Origine biologique du pétrole : les preuves

Publié par Encyclopédie Environnement, le 16 juillet 2020   570

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Le pétrole ou ses dérivés, comme les bitumes, ont été utilisés par l’Homme depuis des temps très anciens : on connait d’ailleurs une hache en pierre du Néolithique qui était emmanchée avec un bitume comme ‘colle’. L’usage le plus connu des bitumes dans l’Antiquité est celui du calfatage des bateaux afin de les rendre étanches. L’origine du pétrole est restée longtemps mystérieuse. C’est à la Renaissance qu’émergent deux hypothèses contradictoires sur l’origine du pétrole.

 

D’où vient l’huile de pierre ?

La première mention du mot pétrole, du latin petra oleum (huile de pierre) apparait en 1546 dans l’ouvrage de Georgius Agricola De Natura eorum quae Efflunnt ex Terra dans lequel l’auteur propose que les bitumes soient la condensation de vapeurs soufrées. Quelques années plus tard, en 1597, Andreas Libavius théorise dans son ouvrage Alchemia que le bitume se forme à partir de la résine d’anciens arbres. Depuis, un long débat scientifique s’est poursuivi entre les tenants d’une origine abiotique du pétrole et ceux qui y voient un produit dérivant de la transformation de matières organiques fossilisées. A l’opposé, l’origine biologique des charbons n’a jamais été contestée parce que les restes de plantes fossiles qu’ils contiennent en apportent une preuve indéniable.  

En 1757, le savant russe Mikhaïl Lomonossov formule l’hypothèse selon laquelle le pétrole et le bitume tireraient leur origine de détritus végétaux transformés dans le sous-sol sous l’effet de la température et de la pression. Cette hypothèse est rejetée au début du 19e siècle par des scientifiques de premier plan tels que le géologue et chimiste allemand Alexander von Humboldt ou le thermodynamicien français Louis Joseph Gay-Lussac. Tous deux font du pétrole un composé primordial de la Terre remontant des grandes profondeurs à la faveur d’éruption à froid.  

La démonstration récente de la présence d’hydrocarbures sur les planètes gazeuses où la vie n’est pas censée avoir prospéré, montre bien que des processus abiotiques conduisent à la formation de molécules hydrocarbonées simples. C’est le cas sur Titan, une des lunes de Saturne, riche en méthane et éthane. Sur Terre, du méthane est formé au cours de l’altération des roches volcaniques du manteau terrestre (réaction dite de Sabatier) et des hydrocarbures formés lors du refroidissement du magma par assemblage d’unités CH2 (réactions de type Fischer-Tropsch).

Si l’on ne peut nier que des processus n’impliquant pas le vivant conduisent à la formation d’hydrocarbures, ces mécanismes peuvent difficilement rendre compte de la quantité, de la diversité et de la localisation des gisements pétroliers sur Terre. L’idée que le pétrole tire son origine de la matière organique sédimentaire, c’est-à-dire d’organismes qui ont été vivants, est largement démontrée par les observations naturelles, les analyses de laboratoire et les expériences.


Les preuves par les observations naturelles

Les gisements pétroliers au cœur des bassins sédimentaires. Comme le montre la figure 1, plus de 99% des réserves pétrolières mondiales sont localisées dans des bassins sédimentaires, c’est-à-dire dans les sédiments déposés au fond d’anciennes mers ou d’anciens lacs où la vie était présente comme en témoignent les fossiles minéralisés.

 

Figure 1. Carte géologique simplifiée du Monde montrant les principaux domaines de socles granitiques ou métamorphiques, de chaînes de montagne, de provinces volcaniques et les bassins sédimentaires. Les zones rouges en surimpression correspondent aux grandes provinces pétrolières qui sont pratiquement toutes localisées dans des bassins sédimentaires. [Source : © Encyclopédie de l’Environnement]


Les preuves par la déviation de la lumière. De nombreux composés biologiques sont optiquement actifs, c’est-à-dire qu’ils dévient un faisceau lumineux les traversant vers la droite ou vers la gauche quand on fait face à la lumière. On qualifie respectivement ces composés de dextrogyres ou de lévogyres. Pratiquement tous les acides aminés dans les organismes vivants sont lévogyres. Les composés abiotiques ne présentent pas ce pouvoir rotatoire de la lumière. Ils sont optiquement inactifs car ils possèdent en égale proportion des isomères lévogyres et dextrogyres d’un composé chiral. La Vie a tendance à sélectionner préférentiellement un isomère plutôt que l’autre, d’où cette propriété optique des composés biologiques. Or le pétrole est le plus souvent actif optiquement, suggérant une origine biologique.


Les preuves géochimiques

Les isotopes du carbone. Le carbone possède deux isotopes stables naturels : 12C et 13C. La matière organique formée lors de la photosynthèse à partir du CO2 atmosphérique ou de HCO3 dissous dans l’eau est très appauvrie en 13C car les plantes fixent préférentiellement le 12C. Dans la plupart des plantes cet appauvrissement est de l’ordre de 0,02% (ce que l’on note aussi δ13C = – 20 ‰) par rapport au carbone inorganique source. La plus grande proportion de 12C par rapport au 13C dans les molécules pétrolières, ce que l’on appelle la signature isotopique, est donc en faveur de leur origine biologique puisque la vie sélectionne l’isotope léger (appauvrissement en 13C) dans les mêmes proportions (Figure 2).   


Figure 2. Gamme de variation du rapport isotopique 12C/13C de différents matériaux terrestres. Le CO2 de l’eau de mer est pris comme référence ; les valeurs négatives correspondent à un appauvrissement en 13C qui est ici exprimé en ‰. Corg : Carbone organique. [Source : Encyclopédie de l’Environnement]


Les pétroles contiennent des biomarqueurs. La chlorophylle, pigment majoritaire des plantes vertes dans lesquelles elle assure l’absorption d’une partie de l’énergie solaire rendant possible la photosynthèse, comprend deux parties (Figure 3) : une « tête » polaire (soluble dans l’eau) formée de quatre noyaux pyrrole, entourant symétriquement un atome de magnésium, et une « queue » de phytol : longue chaîne alcool comprenant 20 atomes de carbone qui est apolaire (soluble dans les lipides).  

Après la mort de la plante, la molécule de chlorophylle se scinde en deux et chaque partie évolue différemment selon les conditions du milieu de sédimentation. Le noyau tétrapyrrolique se ré-organise partiellement pour donner une molécule appelée porphyrine. Il existe des dizaines de types de porphyrines et ce sont des molécules ubiquistes dans les pétroles, ce qui est une preuve indubitable de leur origine biologique.


Figure 3. Structure chimique de la chlorophylle constituée d’un noyau tétrapyrrolique et d’une chaine latérale phytol.


Depuis cette découverte, on ne compte plus le nombre de molécules mises en évidence dans les pétroles et qui dérivent d’une molécule synthétisée par les organismes vivants, voire lui sont strictement identiques, qu’ils soient procaryotes ou eucaryotes. Ces molécules, appelées biomarqueurs, constituent de véritables fossiles géochimiques car elles ont une structure très proche de biomolécules du vivant.

La signature chimique des pétroles marins co-évolue avec la diversification du phytoplancton. Parmi les biomarqueurs, les stéranes sont une classe importante. Ces molécules dérivent des stérols qui jouent, chez les plantes et les animaux, un rôle dans le maintien de l’intégrité structurale et fonctionnelle des membranes cellulaires. De très nombreux stéranes à 27, 28, 29, voire 30 atomes de carbone sont ainsi identifiés dans les pétroles bruts.

A la fin des années 80, des géochimistes de la société Shell ont analysé plus de 400 pétroles bruts générés par des roches marines âgées de 650 à 45 millions d’années et ils en ont extrait et identifié les différents types de stéranes puis les ont regroupés par nombre croissant d’atome de carbone. Il s’avère que la proportion de stéranes à 28 atomes de carbone augmente au cours des temps géologiques alors que diminue la proportion des stéranes à 29 atomes de carbone ; celle des stéranes à 27 atomes de carbone restant quasiment stable (Figure 4).

 

Figure 4. Comparaison de la distribution des plus importants groupes du phytoplancton au cours des derniers 600 millions d’années et du rapport entre les stéranes à 28 et 29 atomes de carbone trouvés dans des pétroles issus de roches mères marines [Source : Encyclopédie de l’Environnement].


Pour ces géochimistes, ces changements sont à mettre en relation avec la diversification du phytoplancton qui s’est nettement accélérée au cours du Jurassique et du Crétacé, soit entre 180 et 65 millions d’années. Les stéranes à 28 atomes de carbone seraient associés à l’apparition et la diversification dans les océans de ces époques de micro-algues comme les dinoflagellés, les coccolithophoridés (à l’origine de la craie) et les diatomées (Figure 4).

Cette évolution de la signature chimique des pétroles marins, en parallèle de à celle du phytoplancton, suggère évidemment une relation de cause à effet et apporte un élément en faveur de l’origine biologique des pétroles. D’une manière générale, les roches mères pétrolières contiennent majoritairement une matière organique qui dérive de biomasses phytoplanctoniques marines ou lacustres, plus ou moins modifiées par des bactéries. Il est remarquable de constater que certaines stratégies de développement de biocarburants reposent sur l’utilisation des microalgues.

 

Les preuves par l’expérimentation

Avec le développement des techniques analytiques dans la seconde moitié du 20e siècle, il a été possible de reconstituer en laboratoire les conditions de température et de pression existant en profondeur dans les bassins sédimentaires. Il est même possible de réaliser ces expériences en présence d’eau, molécule si abondante dans les roches terrestres. Les produits obtenus lors de ces expériences sont physiquement et chimiquement très comparables aux pétroles naturels. Lorsqu’ils sont analysés du point de vue de leur composition moléculaire, la similitude est frappante entre les molécules présentes dans le pétrole naturel et celles issus du chauffage du kérogène, aussi bien en termes de nature que d’abondance des molécules. Elles sont si ressemblantes que les géochimistes considèrent ces distributions moléculaires un peu comme une empreinte digitale ou de l’ADN et s’en servent pour relier génétiquement un pétrole naturel à sa roche mère.

 

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Ce billet se base sur deux articles de l’Encyclopédie de l’Environnement :


   



Ce travail a été réalisé grâce au soutien financier d'UGA Éditions dans le cadre du programme "Investissement d'avenir", et de la Région Auvergne Rhône-Alpes.