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16.3 : Combustibles fossiles - Géosciences


Combustibles fossiles sont des sources extractibles d'énergie stockée créées par d'anciens écosystèmes. Cette énergie a été formée à l'origine par photosynthèse par des organismes vivants tels que les plantes, le phytoplancton, les algues et les cyanobactéries. Parfois, cela est connu sous le nom d'énergie solaire fossile car l'énergie du soleil dans le passé a été convertie en énergie chimique dans un combustible fossile. Bien entendu, au fur et à mesure que l'énergie est utilisée, tout comme la respiration de la photosynthèse qui se produit aujourd'hui, le carbone peut pénétrer dans l'atmosphère, entraînant des conséquences climatiques (voir chapitre 15). Les combustibles fossiles représentent une grande partie de l'énergie utilisée dans le monde.

La conversion d'organismes vivants en hydrocarbures combustibles fossiles est un processus complexe. À mesure que les organismes meurent, la décomposition est entravée, généralement en raison d'un enfouissement rapide, et l'énergie chimique contenue dans les tissus des organismes est ajoutée aux matériaux géologiques environnants. Une productivité plus élevée dans l'environnement ancien conduit à un potentiel plus élevé d'accumulation de combustibles fossiles, et il existe des preuves d'une biomasse et d'une productivité mondiales plus élevées au cours du temps géologique [8]. Le manque d'oxygène et des températures modérées semblent favoriser la conservation de ces substances organiques [9; dix]. La chaleur et la pression qui sont appliquées après l'enfouissement peuvent également provoquer une transformation en matériaux de meilleure qualité (charbon brun en anthracite, pétrole en gaz) et/ou la migration de matériaux mobiles [11].

Pétrole et gaz

Petroleum, avec le composant liquide communément appelé huile et composant de gaz appelé gaz naturel (principalement composé de méthane), est principalement dérivé de dépôts sédimentaires marins peu profonds riches en matières organiques [12]. Au fur et à mesure que la roche (qui est généralement du schiste, du mudstone ou du calcaire) se lithifie, le pétrole et le gaz s'échappent du Roche mère en raison de l'augmentation de la pression et de la température, et migrent vers une unité rocheuse différente plus haut dans la colonne rocheuse. Semblable à la discussion sur les bons aquifères au chapitre 11, si la roche est du grès, du calcaire ou une autre roche poreuse et perméable, alors cette roche peut agir comme un réservoir pour le pétrole et le gaz.

UNE prendre au piège est une combinaison d'une structure géologique souterraine et d'une couche imperméable qui aide à bloquer le mouvement du pétrole et du gaz et le concentre pour une extraction humaine ultérieure [13; 14]. Le développement d'un piège pourrait être le résultat de nombreuses situations géologiques différentes. Les exemples courants incluent une structure anticlinale ou en dôme, un dôme de sel imperméable ou un bloc stratigraphique limité par une faille (roche poreuse à côté de roche non poreuse). Les différents pièges ont un point commun : ils mettent en commun les combustibles fossiles fluides dans une configuration dans laquelle l'extraction est plus susceptible d'être rentable. Le pétrole ou le gaz dans les strates à l'extérieur d'un piège rend l'extraction moins viable.

Une branche de la géologie qui est née du désir de comprendre comment le changement du niveau de la mer crée des boues, des carbonates et des sables marins peu profonds et riches en matières organiques à proximité les uns des autres s'appelle stratigraphie séquentielle [15]. Un environnement côtier typique a des plages à côté des lagons à côté des récifs coralliens. Des couches de sables de plage, de boues lagunaires et de récifs coralliens s'accumulent dans les sédiments qui forment des grès, de bonnes roches réservoirs, à côté des mudstones à côté des calcaires, deux roches mères potentielles. Au fur et à mesure que le niveau de la mer monte ou descend, l'emplacement du rivage change et l'emplacement des sables, des boues et des récifs avec lui. Cela place des roches productrices de pétrole et de gaz (comme les mudstones et les calcaires) à côté des réservoirs de pétrole et de gaz (grès et certains calcaires). Comprendre l'interaction de la lithologie et de la profondeur de l'océan peut être très important pour trouver de nouvelles ressources pétrolières, car l'utilisation de la stratigraphie séquentielle comme modèle peut permettre de faire des prédictions sur l'emplacement des roches mères et des réservoirs.

Sables bitumineux

Le pétrole et le gaz conventionnels (pompés à partir d'un réservoir) ne sont pas le seul moyen d'obtenir des hydrocarbures. Les quelques sections suivantes sont connues comme des sources de pétrole non conventionnelles, bien qu'elles deviennent de plus en plus importantes à mesure que les sources conventionnelles se raréfient. Sables bitumineux, ou sables bitumineux, sont des grès qui contiennent des produits pétroliers très visqueux (comme le goudron), et ne peuvent donc pas être forés et pompés du sol, contrairement au pétrole conventionnel. Le combustible fossile en question est le bitume, qui ne peut être pompé comme fluide qu'à de très faibles taux de récupération et uniquement lorsqu'il est chauffé ou mélangé à des solvants. Ainsi, des injections de vapeur et de solvants, ou l'extraction directe des sables bitumineux pour un traitement ultérieur peuvent être utilisées pour extraire le goudron des sables. L'Alberta, au Canada, est connue pour avoir les plus grandes réserves de sables bitumineux au monde [16].

Noter

Une ressource énergétique devient non rentable une fois que le coût total de son extraction dépasse le revenu qui est obtenu de la vente de la matière extraite

Schiste bitumineux

Schiste bitumineux (ou pétrole de réservoir étanche) est une roche sédimentaire à grain fin qui contient une quantité importante de pétrole ou de gaz naturel. Le schiste est une source courante de combustibles fossiles à haute porosité, mais sa perméabilité est très faible. Pour extraire le pétrole, le matériau doit être extrait et chauffé, ce qui, comme les sables bitumineux, est coûteux et a généralement un impact négatif sur l'environnement [17].

Fractionnement

Un autre procédé utilisé pour extraire le pétrole et le gaz du schiste et d'autres ressources étanches non conventionnelles est appelé fracturation hydraulique, mieux connu comme fractionnement [18]. Dans cette méthode, des injections à haute pression d'eau, de grains de sable et de produits chimiques ajoutés sont pompées sous terre, créant et maintenant des fractures ouvertes dans les roches, ce qui facilite la libération des fluides difficiles d'accès, principalement du gaz naturel. Ceci est plus utile dans les sédiments plus serrés, en particulier le schiste, qui a une porosité élevée pour stocker les hydrocarbures mais une faible perméabilité pour transmettre les hydrocarbures. La fracturation est devenue controversée en raison du potentiel de contamination des eaux souterraines [19] et de la sismicité induite [20] et représente un équilibre entre les préoccupations du public et la valeur énergétique.

Charbon

Charbon est le produit de marécages fossilisés [21], bien que certains gisements de charbon plus anciens qui précèdent les plantes terrestres soient présumés provenir d'accumulations d'algues [22]. Il s'agit principalement de carbone, d'hydrogène, d'azote, de soufre et d'oxygène, avec des quantités mineures d'autres éléments [23]. Au fur et à mesure que cette matière végétale s'incorpore aux sédiments, elle subit une série de changements dus à la chaleur et à la pression qui concentrent le carbone fixé, la partie combustible du charbon. En ce sens, plus le charbon subit de chaleur et de pression, plus sa valeur de combustible est élevée et plus le charbon est souhaitable. La séquence générale d'un marais se transformant en différentes étapes de charbon est :

Marais => Tourbe => Lignite => Sub-bitumineux => Bitumineux => Anthracite => Graphite.

Au fur et à mesure que les matériaux marécageux s'accumulent sur le sol du marais, ils se transforment en tourbe. Au fur et à mesure de la lithification, la tourbe se transforme en lignite. Avec l'augmentation de la chaleur et de la pression, le lignite se transforme en charbon sous-bitumineux, en charbon bitumineux, puis, dans un processus comme le métamorphisme, en anthracite. L'anthracite est le charbon de qualité métamorphique le plus élevé et le plus recherché car il fournit le rendement énergétique le plus élevé. Avec encore plus de chaleur et de pression chassant tous les volatiles et laissant du carbone pur, l'anthracite peut se transformer en graphite.

Le charbon est utilisé par l'homme depuis au moins 6000 ans [23], principalement comme source de combustible. Les ressources en charbon du Pays de Galles sont souvent citées comme la principale raison de l'essor de la Grande-Bretagne (et plus tard des États-Unis) dans la révolution industrielle [24; 25 ; 26]. Selon l'Energy Information Administration des États-Unis, la production de charbon aux États-Unis a diminué en raison des prix moins élevés de la concurrence pour les sources d'énergie et de la reconnaissance de ses impacts environnementaux négatifs, notamment l'augmentation des particules très fines, des gaz à effet de serre [27], de l'acide la pluie [28] et la pollution par les métaux lourds [29]. Vu de ce point de vue, l'industrie charbonnière a peu de chances de se relancer.

Les références

8. Tappan, H. & Loeblich, A. R. Implications géobiologiques de l'évolution du phytoplancton fossile et de la distribution spatio-temporelle. Documents spéciaux de la Geological Society of America 127, 247–340 (1970).

9. Gordon, M., Jr, Tracey, J.I., Jr & Ellis, M.W. Géologie de la région de la bauxite de l'Arkansas. (1958).

10. Demaison, G. J. & Moore, G. T. Environnements anoxiques et genèse du lit de source de pétrole. Org. Géochimie. 2, 9–31 (1980).

11. Tissot, B. Effets sur les roches mères de pétrole prolifiques et les principaux gisements de charbon causés par les changements du niveau de la mer. La nature 277, 463–465 (1979).

12. Pratt, W.E. Le pétrole dans la terre. (University of Kansas Press, 1942).

13. Orton, E. Le calcaire de Trenton comme source de pétrole et de gaz inflammable dans l'Ohio et l'Indiana. (U.S. Government Printing Office, 1889).

14. Dott, R. H. & Reynolds, M. Sourcebook pour la géologie pétrolière. (1969).

15. Vail, P. et al. Stratigraphie sismique et changements globaux du niveau de la mer. Stratigraphie sismique-applications à l'exploration des hydrocarbures, édité par Payton, CE, Tulsa, American Association of Petroleum Geologists Memoir 26, 49–212 (1977).

16. Bauquis, P.-R. Quel avenir pour le pétrole extra-lourd et le bitume : le cas de l'Orénoque. dans 13, 18 (1998).

17. Youngquist, W. Huile de schiste - L'énergie insaisissable. Newsletter du Centre Hubbert 4, (1998).

18. Gandossi, L. Un aperçu de la fracturation hydraulique et d'autres technologies de stimulation de formation pour la production de gaz de schiste. EUR. Commission Jt. Rés. Cent. Technologie. Rapports (2013).

19. Brown, V. Problèmes de l'industrie : Mettre la chaleur sur le gaz. Environ. Point de vue sur la santé. 115, A76 (2007).

20. Kim, W.-Y. Sismicité induite associée à l'injection de fluide dans un puits profond à Youngstown, Ohio. J. Géophys. [Terre solide] 118, 3506–3518 (2013).

21. Taylor, E.L., Taylor, T.N. & Krings, M. Paléobotanique : La biologie et l'évolution des plantes fossiles. (Elsevier Science, 2009).

22. Mancuso, J. & Seavoy, R. Charbon précambrien ou anthraxolite ; une source de graphite dans les schistes et gneiss à haute teneur. Écon. Géol. 76, 951–954 (1981).

23. Blander, M., Sinha, S., Pelton, A. & Eriksson, G. Calculs de l'influence des additifs sur les dépôts de combustion du charbon. Laboratoire national d'Argonne, Lemont, Illinois 315 (2011).

24. Belloc, H. L'État servile. (T.N. Foulis, 1913).

25. McKenzie, H. & Moore, B. Origines sociales de la dictature et de la démocratie. (1970).

26. Wrigley, E.A. Continuité, hasard et changement : le caractère de la révolution industrielle en Angleterre. (Cambridge University Press, 1990).

27. Quéré, C.L. et al. Le budget carbone mondial 1959--2011. Données scientifiques du système terrestre 5, 165–185 (2013).

28. Barrie, L. & Hoff, R. M. Le taux d'oxydation et le temps de résidence du dioxyde de soufre dans l'atmosphère arctique. Atmos. Environ. 18, 2711–2722 (1984).

29. Crutzen, P. & Lelieveld, J. Impacts humains sur la chimie atmosphérique. Annu. Rév. Planète Terre. Sci. 29, 17–45 (2001).


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