Sédiments riches en matière organique. © James St. John, Flickr
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Matière organique : comprendre sa sédimentation et sa préservation

Question/RéponseClassé sous :Géologie , matière organique , combustibles fossiles
 

Comprendre la sédimentation de la matière organique et sa préservation est essentiel en raison de l'intérêt économique que représente ce composant. Les dépôts de matières organiques représentent en effet la base des combustibles fossiles (charbon et pétrole). Mais la matière organique est particulièrement fragile et se dégrade facilement. Sa conservation et sa transformation potentielle en combustible nécessitent donc des conditions particulières. Au cours de l'histoire de la Terre, certaines périodes et certains lieux ont cependant été plus propices à sa préservation.

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La matière organique est fabriquée par les êtres vivants (végétaux, animaux, micro-organismes...). Sa composition chimique s'articule autour du carbone (C), de l'oxygène (O) et de l'hydrogène (H). Elle est principalement créée par le processus de photosynthèse. À partir de la lumière, de l'eau et du CO2, s'obtiennent ainsi, par des séries de réactions chimiques, des composants organiques.

La matière organique : un composant difficile à préserver

Si la production annuelle de matière organique (on parle de productivité primaire) est très importante (entre 3 et 15.1010 tonnes), la quasi-totalité est très rapidement recyclée et à peine 1 % de cette production est finalement incorporée aux sédiments. Ce recyclage fait partie du cycle biologique, essentiel à la chaîne alimentaire. Le 1 % passant à travers les mailles de ce cycle va, quant à lui, se retrouver piégé dans les sédiments où il peut être préservé, suivant les conditions du milieu. Ces sédiments enrichis en matière organique peuvent ainsi représenter des roches-mères du pétrole. L'enfouissement et l'augmentation de la température (processus de diagenèse) va faire évoluer la matière organique piégée vers un mélange constitué d'un résidu carboné (constitué d'atomes de carbone) et de molécules telles que CH4 (méthane), CO2, H2O, N2 (diazote), H2S (sulfure d'hydrogène). Vont également se former les pétroles et les gaz naturels qui sont des sous-produits de ces transformations chimiques, mais également le charbon.  

Affleurement d’un niveau de charbon bitumineux (littoral de Nouvelle-Écosse) © Rygel, M.C., Wikimedia Commons, CC by-sa 3.0

Le recyclage de la matière organique dans le cycle biologique a principalement lieu dans les océans, entre la surface et 100 mètres de profondeur. Au-delà, la matière organique est décomposée par des processus physico-chimiques et biologiques, notamment par l'oxydation. En arrivant sur le fond, une part importante de la matière organique résiduelle sera encore détruite, au sein même des sédiments, par les organismes vivants qui y sont présent (processus de bioturbation). 

La conservation de la matière organique est donc difficile car elle se dégrade facilement en présence d'oxygène. La réaction d'oxydation peut se faire directement ou grâce à des micro-organismes. La préservation de la matière organique continentale, en contact avec l'air, est donc bien plus difficile que pour la matière organique marine.

Facteurs favorisant la conservation de la matière organique

La production primaire est naturellement importante pour la conservation de la matière organique : plus la production de matière organique sera importante, plus la quantité déposée et conservée dans les sédiments sera également importante. La production primaire va dépendre de plusieurs facteurs : climatiques (température et lumière), mais également environnementaux (teneur en CO2 et en nutriments du milieu). Les zones avec beaucoup de nutriments comme les estuaires ou les plateformes continentales, sont ainsi des régions où la productivité planctonique est particulièrement importante.

La forte productivité de matière organique (plancton) engendre une forte consommation de l’oxygène libre dans l’eau par le processus d’oxydation. Il en résulte la création d’une zone d’oxygène minimum qui va s’élever plus la productivité primaire est forte. © Francis Chan, John A. Barth, Kristy J. Kroeker, Jane Lubchenco and Bruce A. Menge. Modified from Gewin (2010) by Moni Kovacs., Wikimedia Commons, CC by-sa 4.0

Un autre facteur favorisant la préservation de la matière organique est l'anoxie du milieu, c'est-à-dire que le milieu présente une faible quantité d'oxygène. Il est intéressant de voir qu'une forte production primaire entraîne le développement de conditions anoxiques, créant dans l'océan une tranche d'eau nommée « Zone d'Oxygène Minimum ». La réaction d'oxydation de la matière organique arrivant en grande quantité fait en effet diminuer la teneur en oxygène libre dans l'eau. Les sédiments se déposant dans cette zone présenteront ainsi des conditions anoxiques favorables à la préservation de la matière organique.

Des périodes particulièrement favorables dans l’histoire de la Terre

Notons que la distribution des niveaux riches en matière organique n'est pas homogène au cours du temps dans les séries sédimentaires. Certaines périodes semblent avoir été particulièrement favorables à la préservation de la matière organique et à la formation de roches-mères. Ces périodes sont caractérisées par des conditions climatiques favorables à une forte production de matière organique et par un ralentissement de la circulation océanique.

Ces conditions ont ainsi mené au développement vertical de la zone à oxygène minimum dans les océans, créant des environnements largement anoxiques. On parle d'Événements océaniques anoxiques (Oceanic Anoxic Events, OAE). Plusieurs événements de ce type ont eu lieu au cours de l'histoire géologique, notamment au Toarcien (180 Ma), au Kimmeridgien (150 Ma), au Valanginien (138 Ma), à l'Aptien (120 Ma), à l'Albien (110 Ma), à la limite Cénomanien/Turonien (93 Ma) et Paléocène/Éocène (55 Ma). Les niveaux sédimentaires très riches en matière organique formés durant ces périodes d'anoxie des océans, sont pour la plupart, devenu des roches-mères de pétrole, d'où l'importance de leur compréhension dans le cadre économique actuel.

Schistes riches en matières organiques, exploités pour le gaz de schiste © Michael C. Rygel, Wikimedia Commons, CC by-sa 3.0
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