz. À 2 200 mètres de profondeur, lorsque la température du sous-sol atteint 100 °C, le kérogène commence à générer des hydrocarbures :

   • entre 2 200 et 3 800 mètres, il se change en pétrole. Cet intervalle de profondeur est appelé fenêtre à huile, "huile" étant ici l'autre nom du pétrole ; 

   • quand l'enfouissement de la roche mère se poursuit entre 3 800 et 5 000 mètres, la production d'hydrocarbures liquides atteint un pic. Les liquides produits deviennent de plus en plus légers et passent à l'état gazeux : ils donnent du gaz méthane, le plus léger des hydrocarbures. Cet intervalle de profondeur se nomme fenêtre à gaz.

Au bout d'un certain temps, la roche mère a épuisé tout son potentiel : elle ne produit plus aucun hydrocarbure.

La proportion de liquides et de gaz ainsi générés dépend de la nature de la roche mère :

   • si les débris organiques qui la composent sont principalement d'origine animale, elle donnera plus de pétrole que de gaz ;

   • si elle est constituée essentiellement de débris végétaux, la roche mère produira surtout du gaz.

Ainsi, avec une sédimentation moyenne de 50 mètres par million d'années, il faut 60 millions d'années pour que des animaux morts se transforment en hydrocarbures liquides, localisés aujourd'hui à 3 000 mètres de profondeur. Dès lors, on comprend mieux pourquoi le pétrole est classé parmi les énergies non renouvelables.