Les combustibles fossiles : une histoire de longue date

Le pétrole, le gaz naturel et le charbon sont des combustibles fossiles. Combustibles, parce qu’ils peuvent être brulés. Fossiles, parce qu’ils sont la trace d’organismes ayant vécu sur Terre il y a très longtemps.

Ce qui leur permet de bruler aussi bien est leur composition en carbone (C). Sur Terre, le carbone est beaucoup plus abondant dans les organismes vivants. Les sucres, les gras, les protéines et même l’ADN sont des molécules du vivant qui comptent beaucoup d’atomes de carbone dans leur structure. La masse d’un corps humain est constituée d’environ 18,5 % de carbone. Dans l’ensemble du vivant (soit la biosphère), c’est plus autour de 20 % de la biomasse sur Terre. (La biomasse, c'est la masse formée par tous les organismes vivants.) En comparaison, dans la roche de la croûte terrestre, le carbone compte pour moins de 1 % de la masse.** L’air que nous respirons, quant à lui, est composé de seulement 0,04 % de gaz carbonique (principal gaz avec du carbone dans l’atmosphère). Les organismes vivants concentrent donc le carbone de la planète. Une fois mort, le carbone pourra servir de source pour former les combustibles fossiles.

D’ailleurs, saviez-vous que certains composés du pétrole brut sont des formes dérivées de molécules que l’on retrouve juste dans les organismes vivants comme la chlorophylle et le cholestérol?****

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Formation du pétrole et du gaz naturel

C’est principalement les organismes aquatiques morts qui fournissent la matière organique qui devient des combustibles fossiles. Mais pourquoi? C’est parce qu’ils s’accumulent dans les sédiments des fonds marins, où les conditions sont propices pour la transformation qui doit avoir lieu.  

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Dans des conditions aérobiques, donc en présence d’oxygène, les organismes vivants qui s’en nourrissent peuvent la décomposer en totalité. Mais, ce sont les organismes décomposeurs qui vivent sans oxygène qui nous fourniront les ingrédients dont nous avons besoin. Enfouie dans les sédiments du fond marin (et à l’abri de l’oxygène), la matière organique sera exposée à des microorganismes qui chercheront surtout à prendre l’azote (N) et l’oxygène (O) des molécules organiques laissant derrière eux le carbone (C) et l’hydrogène (H), soit la base des hydrocarbures!

Par le cycle naturel des roches, les sédiments s’enfouissent et entraînent ces résidus de matière organique de plus en plus profondément sous terre. Cela finit par les emprisonner dans la roche sédimentaire. Plus la roche descend dans la croûte terrestre, plus elle sera soumise à une pression et une température élevée.***** Les résidus organiques piégés, riches en carbone et en hydrogène, vont progressivement se transformer. Selon la profondeur (qui n’est pas encore suffisante pour métamorphoser la roche), cela donnera des composés différents.

• En atteignant plus de 2 km de profondeur, la température et la pression permettent de créer du pétrole. On peut y retrouver différents types de pétroles. Les molécules qui les composent sont plutôt grosses. En plus du pétrole, il y a aussi un peu de gaz naturel qui se forme.
• Rendu à plus de 3 km de profondeur, du pétrole peut encore se former. Toutefois, il y a beaucoup plus de gaz naturel. Plus les résidus organiques descendent, plus ils sont transformés en composés de petite taille. Le gaz naturel est composé de molécules simples et plus petites que le pétrole. L’un des principaux gaz naturels est le méthane (CH₄).
• Passé 4 km de profondeur, il ne se crée que du gaz naturel. La température et la pression sont trop élevées pour former du pétrole.

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Cela se passe très, très, très lentement. Il faut se souvenir que le processus décrit, qui mène à la création de pétrole, prend entre 20 et 350 millions d’années. Puisque ce processus dépend du cycle des roches, il n’est pas étonnant que le temps écoulé soit à l’échelle géologique de la Terre, plutôt qu’à l’échelle d’une vie animale.

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Formation du charbon (dit de terre, pas de bois)

Pour avoir du charbon, il faut aussi que de la matière organique morte se retrouve dans un endroit pauvre en oxygène, puis que les résidus de sa décomposition soient soumis à une pression et une température plus élevées. Le charbon se retrouve dans de la roche sédimentaire. À vrai dire, le charbon lui-même est roche sédimentaire, mais combustible en raison de sa forte concentration en carbone (C). Il prend plus de 300 millions d’années à se former et son origine est uniquement de source végétale, comme des débris de plantes.

Le charbon provient principalement de la période géologique du Carbonifère******. À cette période, la végétation était abondante et de grande taille. Il y avait aussi beaucoup de tourbières. Lorsque les plantes mouraient, beaucoup d’entre elles se retrouvaient immergées dans l’eau des tourbières (et d’autres milieux humides). Cette matière organique s’accumulait ainsi avec les sédiments dans un milieu avec peu d’oxygène.

Toutefois, un autre élément de l’histoire du vivant devait être réuni pour rendre le tout possible. L’absence de microorganismes capables de dégrader la lignine, une molécule présente que dans les plantes (comme la cellulose). La lignine a émergé dans l’évolution du règne végétal, car elle offrait l’avantage aux plantes d’être plus rigides, ce qui est plutôt pratique pour les très grands végétaux de cette période (ainsi que pour les arbres actuels). La présence de la lignine a rendu la décomposition des végétaux beaucoup plus difficile, laissant davantage de résidus organiques prêts à être transformés en charbon. La formation de charbon a arrêté à la fin du Carbonifère, en même temps que l’apparition de champignons capables de digérer la lignine!

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En brulant les combustibles fossiles, l’humain libère du carbone sous forme de gaz carbonique dans l’atmosphère, du carbone qui était bien tranquillement enfoui sous terre depuis des centaines de millions d’années. En utilisant ce type d’énergie, l’humain perturbe le climat de la planète en ajoutant des GES supplémentaires dans l’atmosphère. De plus, l’humain choisit une ressource qui prend énormément de temps à se former. Par conséquent, ses quantités sont limitées. On parle d’énergie non renouvelable à l’échelle humaine.

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NOTES

* « Les combustibles fossiles représentent actuellement 80 % de la demande énergétique primaire dans le monde et le système énergétique est la source d’environ deux tiers des émissions mondiales de CO₂. », Le rôle des combustibles fossiles dans un système énergétique | Nations Unies

** Environ 75 % de la masse de la croute terrestre est composé de seulement 2 éléments atomiques : l’oxygène (O) à 47 % et le silicium (Si) à 28 %.

*** « Il y a 4,3 milliards d’années, le CO₂ constituait 25 % de l’air, alors que l’oxygène n’était présent qu’à l’état de traces. », Tout sur le carbone| Université Laval

**** Preuves de l’origine organique des pétroles | Encyclopædia Universalis

***** La température à des profondeurs de 2 à 3 km dans le sol atteint entre 60 °C et 120 °C. Sous 3 km, c’est donc plus que 120 °C. Passé 4 km, c’est plus de 150 °C. Formation du pétrole | Connaissance des énergies

****** Le mot Carbonifère fait justement référence au carbone provenant de cette période qui remonte à entre –360 et –300 millions d’années (approximativement). C’est aussi à cette période que l’on retrouvait des invertébrés et des amphibiens de très grande taille.

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Par Philippe, coordonnateur des activités dans Charlevoix

Sources images : Brancwp, Connaissance des énergies, Daniel Foster‍