Les sables bitumineux, aussi appelés sables bitumeux ou sables d'huile, sont un mélange de bitume brut, de sable, d'argile minérale et d'eau. Plus la couche de bitume qui recouvre le sable et l’eau est épaisse, meilleure sera la qualité des sables bitumineux. Après qu’ils aient été extraits puis transformés, ils deviennent un mélange d’hydrocarbures épais. C’est un pétrole non conventionnel, car il est moins dense et plus visqueux. Il ressemble un peu au fioul résiduel provenant de la distillation du brut conventionnel, mais ne contient pas les mêmes hydrocarbures. L’exploitation des sables bitumineux se déroule en 3 étapes : l’extraction des sables bitumeux, puis l’extraction du bitume des sables, et enfin la transformation du bitume.
Les sables bitumeux sont une importante source de pétrole brut de synthèse. Ils sont essentiellement produits dans deux provinces géologiques : la région de l'Alberta au Canada qui concentre les principaux gisements, et la région le long du fleuve de l’Orénoque au Venezuela. D’autres gisements plus petits existent en Sibérie orientale, au Congo-Brazzaville et à Madagascar.
Les sables bitumineux sont très critiqués par les associations environnementales pour leur impact sur le climat, la dégradation des forêts et de la santé des populations locales. En effet, leur exploitation a pour conséquence la destruction d’écosystèmes (forêts, zones humides) et le l’émission d’agents polluants dans la nature. Par exemple, l’extraction d’un baril de pétrole issu des sables bitumineux génère plus de 190 kg de gaz à effet de serre. Malgré ces risques pour l’environnement, les sables bitumineux font l'objet d'une exploitation de plus en plus en plus intensive par les pétroliers.
