Institut Université de Technologie

Technologie en Génie Pétrolier

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COURS DE GEOLOGIE

PETROLIERE

I) INTRODUCTION A LA GEOLOGIE 1. Qu’est-ce que la géologie ?

Le mot géologie vient du grec ‘’Géo’’ qui veut dire Terre et ‘’Logos’’ qui veut dire étude ou discours. C’est la science qui étudie la Terre dans le processus de sa formation, sa composition et son évolution. Autrement dit, elle cherche à reconstituer l’histoire de la Terre depuis son origine jusqu’à nos jours par l’étude de ses différents constituants (roches et minéraux) accessibles à l’observation. Il s’agit d’une science relativement récente dont les précurseurs furent LEONARD DE VINCI et BERNARD PALLISSY au XVe et XVIe siècle. Elle a connu sa révolution au XVIIIe et XIXe siècle avec les acteurs comme DARWIN et CUVIER qui lui donnèrent une nouvelle impulsion en introduisant la notion de plutonisme mais surtout avec l’hypothèse de la DERIVE DES CONTINENTS par l’allemand ALFRED WEGNER en 1921. La géologie est subdivisée en plusieurs branches dont entre autres :

Pétrographie : description des roches

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Pétrologie : étude des roches Hydrologie : études des eaux souterraines (nappes) Géologie du pétrole : processus de formation des hydrocarbures naturels La sédimentologie : processus de formation des roches sédimentaires La géologie appliquée : met en application les connaissances géologiques au service de

l’Homme Géophysique : applique les lois de la physique dans la connaissance de la Terre Géochimie : déterminer la composition chimique de la Terre Géographie Astronomie

2. La Terre dans l’univers

La Terre est une planète qui appartient au système solaire. Elle est la seule planète habitée car elle renferme toutes les conditions nécessaires pour entretenir la vie. C’est une planète géologiquement active (volcanisme, séisme, marée).

3. Forme et Dimensions de la Terre

Forme Superficie Rayon Densité Masse

Sphérique 510 millions Km2 6370 Km 5,517 5,577.1024 Kg

II) STRUCTURE DE LA TERRE

INTRODUCTION

La structure de la Terre est constituée de plusieurs couches ou enveloppes concentriques. Ces dernières sont reparties en deux types qui sont : les enveloppes internes et externes. Pour repérer ces sismologues utilisent les phénomènes de propagation des ondes sismiques dans le sous-sol : dès que la vitesse d’une onde sismique change brutalement et de façon importante, ce qu’il y a changement de milieu. Cette méthode (sismologie) a permis par exemple de déterminer l’état de la matière à des profondeurs que l’Homme ne peut pas atteindre. Ces couches sont limitées par des surfaces de discontinuité.

I. Les couches internes de la Terre

La Terre est constituée de trois principales enveloppes qui sont de l’intérieur vers l’extérieur : le noyau, le manteau et la croûte ou écorce terrestre.

1. Le noyau

Il occupe la partie centrale de la Terre et set composé principalement des roches riches en Fer et en Nikel ; d’où son appellation de NIFE. Le noyau est divisé en deux parties distinctes :

Une partie centrale solide appelée noyau interne ou la graine Une partie externe visqueuse appelée noyau externe

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2. Le manteau

Il occupe la partie intermédiaire de la Terre. Le manteau est composé des roches riches en Silice et Magnésium ; d’où son appellation SIMA. Tout comme le noyau, il est aussi subdivisé en deux parties :

Le manteau inférieur qui est solide Le manteau supérieur qui est visqueux

3. La croûte terrestre

Elle est composée essentiellement des roches en SI et en AL d’où SIAL avec de faibles quantités de F, Ca, Mg, K, Na… On distingue deux types de croûte terrestre :

Croûte océanique constituée des roches basaltiques, elle est peu épaisse et très dense Croûte continentale constituée des roches granitiques, elle est très épaisse et moins dense

que la croûte océanique. 4. La notion de lithosphère et d’asthénosphère

La lithosphère

La lithosphère est la couche superficielle épaisse d’environ 70 Km sous la croûte océanique et 150 Km sous la croûte continentale. Elle comprend la croûte terrestre et une partie du manteau supérieur. Elle est rigide et est la zone la mieux connue de la Terre.

L’asthénosphère

L’asthénosphère quant à elle est le substratum déformable située sous la lithosphère sur lequel se déplacent les plaques lithosphériques.

5. Les surfaces de discontinuité La discontinuité de Mohorovicic qui se trouve entre la croûte terrestre et le manteau La discontinuité de Gutembeterg La discontinuité de Lehmann

II. LES ENVELOPPES EXTERNES Hydrosphère : ensemble des eaux se trouvant à la surface de la Terre Atmosphère : c’est la couche gazeuse de la Terre épaisse d’environ 400 Km, c’est une couche

stratifiée compte tenu des différences de température provenant du chauffage.

EVENEMENTS GEOLOGIQUES

Formation d’une faille

Intrusion d’un pluton magmatique

La coulée de lave volcanique

Disparition d’une espèce animale/végétale

Séisme

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III) Les constituants de la Terre I. Généralités

La Terre est une planète rigide constituée des couches concentriques formées essentiellement des roches. Ces dernières sont constituées des minéraux. Par définition, une roche est tout matériau naturel qui entre dans la composition de la Terre. Généralement, les roches se présentent à l’état solide dans les conditions normales de pression et de température. On trouve toutefois des roches à l’état liquide : LE PETROLE. Les éléments chimiques rencontrés dans les roches fréquemment sont : l’Oxygène, le silicium, le Sodium, le Calcium, le Magnésium… Les minéraux quant à eux sont les constituants des roches. Un minéral se définit comme étant un corps solide, homogène, naturel qui a une composition chimique bien déterminée.

II. Les différentes familles des roches

On classe habituellement les roches selon leur origine. On distingue deux grandes familles de roches qui sont :

Les roches exogènes : formées à la surface (extérieur) Les roches endogènes : formées en profondeur (intérieur)

A) Les roches exogènes

Ce sont des roches ayant pris naissance à la surface de la Terre : ce sont les roches sédimentaires. Elles sont formées par dépôt et ou précipitation des sédiments et ou des éléments chimiques dans les milieux de sédimentation appelés BASSINS SEDIMENTAIRES. Les bassins sédimentaires peuvent être (océan, mer, lac, zone de dépression continentale). Le sédiment est toute particule plus ou moins grosse ou toute matière précipitée ayant subit un transport avant le dépôt. Les roches sédimentaires se forment dans les bassins sédimentaires par accumulation des particules. Les roches sédimentaires représentent environ 8% de la croûte terrestre et couvre plus de 75% de la Terre. Elles se rencontrent aussi dans les océans (bassin sédimentaire océanique) en proportion non négligeables. Les roches sédimentaires sont soit meubles (sable, gravier) soit consolidées (argile, calcaire, grès, charbon).

1. Critères de reconnaissance Elles se déposent toujours sous forme de couches ou strates horizontales ou

subhorizontales. Elles peuvent contenir des fossiles (traces ou restes des organismes). Elles sont poreuses et perméables.

2. Mécanismes de formation des roches sédimentaires

La genèse des roches sédimentaires comprend les étapes suivantes :

a) Sources des particules Particules d’origine détritique

Ce sont des particules provenant de la désagrégation ou altération des roches préexistantes. Par exemple l’altération d’un granite va donner des grains de sable (Quartz) et des argiles (Kaolinite).

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Particules d’origine chimique

Ce sont des sédiments provenant de la précipitation des éléments chimiques dissouts dans les eaux. Les roches salines ou évaporites se cristallisent après évaporation des eaux riches en Sulfate de Calcium ou en NaCl.

Particules d’origine biologique

Ce sont des particules issues de l’accumulation de débris ou des restes des êtres vivants ou des végétaux (squelette, coquille).

b) Transport et dépôts des particules

Les particules provenant de l’érosion (produit d’altération) sont transportées soit par le vent (transport éolien) soit par des eaux de ruissellement (transport hydrique) jusqu’au milieu de sédimentation où elles se déposent. Le transport des particules se fait de trois (3) sortes en fonction de la taille des particules :

Transport par roulement : grande taille (blocs, gravier) Transport par saltation : tailles moyennes (grossier et moyen) Transport par suspension et/ou dissolution : particules de taille fine ou très fine (vase

argileuse). Lors des dépôts des particules, on assiste au phénomène de granoclassement. c) La diagenèse

Cette étape correspond à la transformation des dépôts en roches plus ou moins compactes. Elle commence dès le dépôt des sédiments et correspond à :

Une expulsion des eaux interstitielles qui favorise la compaction (diagenèse précoce) Cimentation des particules entre elles par formation d’un liant (la diagenèse SS au sens

stricte). Le sable une fois compacté donne le grès argileux/calcaire.

Meubles Diagenèse

Consolidées

sable grès argileux calcaire quartzeux

Vase argileuse Argile Schiste sédimentaire

Vase carbonatée Calcaire

Après la diagenèse, des mouvements de l’écorce terrestre (orogenèse) ou des régressions marines peuvent permettre aux roches sédimentaires d’affleurer à la surface de la Terre où elles seront exposées à l’érosion.

Roches préexistantes

Diagenèse

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Mécanique

Chimique

Vent : éolien

Eau : hydrique

Continent

Océan

CYCLE DES ROCHES SEDIMENTAIRES

3. Classification des roches sédimentaires

On peut classer les roches sédimentaires

Selon leur origine (détritiques, chimiques, biologiques) Selon le milieu de sédimentation (marines, lacustres, continentales) Classification selon la composition chimique

a) Les roches silicatées

Ce sont les roches sédimentaires les plus abondantes (60 à 75%). Elles sont d’origine détritique, c'est-à-dire qu’elles résultent de l’altération d’autres roches. On rencontre parmi ces roches les argiles (silicate d’Aluminium hydraté), les grès, les schistes argileux.

b) Les roches siliceuses

Ce sont des roches formées essentiellement de la silice (15 à 20%). Elles sont très dures pour la plupart rayant le verre et l’acier. On peut citer dans ce groupe des roches d’origine détritique (grès quartzeux), biologique (radiolarite=radiolaire), chimique (silex).

c) Les roches carbonatées

Elles représentent 8 à 14% des roches sédimentaires. Ce sont des roches qu’on reconnait par effervescence à l’acide. On distingue des roches carbonatées d’origine :

Érosion

Dépôt ou sédimentation Transport

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Détritique : qui proviennent de l’altération d’autres roches calcaires préexistantes. Organique ou biologique : on peut avoir accumulation des calcaires chez les animaux. A leur

mort, il y a libération puis sédimentation de ces calcaires, ce qui donne les roches carbonatées.

Chimique : ces roches résultent de la précipitation des calcaires initialement dissouts dans l’eau sous forme de HCO3- et Ca2+.

%argile = %calcaire : Marne

%argile > %calcaire : argiles calcarifères

%argile < %calcaire : calcaire argileux ou marneux.

Aux roches calcaires, il faut adjoindre la Dolomie (CaMg) (CO3)2

d) Les roches salines ou évaporites

Ce sont des roches formées après évaporation des eaux riches en sels : gypse, Halite, la potasse, le natron…

e) Les roches carbonées

Ce sont des roches constituées par le Carbone Organique : la Houille, la Lignite, le Charbon, le Graphite, le Pétrole, le Bitume, la Tourbe.

B) Les roches endogènes

Ce sont des roches ayant pris naissance à l’intérieur de la Terre par refroidissement d’un magma. Ce dernier est un liquide visqueux à haute température (600 à 1200°C) donnant après solidification les roches magmatiques. En fonction de la durée du refroidissement du magma, on distingue deux grands types de roches magmatiques : les roches magmatiques plutoniques et les roches magmatiques volcaniques ou effusives.

1) Les roches magmatiques plutoniques

Ce sont des roches formées par un refroidissement lent d’un magma à l’intérieur de l’écorce terrestre. Elles sont caractérisées par la présence des cristaux visibles à l’œil nu : ce sont des roches holocristallines (entièrement formées de cristaux. Elles ne possèdent pas des fossiles ni des pores. La plus commune de ces roches est le granite mais on peut également rencontrer les Gabbros, les Diorites, les Syénites.

2) Les roches magmatiques volcaniques ou effusives

Ce sont des roches formées par un refroidissement rapide d’un magma. Ce dernier arrive à la surface de la Terre par le biais d’un volcan. Les roches volcaniques sont caractérisées par la présence de quelques cristaux visibles à l’œil nu noyés dans une pâte amorphe. On rencontre dans ces roches des cavités dues au dégazage du magma. On peut y trouver quelques fossiles mais généralement, ils ne résistent pas à la chaleur. Le basalte est la roche la plus commune des roches volcaniques mais on peut également trouver l’Andésite, la Rhyolite, la Trachyte.

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3) La genèse des roches magmatiques Roches plutoniques

Les roches plutoniques se cristallisent en profondeur. Leur refroidissement étant lent, des gros cristaux peuvent se former. Lorsqu’on trouve les affleurements des roches plutoniques à la surface, cela signifie que la couverture sédimentaire initialement présente qu dessus a été entièrement décapée par l’érosion.

Roches volcaniques

Elles sont mises en place par un refroidissement rapide du magma. A la faveur d’une fracture, le magma perce l’écorce terrestre et remonte à grande vitesse jusqu’à la surface. Les éruptions volcaniques sont soit explosives soit sous forme pâteuse (lave d’épanchement).

4) Classification des roches magmatiques

On peut classer les roches magmatiques selon leurs couleurs :

Roches claires : minéraux clairs sont dominants (quartz, mica blanc, felds path (Orthose, plagioclase)) riche en silicate SiO4, ce sont des roches plutoniques ou roches acides.

Roches sombres : minéraux sombres qui sont dominants (mica noir ou biotite, les amphiboles, pyroxènes, olivines, péridot) riches en Ferro-magnésium FeMg, ce sont les roches volcaniques ou roches basiques.

Selon la composition chimique :

Roches plutoniques Roches volcaniques

Granite rhyolite

Gabbro basalte

Diorite Andésite

Syénite Trachyte

C) Les roches métamorphiques 1) Définition

Ce sont des roches qui proviennent de la transformation d’autres roches sous l’effet de la pression et/ou de la température des roches sédimentaires ou magmatiques. La transformation se fait à l’état solide. Le métamorphisme se traduit par l’apparition des nouveaux minéraux (minéraux néoformés) et l’acquisition des nouvelles textures et structures au sein de la roche (structure : foliation ; schistosité).

2) Types de métamorphisme

En fonction des conditions de pression et de température, on distingue deux grands types de métamorphisme :

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Le métamorphisme général ou régional qui affecte l’ensemble des roches à l’échelle d’une région ou d’un bassin sédimentaire sur des épaisseurs très importantes. Il est localisé au niveau des chaînes de montagnes (plissement des roches) mais aussi au niveau des roches se trouvant à des grandes profondeurs (sans plissement).

Le métamorphisme de contact ou thermique qui est lié à une élévation/augmentation de la température. Il est localisé au contact des roches magmatiques plutoniques et affecte l’ensemble des roches traversées (roches encaissantes) qui sont en contact avec le pluton.

A ces deux types fondamentaux de métamorphisme, on peut citer accessoirement d’autres :

Le métamorphisme d’impact lié à la chute d’une météorite à la surface de la Terre. Le métamorphisme hydrothermal qui est lié à la circulation des eaux hydrothermales dans le

sous-sol. 3) Critères de reconnaissance des roches métamorphiques

En général :

Elles sont entièrement cristallisées et présentent des cristaux de grande taille visibles à l’œil nu.

Elles possèdent une structure en feuillet (foliation, schistosité). Elles sont compactes (sans cavité) Elles peuvent contenir des fossiles mais ces derniers sont le plus souvent déformés.

4) Genèse des roches métamorphiques

Le métamorphisme peut avoir lieu lors de l’enfouissement des roches en profondeur, à la suite des mouvements de l’écorce terrestre (collusion inter-plaques) ou bien lors de la remontée d’un magma qui va modifier les terrains qui sont autour de lui. Dans tous les cas, il y a augmentation de la température et de la pression.

III. Quelques notions de minéralogie 1) Qu’est-ce qu’un minéral

Un minéral est défini comme un corps naturel, solide, homogène ayant une composition chimique bien déterminée. Les minéraux sont les constituants des roches. En fonction du mode d’agencement des atomes à l’intérieur d’un minéral, les minéraux peuvent se présenter de deux sortes :

L’état amorphe où les atomes sont assemblés dans un désordre complet. Il est rare dans la nature car il est chimiquement instable : les minéraux amorphes sont plus sensibles à l’altération.

L’état cristallin où les atomes sont disposés selon un arrangement tridimensionnel définissant des formes géométriques bien déterminées. L’état cristallin domine parmi les minéraux. Il est reconnaissable à l’échelle microscopique ou macroscopique par des formes géologiques bien définies. Les pierres précieuses (diamant, rubis, l’émeraude, Béryl, Corindon) sont des exemples de cristaux.

2) Quelques notions de cristallographie

Les cristaux sont définis par un agencement périodique de leurs atomes. Ces atomes peuvent être liés entres eux par divers types de liaisons : conique, covalente, métallique et celle de Vandel Waals.

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3) Critères de reconnaissance des minéraux

Les minéraux peuvent être différenciés par les critères suivants :

la couleur et l’éclat : on différencie les minéraux clairs (qui ne contiennent pas de Fe ni de Mg), des minéraux foncés (riches en Fe et en Mg). L’éclat est l’aspect du minéral face à la lumière.

NB : la couleur n’est pas souvent un bon critère pour différencier un minéral, car elle peut varier notamment en raison d’impuretés. Elle se fait au niveau des cassures fraîches.

La dureté : qui est la résistance d’un minéral à la destruction mécanique de sa structure. En pratique, un minéral est plus dur qu’un autre s’il le raye.

La densité : c’est le poids du minéral divisé par son volume. Par exemple la densité du quartz est de 2,65, celle de la calcite est 2,71, celle de l’olivine est 4,39.

Le clivage et la cassure. 4) Les grandes familles des minéraux

Les silicates

Les silicates sont caractérisés par la présence du Si. Celui-ci se trouve au milieu d’un tétraèdre et est entouré de quatre atomes d’oxygène pour former des groupements [SiO4]4-. Cette famille des minéraux est particulièrement importante au niveau de la croûte terrestre, environ 93%. Les silicates sont classés selon la façon dont s’agencent les tétraèdres [SiO4]4-. On distingue dans cette famille :

Les nésosilicates : les tétraèdres sont isolés les uns des autres (olivine). Les sorosilicates : les tétraèdres sont groupés par paire (émeraude, béryl). Les inosilicates : les tétraèdres sont en chaîne (simple, pyroxène ou double, amphibole). Les phyllosilicates : les tétraèdres sont groupés en feuillet (argileux) Les tectosilicates : les tétraèdres sont en ruban (quartz), Mg2, SiO4 Les carbonates (4à5%)

L’élément de base des carbonates est le groupement anionique [CO3]2- qui peut se combiner avec un cation divalent parmi les suivants : Ca2+, Mg2+, Mn2+, Fe2+.

Le plus abondant des carbonates est la calcite CaCO3 et la dolomite CaMg (CO3)2.

IV) La stratigraphie Le mot stratigraphie vient du latin stratum qui veut dire couverture et du grec graphein qui veut dire écrire, donc c’est la science qui étudie la succession de dépôts (organisés en strates ou couches) dans un bassin sédimentaire.

Une strate est une couche de sédiments accumulés pendant une phase de sédimentation. On peut l’identifier par ses différences (lithologiques, couleur, son âge, son contenu fossilifère) avec les couches adjacentes.

I) Objectif de la stratigraphie

La stratigraphie a pou objectif l’établissement d’une chronologie relative pour la détermination :

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De la succession temporelle des strates ainsi que des évènements géologiques qui se sont déroulés ;

De la répartition géographique des strates (paléontographie) ; De leur lithologie et de leur contenu paléontologique.

L’ensemble de tous ces caractères permet de reconstituer l’histoire des dépôts en termes d’environnement et âge de dépôt.

II) Les principes de la stratigraphie 1) Le principe de superposition

<<Une couche sédimentaire est plus récente que celle qu’elle recouvre>>. Autrement dit, dans un bassin sédimentaire, les couches les plus basses sont les plus anciennes et les plus hautes sont les plus récentes.

NB : attention aux terrains plissés (couches renversées). Pour éviter cet inconvénient, on cherche des critères de polarité des dépôts qui sont :

Granoclassement La position de vie des végétaux

2) Le principe de continuité

<<Une couche sédimentaire (limitée par un toit et un plancher) est de même âge en tous ces points>>. Autrement dit, une couche a le même âge sur toute son étendue.

NB : attention aux variations latérales de la lithologie.

3) Le principe d’identité paléontologique

<<Deux couches ou deux séries de couches de même contenu paléontologique ont le même âge>>.

NB : attention à certains fossiles ayant une grande extension dan le temps.

4) Le principe d’horizontalité

Selon ce principe, les couches sédimentaires sont déposées à l’origine horizontalement. Une séquence sédimentaire qui n’est pas en position horizontale aurait subit des déformations ultérieurement à son dépôt.

5) Le principe de recoupement

Selon ce principe, les couches sont plus anciennes que les failles et les plutons qui les recoupent.

6) Le principe d’inclusion

Selon ce principe, les fragments de roches inclus dans une autre couche sont plus anciens que la couche qui les contient.

III) Les méthodes de datation 1) La chronologie relative

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Elle consiste à positionner les couches et autres évènements géologiques dans le temps les uns par rapport aux autres par utilisation des principes de la stratigraphie. Une couche ou strate se reconnaît par :

Sa lithologie : on parle de la lithostratigraphie dans laquelle on précise toujours : La nature de la roche Granulométrie (taille des grains (très grossiers, grossiers, moyens, fins, très fins), forme des

grains (arrondis par eau, anguleux par le vent ou subanguleux)) Nature : ciment ou matrice (siliceuse, calcaire, argileux ; argilo-calcaire) La couleur de la roche : rougeâtre (milieu continental, roche oxydée) ; sombre (milieu

aquatique, roche réduite). son contenu paléontologique : on parle de biostratigraphie

On différencie les strates à partir de leur contenu paléontologique.

Son âge : on parle de chronostratigraphie

En chronostratigraphie, on différencie les roches à travers leurs âges.

2) La chronologie absolue

Elle est basée sur diverses méthodes parmi lesquelles la radiochronologie est la plus rependue ; celle ci est l’étude des éléments radioactifs et de leurs produits de désintégration. Elle est fondée sur la propriété pour chaque élément radioactif de se transformer spontanément en un autre élément d’une façon caractéristique et constante. Les méthodes radiométriques les plus utilisées sont :

Uranium 235 / Plomb 207

Rubidium / Strontium

Potassium / Argon

Strontium / Plomb

Carbone 14

Âge Eres Périodes

2 millions d’années Quaternaire Holocène

Pleistocène

65 millions d’années Tertiaire ou Cenozoîque Néogène

Paléogène

250 millions d’années Secondaire ou mésozoîque Crétacé

Trias

Jurassique

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600 millions d’années Primaire ou paléozoïque Permien Silurien Carbonifère Ordovicien Cambrien

Rhéologie d’une roche: son comportement intrinsèque face à une contrainte

IV) Notions de la tectonique et de la géologie structurale

1) Généralités Le terme tectonique désigne la science de la Terre qui étudie les déformations des roches en relation avec les mouvements et les forces qui les ont créées.

La géologie structurale quant à elle se consacre essentiellement à l’étude géométrique des structures des roches indépendamment des forces qui les ont créées. Selon l’échelle d’étude, la tectonique étudie :

La déformation à l’échelle de l’affleurement ou de l’échantillon. La formation de chaînes de montagne (Aïr, le Hoggar, l’Adar des Ifôras). La formation des bassins sédimentaires.

a) Qu’est ce qu’une structure géologique ?

Une structure géologique se définit comme un agencement ou un arrangement des matériaux (roches et minéraux) à l’intérieur des grands ensembles géologiques. Il existe deux sortes de structures géologiques : les structures primaires et les structures secondaires.

Les structures primaires sont les structures acquises par les roches pendant leurs dépôts (stratification, granoclassement) ou pendant leurs mises en place. Autrement dit, elles se développent au moment de la formation de la roche.

Les structures secondaires sont toute structure acquise par les roches postérieurement à leurs dépôts ou leurs mises en place (plissement, faille, schistosité, foliation). Toute fois, il existe des structures secondaires (faille et plis) qui sont contemporaines.

2) Les déformations des roches

Les matériaux de l’écorce terrestre se déforment lorsqu’ils sont soumis à des contraintes (effort mécanique). Cette déformation se fait principalement de deux manières :

Soit elle se fait d’une manière cassante ; Soit elle se fait d’une manière souple.

Lorsque la déformation engendre des fractures, on parle de déformations cassantes, rupturelles ou discontinues.

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Lorsque la déformation n’engendre pas des fractures, on parle de déformation simple, non cassante, continue, ductile ou plicative. La déformation est fonction de :

La rhéologie de la roche, c'est-à-dire son comportement intrinsèque face à une contrainte, Conditions externes (température, pression, degré de saturation en eau)

3) Origine des forces responsables de la déformation des roches

Deux types de forces interviennent pour déformer la croûte terrestre :

Les forces liées aux mouvements des plaques lithosphériques : qui sont horizontales et s’appliquent aux limites des plaques, on parle de forces aux limites. Elles peuvent être compressives ou extensives.

Les forces de volume résultant de l’instabilité gravitaire due aux effets combinés de la poussée d’Archimède exercée sur les racines profondes des chaînes de montagnes et du poids de relief.

4) Réponse des roches face aux contraintes

Le comportement d’un matériau soumis à une contrainte (la rhéologie) dépend de ses caractéristiques intrinsèques et des conditions physiques externes telles la pression lithostatique, la température, le degré de saturation.

A) La formation cassante

Les déformations cassantes naturelles peuvent être regroupées en deux catégories :

a) Les failles et les joints de cisaillement

Une faille est une fracture des matériaux de l’écorce terrestre suivant lequel un déplacement s’est produit. L’ordre de grandeur de déplacement ou rejet varie considérablement. L’expression joints de cisaillement est employée souvent pour désigner les failles pour lesquelles le déplacement est en général faible.

Rejet

Compartiment supérieur

Compartiment inférieur faille

b) Fentes de tension ou diaclase

Ce sont des fractures qui ne montrent pas des traces de déplacement.

B) La déformation simple

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La déformation est dite souple ou continue lorsque deux points en contact dans l’état initial restent toujours en contact dans l’état final. Autrement dit, c’est une déformation qui n’entraîne pas de ruptures. Elle se manifeste le plus souvent sous forme de plis. Un pis correspond à une déformation en courbe d’une surface élémentaire initialement plane sous l’effet des contraintes.

Initialement état final

La géologie Pétrolière Introduction

La géologie pétrolière est une branche de la géologie qui s’intéresse à l’étude du processus de formation, de migration, de piégeage et d’accumulation du pétrole naturel dans le sous-sol. Son objectif principal est de reconstituer les cadres paléogéographiques du bassin sédimentaire en vue d’en déterminer la potentialité à générer du pétrole. Autrement dit, elle cherche à déterminer comment sont repartis les sédiments dans les bassins sédimentaires (notion de stratigraphie) et plus précisément ceux qui sont riches en matière organique potentielle (notion d’environnement et période de dépôt) ainsi que ceux qui sont poreux et perméables. Toutes ces informations contribuent à déterminer les zones d’intérêts pétroliers où toutes les conditions sont réunies pour permettre la formation des gisements économiquement exploitables. Le pétrole est un mélange naturel composé essentiellement d’hydrocarbures. Il se forme dans le sous-sol à l’intérieur de certaines roches sédimentaires à granulométrie fine (généralement les roches argileuses) par transformation de la matière organique qui s’y est incorporée au moment des dépôts. La composition élémentaire du pétrole est très variable. Elle est fonction du type de la matière organique et des conditions physico-chimiques.

C H S O N

80 à 90 % 10 à 14 % 0 à 3 % 0 à 2 % 0 à 1 %

I) Généralités sur les combustibles fossiles

Lorsqu’on parle des combustibles fossiles, on fait référence aux substances énergétiques telles que le pétrole, le charbon, le bois, l’uranium.

1) La production de la matière organique

La production de la matière organique aussi bien sur le continent que dans les océans dérive d’un processus photosynthétique qui transforme l’énergie solaire en énergie chimique. L’incorporation et

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la préservation de cette matière organique dans les sédiments va dépendre des conditions environnementales du dépôt.

Sous les milieux oxiques

En présence de l’oxygène, la majorité de la matière organique produite par photosynthèse est décomposée en CO2 par les microorganismes. Seulement une fraction limitée (0,1 – 1%) est incorporée dans les sédiments.

Sous les conditions anoxiques

Plus de 10% de la matière organique produite est incorporée dans les sédiments. De plus, cette matière organique contient une forte proportion des composants riches en hydrogène dérivant des lipides. L’incorporation de la matière organique est facilitée par la présence des sédiments à grains fins (argiles, les silts) issus d’une sédimentation lente. La matière organique, une fois piégée et enfouit dans les sédiments va commencer à se transformer, on parle alors de KEROGENE.

En fonction de leurs origines, on distingue trois grands types :

Le kérogène de type I

Formé dans un environnement lacustre par accumulation de la matière organique d’origine algueuse. Il est caractérisé par un rapport H/C très élevé et O/C très faible. (Green Shale river dans ANITA aux USA)

Le kérogène de type II

La majorité de la matière organique est constituées des matières organiques planctoniques, marines. Il est caractérisé par un rapport H/C plus bas et O/C plus élevé que le type I. (Toarcien du bassin parisien)

Le kérogène de type III

Il est composé de particules ligno-cellulosiques provenant des végétaux supérieurs plus ou moins concentrés dans les sédiments. Il est caractérisé par un rapport H/C faible et un O/C élevé. (Formation Mahekan en Indonésie)

2) Evolution de la matière organique

Elle se fait en trois principales étapes :

La diagenèse : l’évolution diagénétique correspond à un début de la décomposition de la matière organique. Elle commence d’abord par une perte de la quasi-totalité de l’azote sous forme de NH3 principalement par action biologique (les bactéries). Puis, suite à l’enfouissement progressif, l’oxygène est libéré par la formation de H2O, CO et CO2 et d’autres composés oxygénés. Elle se déroule à des températures inférieures à 70°C.

La catagenèse : cette seconde étape correspond à des profondeurs supérieures et à des températures de 70 à 120°C. Elle se traduit par un craquage thermique du kérogène. Les composés se scindent en molécules de plus en plus petites au fur et à mesure de l’enfouissement. L’hydrogène et le carbone sont libérés sous forme d’hydrocarbures (les

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huiles d’abord puis les gaz) : on parle de la fenêtre à huiles. C’est au cours de cette étape que le maximum de pétrole se forme.

La métagenèse : c’est l’étape ultime de la décomposition du kérogène. Elle correspond à la formation des gaz secs (CH4, H2S) par craquage du pétrole : on parle alors de la fenêtre à gaz située à partir de 3000m. de profondeur.

50°C 100°C 150°C 200°

Gradient géothermique

Diagenèse (HN3, CO,

1000m H2O, CO2)

2000m

Catagenèse (huile, gaz)

3000m

Profondeur Métagenèse : gaz secs, H2S toxique

II) Processus de formation d’un gisement de pétrole

Pour qu’un gisement de pétrole se forme, il faut qu’un certain nombre de conditions soient réunies. La découverte, la localisation précise ainsi que la vérification de toutes ces conditions relèvent des taches essentielles du géologue pétrolier.

1) La roche mère

On appelle roche mère, une roche à granulométrie fine contenant de la matière organique susceptible de générer les hydrocarbures. Les roches mères les plus courantes sont les argiles fines qui se déposent dans les milieux aquatiques profonds. Habituellement, on classe les roches mères en fonction du Carbone Organique Total (COT). Si COT est compris :

0,5 – 1%------ roche mère pauvre

1 – 2,5%------ roche mère moyenne

2,5 – 4%------ bonne roche mère

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> 4%------- excellente roche mère

a) Type de roche mère Roche mère potentielle : c’est une roche qui a la possibilité de générer le pétrole en

quantité commerciale mais n’a pas pu du fait des conditions thermiques insuffisantes ; Roche mère limitée : elle a la qualité d’une roche mère mais sans le volume ; Roche mère consumée ou épuisée : elle a fini le processus de génération ou de formation et

d’expulsion du pétrole et du gaz ; Roche mère active : roche en phase de génération du pétrole ; Roche mère inactive : roche mère active en amont, mais suite à certaines conditions

tectoniques. 2) La migration primaire

Après sa formation, le pétrole doit être expulsé hors de la roche mère (moins poreuse et plastique) pour s’accumuler dans une roche réservoir plus poreuse et perméable. Le pétrole ainsi formé sera expulsé en fonction du degré de la saturation de la roche mère. Cette expulsion dépend aussi de la richesse de la matière organique initiale. La migration primaire est causée par les mouvements de l’eau qui transforme l’huile hors des sédiments compactés.

3) La migration secondaire

C’est le déplacement du pétrole au sein du réservoir jusqu’à un obstacle qui va le piéger. Elle peut se faire sur plusieurs centaines de Km. Le pétrole, une fois piégé va s’accumuler en quantité importante pour former un gisement.

4) La roche réservoir ou roche magasin

La roche réservoir doit être poreuse et perméable aux hydrocarbures.

La porosité est l’ensemble des espaces vides à l’intérieur d’une roche.

La perméabilité est la qualité de connexions d’une roche. Les réservoirs sont dominés par les roches sédimentaires (grès, sable). Les calcaires sont aussi d’excellents réservoirs compte tenu de leur degré de fissuration et des pores de dissolution qu’elle renferme.

Cependant toute roche magmatique ou métamorphique fortement fracturée peut servir de réservoir au pétrole.

5) La roche couverture ‘’cap rock’’

Après leur génération et leur migration vers le réservoir, on doit disposer d’une roche couverture afin d’empêcher les hydrocarbures de migrer vers la surface. Ce type de roche doit être une roche imperméable. Au nombre de ces roches, on peut citer les sels, les anhydrites (CaSO4) les argiles…

A défaut d’une roche couverture efficace ou à la faveur de la tectonique (faille), le pétrole peut s‘échapper du réservoir vers la surface : on parle alors de la migration tertiaire ou dismigration.

6) Les pièges

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La présence d’une roche couverture au toit du réservoir n’est pas suffisante pour permettre une accumulation en un gisement d’hydrocarbures. Il faut aussi un dispositif géométrique particulier appelé piège ou trap qui favorise l’arrêt de la migration.

Un piège est alors une structure géologique qui permet aux hydrocarbures de s’accumuler et d’être préserver dans un intervalle de temps. Les pièges potentiels du pétrole sont d’origine tectonique ou sédimentaire :

Les pièges sédimentaires (pièges stratigraphiques) Les pièges liés à la tectonique (pièges structuraux)

Les failles Les anticlinaux

Détecter, localiser, évaluer un piège est un objectif important de l’exploration pétrolière. Les techniques 3D sont de nos jours des puissants outils pour la localisation des pièges à pétrole.

Processus de formation du pétrole

Roche Couverture Calcaire

Roche réservoir Grès

Roche mère Argile

Roche réservoir Grès

Exploration pétrolière 1) Campagne pétrolière

Elle débute habituellement par une analyse critique des travaux antérieurs et des données géologiques existants qu’ils soient pétroliers ou non. Cette analyse a trois (3) objectifs :

Déterminer dans la région si toutes les conditions géologiques sont favorables (présence d’un bassin sédimentaire),

Déterminer dans le bassin, un secteur où les conditions sont particulièrement bonnes, Etablir un programme de travaux complémentaires destiné à contrôler les hypothèses que

les travaux antérieurs ont permis de formuler.

A ce stade, on effectue une première estimation économique encore imprécise mais qui a l’intérêt de déterminer le volume minimal de pétrole à découvrir pour que l’opération soit rentable compte tenu des conditions géographiques locales et des conditions économiques générales.

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Une équipe de géologues de terrain fait alors une reconnaissance des surfaces (levé géologique au marteau), choisit et étudie les principaux affleurements afin d’y évaluer la probabilité des évènements élémentaires conduisant à l’existence des gisements de pétrole de taille suffisante dans le sous-sol.

Des échantillons de roche sont collectés afin de confirmer ou d’infirmer par des examens aux laboratoires, les observations faites sur le terrain.

La recherche des pièges structuraux nécessite un levé cartographique parfois très long. Dans les régions arides à faible couverture végétale, un examen des photographies aériennes fait gagner un temps précieux.

L’observation des roches affleurantes n’est pas toujours possible. C’est le cas de certaines régions couvertes de sables éoliens (NIGER) ou de forêts mais aussi sous la mer où la présence d’une tranche d’eau empêche l’observation directe des roches par les méthodes géologiques ordinaires.

D’autre part, les études géologiques de surface ne renseignent pas sur la géométrie des couches dans le sous-sol. On utilise alors les méthodes géophysiques qui permettent de mesurer à partir de la surface, les caractéristiques physiques des roches traduisant l’existence des anomalies dans le sous-sol. Dans le cas du pétrole, ce sont les méthodes sismiques qui fournissent les informations les plus utiles pour la recherche des pièges structuraux. Plus lourdes mais beaucoup lus précises, ces méthodes donnent généralement des informations de détails.

L’interprétation des données géophysiques conduit à une représentation de la structure des couches dans le sous-sol. Traduites en terme géologique, elles permettent de localiser les zones d’accumulation du pétrole (pièges).

A l’issue des études géophysiques, un certain nombre de points clés sont alors choisis pour y implanter des sondages (forages) d’exploration. Ces derniers représentent les meilleurs moyens pour découvrir le pétrole. L’exécution d’un forage est constamment suivie par une équipe de géologues de chantier qui étudient les déblais et les prélèvements des roches (carottes) et font exécuter les mesures physiques (diagraphies) complétant ainsi l’information sur le roches traversées.

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