Origine et devenir de la matière organique des roches

enseignement scientifique

niveau première - thème 2 : Le Soleil, notre source d'énergie

 Une conversion biologique de l'énergie solaire : la photosynthèse

niveau terminale - thème 1 : Science, climat et société

 L'atmosphère terrestre et la vie

Introduction

Présentation d’une ancienne mine à ciel ouvert possédant des strates de roches riches en matière organique. L'exemple utilisé ici est celui du site de la Découverte de Decazeville (dans l'Aveyron).

Diversification des supports avec un ensemble d’échantillons de roches contenant une quantité relativement importante de matière organique : tourbe, charbons, pétrole, schistes / argilite / calcaire bitumineux, boghead (charbon d'algues), etc.

• La couleur sombre de/dans ces roches est un des points communs de ce groupe lithologique. Poser les questions : Quelles sont les caractéristiques de ces roches ? Des roches aussi anciennes peuvent-elles être constituées d’une autre matière que minérale ? Amener au fait qu'elles se caractérisent notamment par une richesse plus ou moins importante en matière organique.
• Attention aux présupposés : la couleur noire est souvent le fait de sulfures de fer dans les roches riches en carbone organique.

• Mentionner l’importance économique de l’exploitation de ces roches et les utilisations diverses qui en sont faites telles que les carburants, l’électricité, la pétrochimie, l’industrie pharmaceutique, etc. Ces roches sont exploitées en grande quantité depuis la révolution industrielle avec le charbon puis le pétrole et n’ont jamais été autant exploitées à l’heure actuelle. Aujourd'hui, elles ont toujours une importance capitale pour le fonctionnement économique de nos sociétés et dans la vie quotidienne.

• Ces roches sont des combustibles fossiles qui se sont formés à partir du carbone des êtres vivants, il y a plusieurs dizaines à plusieurs centaines de millions d’années. Ils ne se renouvellent pas suffisamment vite pour que les stocks se reconstituent : ces ressources en énergie sont dites non renouvelables.

Problématique : Comment de la matière organique parvient-elle à être intégrée à la lithosphère ? D’où provient cette matière organique et comment évolue-t-elle au cours du temps et des processus géologiques ?

I. La matière organique des roches provient d’organismes vivants

D’où provient la matière organique dans les roches ?

1. L’origine de la matière organique des roches

Ressources : échantillons de charbons avec des traces de végétaux fossilisés, échantillon de tourbe permettant l'observation à la loupe binoculaire, lame mince de charbons avec nodules végétaux et lame mince de coupe transversale de tige, fronde de fougère, application internet LibMol afin de visualiser des modèles moléculaires de chlorophylle et de phytane (constituant de pétrole), échantillon de pétrole.

1a. Des traces d'organismes vivants à l'échelle macroscopique

1b. Des traces d'organismes vivants à l'échelle microscopique

Photo 13. Tissu végétal présumé observé au microscope optique à partir d’un échantillon de tourbe (x100).	Photo 14. Détail des cellules reliques (x400)	Photo 15. Fibres de bois présumées dans un échantillon de lignite au microscope optique (x100)	Photo 16. Fragment de tissu végétal issu d'un échantillon de houille au microscope optique (x400)

1c. Des traces de végétaux à l’échelle moléculaire

La structure moléculaire des molécule peut être identifiée au moyen de la spectroscopie de résonance magnétique nucléaire (RMN) qui sonde la structure moléculaire en faisant interagir l'aimantation naturelle des noyaux avec un champ magnétique. Le visualiseur moléculaire LibMol permet d'afficher un modèle de la structure de molécules.

Fig 17. Chlorophylle A avec extrémité phytol et anneau porphyrine (modèle moléculaire LibMol).	Fig 18. Molécule de phytane. Présence dans le pétrole (modèle moléculaire LibMol).

Le phytane est utilisé comme marqueur biologique dans les pétroles où son abondance relative est souvent interprétée comme le résultat d'une dégradation du groupement phytol de la chlorophylle dans un milieu réducteur.

Bilan 1 : Ces roches sont constituées, pour partie, de restes végétaux ou de leur empreinte.

Comment la matière organique est-elle produite ? Quel métabolisme génère la matière organique à partir de matière minérale ?

2. La formation de la matière organique végétale par photosynthèse

Bilan 2 :

•  Le CO₂ est un réactif et le O₂ un produit de cette réaction chimique et possiblement néfaste pour les structures vivantes du fait de son caractère oxydant ;
• la présence de lumière est indispensable en tant que source d’énergie fondamentale ;
• le CO₂ est la source du carbone de la matière organique et celle mise en évidence ici est l'amidon ;
• le glucose est le monomère de l’amidon (élément fondamental de la structure moléculaire de cet homopolymère) dont la formule chimique est utilisée dans l'équation-bilan de la photosynthèse ;
• L’eau est oxydée et le CO₂ réduit. Il s’agit « globalement » d’une oxydo-réduction.

6CO₂ +12 H₂O --> C₆H₁₂O₆ + 6O₂ + 6H₂O (avec lumière) 

La photosynthèse est un type de métabolisme parmi d'autres et la notion d'autotrophie - c'est à dire la propriété d'un être vivant qui fabrique de la matière organique à partir de matière minérale et d'énergie - inclue d'autres types de métabolismes. Par exemple, les variantes métaboliques de photo-litho-autotrophie et de chimio-litho-autotrophie caractérisent les bactéries et archaebactéries des milieux hostiles qui utilisent des composés chimiques minéraux comme source d’énergie (tableau 1).

Tableau 1. Les divers types trophiques avec les organismes concernés (Biologie tout-en-un BCPST 2e année - 2e éd, Peycru)

II. La préservation et l'enfouissement de la matière organique dans des contextes environnementaux et géologiques particuliers 

Comment la matière organique des organismes vivants morts évolue-elle à la surface terrestre ?

1. L'assimilation et la minéralisation de la matière organique dans des réseaux trophiques

► Photographie 19 d'un sol brun forestier sur un massif de granite (Belin, seconde, 2010).

► Fig 20. Expérience d'ExAO mettant en évidence la respiration des vivants de la litière sur le sol (Belin, seconde, 2010).

Bilan 3 : L'observation d’une coupe de sol forestier met en évidence qu'il est formé d'une succession de couches parallèles à la surface : les horizons. Il repose sur une roche appelée roche mère. La litière est l'ensemble des feuilles mortes et des débris végétaux et autres vivants en décomposition sur le sol. Une portion de litière « respire », donc elle contient un écosystème de bactéries, d'animaux et champignons qui réalisent un métabolisme de dégradation de la matière organique et la transforme peu à peu en humus. La matière organique s’accumule au sol, est dégradée et finit par réintégrer le sol sous la forme de matière minérale.

La matière organique est assimilée par des réseaux trophiques de décomposeurs et détritivores. Elle finit généralement par être minéralisée à la surface terrestre en milieu aérien et dans l’eau par le métabolisme respiratoire en aérobiose puis par des processus de dénitrification, de méthanogenèse, de fermentation et de sulfato-réduction en anaérobiose (Fig. 21).

Comment la matière organique parvient-elle à être conservée et soustraite à l’action des décomposeurs ?

2. La préservation et l'enfouissement de la matière organique dans des couches sédimentaires

2.a. L’absence de dioxygène permet de préserver la matière organique

Fig 22. Carte de la productivité primaire de matière organique dans l'océan global (Baudin, Tribovillard, Trichet, 2017)	Fig. 23. Carte de la répartition des teneurs en carbone organique (% COT) des sédiments marins superficiels (Seiter et al., 2004)

Bilan 4 : Les sédiments à forte teneur en carbone organique (% COT) ne correspondent pas toujours aux zones à forte productivité primaire car une productivité importante est également souvent associée à une forte dégradation de la matière organique.

Plusieurs facteurs contribuent à la conservation de la matière organique:

1. une production très importante et/ou une dégradation peu importante due à une faible teneur en dioxygène de l’eau par exemple (milieu dysoxique voire anoxique).
2. Il existe aussi une corrélation positive entre l'épaisseur de sédiments accumulés par unité de temps et la teneur en carbone organique des sédiments marins (Fig. 24). Donc, la concentration en matière organique dans les sédiments marins et lacustres est également dépendante du taux d'accumulation sédimentaire.

Ainsi, dans l'eau, les endroits de haute productivité organique correspondent à des zones d'upwelling (par exemple près des côtes du Pérou) ou à des bassins fermés (type Mer Noire, fig. 25). Sur les continents, le potentiel de fossilisation est très faible excepté dans les tourbières (~ 50% C org).

Fig. 25. La mer noire, un milieu euxinique. Teneur en O2 et H2S en fonction de la profondeur (d'après Chamley). Dans des mers annexes peu profondes où les échanges entre les différentes masses d'eau s'effectuent mal, il en résulte une stratification des eaux et une relative stagnation. Ce phénomène s'accompagne d'un déficit en dioxygène des eaux par destruction de la matière organique, exception faite de la première centaine de mètres. Le cas le plus caractéristique actuellement est celui de la mer Noire. Les organismes marins peuplent la zone superficielle alimentée en dioxygène par l'eau douce des fleuves, puis à leur mort, rejoignent le fond où la destruction de la matière organique consomme tout le dioxygène disponible et libère du dihydrogène sulfuré (H2S) créant un milieu particulier dit euxinique (figure et commentaire extraits de Comprendre et enseigner la planète Terre).

Comment la matière organique est-elle enfouie dans la lithosphère dans et sous des couches sédimentaires ?

2.b. Les variations du niveau marin dans le cas des bassins paraliques

Les variations du niveau marin dans le cas des bassins paraliques avec l'exemple de la genèse des strates charbonneuses du Nord Pas de Calais.

Bilan 5 : La matière organique peut provenir de la végétation d'une mangrove dans une plaine deltaïque recouverte et conservée sous des dépôts sédimentaires de type argilite / schiste puis conglomérat et grès. Une succession de phases de transgression et de régression du niveau marin expliquent la superposition des strates charbonneuses.

2.c. La subsidence permet l'enfouissement de la matière organique

L’analyse de cartes géologiques met en évidence que la présence de pétrole et ou de charbon, de restes organiques dans les roches est associée à des bassins sédimentaires.

 Cas des bassins houillers paléozoïques métropolitains

Complément : étude sédimentologique du bassin d'Autun (d'après https://media.devenirenseignant.gouv.fr/file/externe/78/4/rj2018-agregation-externe-sciences_de_la_vie_sciences_de_la_terre_univers_1050784.pdf).

Fig. 27. Photographie d'une surface polie de faciès de nature silicoclastique présents à ~322,6 m de profondeur dans la carotte CHE 1 au Nord du bassin d'Autun.

Le faciès de l’échantillon CHE 1 – 322,60 m (figure 27) montre une alternance de lits clairs et de lits sombres, ayant chacun une épaisseur d’environ 1 à 1,5 cm. Les lits clairs sont visiblement faits de l’accumulation de petits grains de la taille d’un sable fin alors que l’on ne distingue pas (ou très peu) de grains dans les lits sombres mais un litage plan parallèle assez discret (par exemple au-dessus de l’étiquette). Il pourrait s’agir de particules de la taille des silts ou plus fines (argiles ?). La couleur sombre est probablement liée à de la matière organique.

La transition entre un lit sombre et un lit clair est nette, bien marquée mais parfois irrégulière alors que la transition entre clair/sombre est plus diffuse (limite progressive). On en déduit une granodécroissance du sable depuis la base du lit qui pourrait alors correspondre à une arrivée brutale de matériel détritique dans un environnement calme où sédimentent les argiles et la matière organique. La répétition des lits conduit à envisager une sédimentation rythmique ou cyclique de type varve (si la périodicité saisonnière pouvait être prouvée) ou de type turbidite fine (figure 28 ci-dessous).

Fig. 28. Schéma explicatif des faciès silicoclastiques présents à ~322,6 m de profondeur dans la carotte CHE 1. Une sédimentation cyclique conduit à la superposition de lits clairs et sombres. 

 Cas de l'hémi-graben de la Limagne

Utilisation de la carte au 1 / 50 000ème de Clermont-Ferrand avec la coupe schématique des formations oligocènes de la Limagne. Consultation du lien sur le bitume en Limagne : http://christian.nicollet.free.fr/page/Figures/Limagne/bitume/bitume.html.

Fig. 29. Coupe schématique des formations oligocènes de l'hémi-graben de la Limagne (en bas de la carte géologique au 1 / 50 000ème de Clermont-Ferrand, BRGM). La présence de failles normales est un argument en faveur de cassures lithosphériques et d’affaissements des terrains.

Bilan 6 : Au niveau des bassins sédimentaires, la présence de failles normales (cas de l'hémi-graben de Limagne et de la dépression synclinale d'Autun) et/ou de failles décrochantes (cas du bassin en pull-apart de Saint-Etienne) traduit un amincissement de la lithophère. Cet amincissement induit l'enfouissement de la matière organique par des dépôts de sédiments. Un facteur d’enfouissement de la matière organique correspond à une subsidence générée à la faveur de phénomènes tectoniques.

Cas du bassin d'avant-pays (paralique) du Nord-Pas-de-Calais.

Le Bassin Houiller du Nord-Pas-de-Calais était un bassin d’avant-pays (ou flexural ou molassique - Bassin d'avant-chaîne : lorsque la subduction de deux plaques se poursuit par une collision continentale, l'épaississement de la plaque continentale supérieure provoque une subsidence due à la surcharge. Les apports en provenance de la chaîne en voie d'érosion sont importants et variés) localisé au front Nord de la grande chaîne varisque (Fig. 30), développée il y a environ 300 Ma et générée par une subsidence flexurale. La sédimentation correspondait donc à celle d'un ancien bassin molassique. Un extrait de la carte géologique de la France au 1/1 000 000 permet de constater un ensemble de failles longitudinales de direction principale  N-O / S-E (Fig. 31).  Les données de forages et de profils pétroliers mettent en évidence que le bassin flexural est maintenant constitué d'unités syn-tectoniques plissées faillées (Fig. 33, 34 et 35). La faille du Midi délimite un élément majeur de la géologie du Nord de la France et en Belgique : le chevauchement de l'unité de l’Allochonte Ardennais sur le Parautochtone Brabançon au nord (Fig. 31 à 35). Le bassin molassique est coincé sous ce grand chevauchement qui a accomodé environ 75 km de raccourcissement (Fig. 33 et 34) (d'après Graveleau, Averbuch, Crépin & Oudoire, 2018). Tous ces éléments mettent en évidence que l'ancien bassin flexural a subit un régime compressif très important au paléozoïque supérieur et a été recouvert, du côté français, au mésozoïque, avec la formation du bassin de Paris.

Fig. 30. Dynamique morpho-tectonique d’un front de chaîne de montagnes (adapté de Graveleau, 2008). Sédiments côtiers continentaux avec parfois des incursions marines.

Fig. 31. Extrait de la carte géologique au 1/1 000 000. La faille du Midi (avec les indentations E-O) correspond à la délimitation d'un chevauchement de direction S-N. D'autres failles ont globalement la même direction. Les formations hercyninennes sont recouvertes en France par le mésozoïque alors qu'en Belgique, le Houiller affleure dans le bassin de Mons par exemple - Visualiser la légende de la carte géologique.

Fig. 32. Contexte géologique paléozoïque du Nord - Pas de Calais. La faille du Midi et le chevauchement des unités de l’Allochonte Ardennais au sud sur le Parautochtone Brabançon au nord (d'après Graveleau, Averbuch, Crépin & Oudoire, 2018).

Fig. 33. A- localisation de la zone étudiée ; B- Coupe synthétique du Boulonnais, de la vallée de la Canche à Calais (A- et B- : extrait de Van Vliet-Lanoë, Mansy, Henriet, Laurent & Vidier, 2004 ; B- : d’après Mansy et al., 2003). Le cisaillement Nord-Artois est une zone complexe où se croisent des failles longitudinales (et des petites failles transversales à rejet vertical souvent faible). La faille la plus importante est la faille du Midi qui se prolonge vers l'est. Elle correspond à la limite septentrionale de l'unité de l’Allochonte Ardennais du paléozoïque supérieur (Hercynien) sur le massif de Londres-Brabant du paléozoïque inférieur.

Fig. 34. Diagramme en blocs schématisés du résultat du chevauchement du bloc allochtone hercynien (Bassin de Dinant et Namur) sur le parautochtone du massif du Brabant (Wouters & Van Calster, 1995; p. 30)

Fig. 35. Carte géologique de la surface paléozoïque, écorché anté-mésozoïque à gauche et légende à droite (Notice de la carte géologique au 1/50 000 de Douai). La faille du Midi correspond à la surface sur laquelle le chevauchement s'est produit et forme donc la limite septentrionale du front hercynien. Les roches qui se situent au nord et sous le front hercynien ont été écaillées sous la pression causée par le chevauchement (Bassin de Namur de la fig. 34). Toute cette zone écaillée, traversée par de multiples failles, forme le cisaillement Nord Artois.

Bilan 7 : Une subsidence flexurale bordant une chaîne de montagnes peut être la cause de l'enfouissement de matière organique dans des strates sédimentaires de bassins molassiques. Dans le cas du bassin houiller du Nord-Pas-de-Calais, initialement au bordure de la grande chaîne varisque paléozoïque, un régime compressif a ensuite faillé et déformé les dépôts sédimentaires qui ont été recouverts au mésozoïque par les formations du bassin de Paris.

  Caractériser les différents types de bassins étudiés.

Tableau 2. Exemple de classification des bassins sédimentaires (modifiée d'après Géologie, J'intègre, Dunod, 2015)

3. Les bassins houillers de France métropolitaine

Une quarantaine de bassin houillers est identifiée en France métropolitaine, listée du Nord au Sud :

Fichier kml des bassins houillers de France métropolitaine

Accompagnant les subsidences, d'autres éléments liant évolution du vivant, productivité et composition de l’atmosphère expliquent la conservation importante de la matière organique au Permo-carbonifère.

Du Dévonien au Carbonifère, la détermination de l'indice stomatique, c'est à dire le pourcentage de stomates dénombré sur la face inférieure des feuilles par rapport au nombre total de cellules épidermiques, met en évidence que le taux de CO₂ atmosphérique diminue. Plusieurs hypothèses non contradictoires expliquent cette diminution par le fonctionnement de nouveaux puits de carbone :

• l’émergence des végétaux vasculaires durant le Dévonien et leur conquête des surfaces continentales.
• l’extension et le développement des végétaux vasculaires sous climat chaud et humide au Carbonifère, propice à une forte productivité biologique à base de lignine.
• l’absence de décomposeurs majeurs favorisant une faible et lente dégradation des végétaux ligneux et conduisant à l'accumulation d'une importante biomasse.

Comment la matière organique se modifie-t-elle au cours du temps et de son enfouissement pour aboutir à la formation de combustibles fossiles tels que le charbon et le pétrole ? Comment l’enfouissement de la matière organique conduit-elle à la modifier chimiquement ?

III. Le devenir de la matière organique dans les couches géologiques

1. La modification de la matière organique au fur et à mesure de l'enfouissement

Fig. 38. Diagramme de Van krevelen situant les 3 types de matières organiques en fonction de leurs rapports atomiques H/C et O/C.	Fig. 39. Formation des hydrocarbures et évolution en fonction de l'enfouissement (modifiées d'après http://html5.ens-lyon.fr/Acces/FormaTerre/20131114/presentations/20131114_francois_baudin.pdf).

Bilan 8 : Les divers composants la matière organique piégée (biopolymères) sont minéralisés en géopolymères, le kérogène, au cours de la diagenèse précoce. Trois types de kérogènes sont distingués par les rapports atomiques H/C (2 à 0.75) et O/C (0.05 à 0.4) et en fonction d'une origine qui est soit algaire marine, algaire lacustre ou bien végétale en milieu côtier et marécageux. Les kérogènes s'enrichissent en carbone lors de l'enfouissement et, après la diagenèse précoce, ils subissent la dégradation thermique en catagenèse et une carbonisation lors de la métagenèse. Cette évolution, liée à l'enfouissement et au gradient géothermique, fait que la formation des hydrocarbures est limitée à certains domaines de pression et de température, comme par exemple la fenêtre à huile.

2. La prospection des sites géologiques pour récupérer les hydrocarbures

Cf. "le méthane : source d'énergie prometteuse ou géohasard ?"

3. L'utilisation des combustibles fossiles et l'environnement

3.1. L'effet de serre s'intensifie

Activité sur le blanchiment des coraux dû au réchauffement climatique

3.2. Des sols contiennent des traces des activités industrielles liées à l'exploitation du charbon

Activité sur les éléments chimiques dans les sols et activités humaines

Quelles sont les alternatives énergétiques à l’utilisation des combustibles fossiles ?

4. le développement des alternatives aux combustibles fossiles  : le défi énergétique d'aujourd'hui

Cf. Thématique "Energie" d'Eduterre