18جيولوجيا الفحم والنفط والغاز

لوح من السجيل الأسود أُخذ من منجم فحم قديم في بنسلفانيا يحمل أوراق نباتات شبيهة بالسرخس، مسطحة فضية اللون على الصخر الداكن. وقد نمت في مستنقع قبل أكثر من ثلاثمئة مليون سنة، في العصر الكربوني؛ ولأنها دُفنت قبل أن تتعفن، احتفظت بشكلها، وصار كربون نباتات المستنقع فحمًا. والنفط والغاز، اللذان يُضخّان اليوم من منصات في عرض البحر، لهما أصل من النوع نفسه: بقايا كائنات حية أفلتت من التحلل ثم دُفنت وسُخّنت. يتتبع هذا الفصل ذلك الكربون المدفون من المستنقع وقاع البحر إلى طبقة الفحم وحقل النفط.

ما تعرفه من قبل

الفحم والنفط والغاز الطبيعي أنواع من الوقود الأحفوري: فالنفط والغاز مزيجان من الهيدروكربونات، وهي مركبات من الكربون والهيدروجين، واحتراق الوقود الأحفوري يطلق الطاقة وثنائي أكسيد الكربون (كتب الكيمياء). والنباتات والطحالب تصنع المادة العضوية من ثنائي أكسيد الكربون والماء بالتركيب الضوئي (كتب الأحياء). والفحم والنفط والغاز تأتي من مادة عضوية دُفنت في الرواسب، وهي مخزونة في الصخور الرسوبية (الكتاب 1، الصف 9). والصخر مسامي حين تكون فيه فراغات، ونفوذ حين يستطيع الماء الجريان عبره (الكتاب 1، الصف 6). وترتفع درجة الحرارة مع العمق على امتداد المنحنى الحراري الأرضي، بمقدار 25 إلى $30{}^{\circ}\mathrm{C}$ لكل كيلومتر في الكيلومترات الأولى (الفصل 12).

18.1 حفظ المادة العضوية

معظم المادة العضوية لا يصير وقودًا أبدًا. فالورقة الميتة أو الطحلب الميت تأكله الحيوانات والبكتيريا أو يتفاعل مع أكسجين الهواء: وفي غضون أسابيع أو سنوات يكون كربونه قد عاد إلى الغلاف الجوي ثنائيَ أكسيد كربون. ولا تبقى المادة العضوية إلا حيث تُعزل عن الأكسجين — في قاع مستنقع راكد، أو على قاع بحر أو قاع بحيرة لا يحوي ماؤه أكسجينًا. وإذا دُفنت هناك تحت مزيد من الرواسب، أمكن أن تُحفظ عشرات أو مئات الملايين من السنين.

يأتي الفحم في معظمه من نباتات برية تراكمت في المستنقعات. ويأتي النفط والغاز في معظمهما من الطحالب المجهرية وغيرها من عوالق البحر: فحيث تكون المياه السطحية شديدة الإنتاجية، تتساقط العوالق الميتة على قاع البحر بسرعة تكفي لينجو بعضها من التحلل، فيُدفن في الوحل.

تعريف 18.1 (الصخر المصدر؛ الكيروجين)

الكيروجين هو المادة العضوية المبعثرة في صخر رسوبي، على هيئة جسيمات صغيرة لا تذوب في المذيبات العضوية. والصخر المصدر صخر رسوبي غني بالكيروجين، يتكوّن فيه النفط والغاز حين يُدفن ويُسخَّن.

معظم الصخور المصدر من السجيل والحجر الطيني، ترسبت أوحالًا غنية بالمادة العضوية. وقرب السطح يبقى كيروجينها صلبًا: فالبكتيريا التي تعيش دون أكسجين تحوّل بعض المادة العضوية إلى ميثان، لكن معظم ذلك الميثان يفلت عائدًا إلى السطح. وصنع النفط يحتاج إلى الحرارة، والحرارة تحتاج إلى العمق.

18.2 الدفن والنضج

تعريف 18.2 (الحوض الرسوبي)

الحوض الرسوبي منطقة من القشرة تهبط على مدى ملايين السنين، فتتراكم فيها الرواسب، وكثيرًا ما يبلغ سمكها عدة كيلومترات.

في حوض هابط، تُدفن كل طبقة أعمق فأعمق تحت الطبقات التي تتراكم فوقها. وهي إذ تنزل تتبع المنحنى الحراري الأرضي: فهي تُسخَّن. فيُطهى كيروجينها ببطء، وتنكسر جزيئاته الكبيرة إلى جزيئات النفط والغاز الأصغر.

تعريف 18.3 (النضج؛ نافذة النفط؛ نافذة الغاز)

نضج الصخر المصدر هو تحول كيروجينه إلى نفط وغاز حين يُدفن ويُسخَّن. ونافذة النفط هي مجال درجات الحرارة، من نحو 60 إلى $120{}^{\circ}\mathrm{C}$، الذي يكوّن فيه الكيروجين النفط في الغالب. وفيما وراء نحو $120{}^{\circ}\mathrm{C}$، في نافذة الغاز، يكوّن الميثان في الغالب.

لأن درجة الحرارة ترتفع مع العمق، فإن نافذة النفط هي أيضًا مجال من الأعماق. وحيث يكون المنحنى الحراري الأرضي خطًا مستقيمًا، يسهل إيجادها.

قضية 18.4 (عمق نافذة النفط)

لتكن درجة الحرارة $T_0$ عند السطح ولترتفع مع العمق $z$ بتدرج حراري أرضي ثابت $G$: $T = T_0 + G z$. عندئذ تقع نافذة النفط بين العمقين

$$z_{\text{أعلى}} = \frac{60 - T_0}{G} \qquad\text{و}\qquad z_{\text{قاعدة}} = \frac{120 - T_0}{G},$$

ودرجات الحرارة بوحدة ${}^{\circ}\mathrm{C}$. وسمكها $60/G$: فكلما كان المنحنى الحراري الأرضي أشد انحدارًا، كانت النافذة أقل عمقًا وأرق.

إذا كان السطح عند $20{}^{\circ}\mathrm{C}$ والتدرج $30{}^{\circ}\mathrm{C}$ لكل كيلومتر، فإن نافذة النفط تقع بين $40/30 \approx 1.3\,\mathrm{km}$ و$100/30 \approx 3.3\,\mathrm{km}$. وفي الآبار المحفورة في أنحاء الولايات المتحدة، يبلغ متوسط التدرج $29{}^{\circ}\mathrm{C}$ لكل كيلومتر، و$25$ في الشرق و$34$ في الغرب؛ وعادةً لا بد أن يُدفن الصخر المصدر أعمق من نحو $2\,\mathrm{km}$ قبل أن يصنع النفط. وحين لا يتوفر أي قياس للكيروجين، اعتاد جيولوجيو النفط أن يعدّوا الصخر المصدر المدفون تحت أكثر من نحو $3\,\mathrm{km}$ من الصخور الأحدث ناضجًا.

يسمى مخطط كهذا مخطط تاريخ الدفن: يجري فيه العمر من اليسار إلى اليمين نحو اليوم، والعمق نحو الأسفل. وهو يحوّل عمودًا من الصخور، مؤرخًا طبقة طبقة، إلى قصة.

طريقة 18.5 (قراءة مخطط تاريخ الدفن)

1. جد خط الصخر المصدر: إنه يبدأ عند السطح في اليوم الذي ترسب فيه الصخر.
2. ارسم أعلى نافذة النفط وقاعدتها، بوصفهما عمقين، انطلاقًا من المنحنى الحراري الأرضي (القضية 18.4).
3. اقرأ العمر الذي يقطع عنده خط الصخر المصدر أعلى النافذة: عندئذ يبدأ الصخر المصدر بصنع النفط. واقرأ العمر الذي يقطع عنده القاعدة: ومنذئذ يصنع الغاز.
4. قارن هذين العمرين بعمر المصيدة: فلا يمكن أن تحتجز المصيدة إلا النفط والغاز المتكونين بعد وجودها.

في حوض ميرو، يدخل الصخر المصدر نافذة النفط قبل نحو 117 مليون سنة ويغادرها قبل نحو 51 مليون سنة؛ ويبلغ أعمق دفن له، $4.0\,\mathrm{km}$ عند $140{}^{\circ}\mathrm{C}$، قبل 20 مليون سنة، قبل أن يرفعه النهوض والتعرية من جديد. وهو اليوم لا يزال في نافذة الغاز. ومسألة نهاية الأسبوع تحسب هذه الأعمار.

18.3 من المصدر إلى المصيدة

النفط والغاز أخف من الماء، ومسام الصخور المدفونة مملوءة بالماء. فما إن يتكوّنا حتى يُدفعا خارج الصخر المصدر ويزحفا إلى الأعلى، عبر أي صخر يسمح بمرورهما.

تعريف 18.6 (الهجرة)

الهجرة هي الحركة البطيئة للنفط والغاز خارج الصخر المصدر الذي تكوّنا فيه، صعودًا عبر صخور نفوذة، تدفعهما كثافتهما الأقل من كثافة الماء المحيط بهما.

تعريف 18.7 (الصخر الخازن؛ الصخر الحاجز)

الصخر الخازن صخر مسامي ونفوذ يتجمع فيه النفط والغاز: فمسامه تخزنهما، والوصلات بينها تسمح لهما بالجريان نحو البئر. والصخر الحاجز صخر كتيم فوق الصخر الخازن، لا يستطيع النفط والغاز عبوره.

الحجر الرملي وبعض الحجر الجيري صخور خازنة جيدة؛ والحجر الطيني والسجيل والملح صخور حاجزة جيدة. وحيث لا يعترضهما شيء، يبلغ النفط والغاز السطح، فيرشحان منه ويتأكسدان: فيعود كربونهما إلى الغلاف الجوي. ولا يتجمعان إلا حيث يكون للصخر الحاجز شكل يمنعهما من الانفلات من حوله.

تعريف 18.8 (المصيدة)

المصيدة ترتيب من الصخر الخازن والصخر الحاجز يحتجز النفط والغاز في مكانهما، فيسد طريق الصعود من كل جانب.

في المصيدة تتمايز الموائع بحسب كثافتها: الغاز في الأعلى، والنفط تحته، والماء في القاع. وأبسط المصائد الطية المحدبة، وهي قوس في الطبقات (والطيات موضوع الفصل 20). والصدوع والقباب الملحية والتغيرات في الصخور نفسها تصنع أيضًا مصائد.

مثال 18.9 (مصيدة في طية محدبة)

يرسم مسح زلزالي خريطة لسطح حجر رملي يحجزه حجر طيني. فيُظهر قوسًا تقع قمته على عمق $1800\,\mathrm{m}$ تحت السطح. وحول القمة، يقع أعمق خط تسوية لا يزال منغلقًا تمامًا على عمق $2050\,\mathrm{m}$؛ وتحته ينفتح الحجر الرملي جانبيًا. وبئر عند القمة تجد الغاز حتى $1880\,\mathrm{m}$. فما أطول عمود من النفط والغاز يمكن أن تحتجزه المصيدة، وما سمك النفط؟

الحل. يملأ النفط والغاز القوس من القمة نزولًا؛ وكل ما ينزل منهما تحت آخر خط تسوية منغلق ينسكب جانبيًا، عند نقطة الانسكاب، ويواصل هجرته. فطول العمود لا يتجاوز $2050 - 1800 = 250\,\mathrm{m}$. وإذا كانت المصيدة ممتلئة، ملأ الغاز الجزء الأعلى البالغ $1880 - 1800 = 80\,\mathrm{m}$ والنفط الجزء التالي البالغ $2050 - 1880 = 170\,\mathrm{m}$، والماء تحته.

كل قطعة من هذه القطع — صخر مصدر، وصخر خازن، وصخر حاجز، والصخور التي فوقه وتدفن الصخر المصدر، ومصيدة — ضرورية، ويجب أن تأتي بالترتيب الصحيح.

تعريف 18.10 (النظام البترولي)

النظام البترولي جسم من الصخر المصدر الناضج مع كل النفط والغاز اللذين جاءا منه، والعناصر والعمليات التي يحتاجان إليها: الصخر المصدر، والصخر الخازن، والصخر الحاجز والصخور المغطية (الصخور التي فوقه، والتي تدفن الصخر المصدر)، وتكوّن المصائد، وتولّد النفط والغاز وهجرتهما وتجمعهما.

الترتيب أهم شيء. فالمصيدة التي تتكوّن بعد أن يكون النفط قد مرّ لا تلتقط شيئًا: فمخطط تاريخ الدفن يؤرخ تولّد النفط، وتاريخ الطيات والصدوع يؤرخ المصيدة، ولا يعمل النظام البترولي إلا إذا سبقت المصيدة. ويسمي جيولوجيو النفط أيضًا الزمن الذي يُظهر على أفضل وجه التولّد والهجرة والتجمع معًا اللحظة الحرجة.

18.4 أين يتجمع النفط والغاز

أين يكتمل النظام البترولي؟ إنه يحتاج إلى حوض يهبط زمنًا طويلًا، ومياه فقيرة بالأكسجين تحفظ المادة العضوية، وصخور حاجزة. والأخاديد القارية والحواف القارية التي تتطور إليها تجمع الثلاثة كلها.

حين تبدأ قارة بالانشقاق، كما تفعل إفريقيا اليوم على امتداد أخدود شرق إفريقيا (الكتاب 1، الصف 7)، تتمطط قشرتها وتنكسر إلى كتل على امتداد صدوع عادية (الفصل 14). فيهبط بعض الكتل، ويميل بعضها الآخر، وتمتلئ المنخفضات بينها بالرواسب، وكثيرًا ما يبلغ سمكها عدة كيلومترات، وبالبحيرات، التي قد تصير أوحالها الغنية بالمادة العضوية صخورًا مصدرًا. وحين يتوقف التمطط، تبرد القشرة المرققة وتواصل الهبوط ببطء، فيواصل الحوض امتلاءه. فإذا غمر البحر بعد ذلك حوضًا لا يتصل بالمحيط إلا جزئيًا ثم تبخر، خلّف طبقات سميكة من الملح. وما إن ينفتح الأخدود محيطًا حتى تصير حافتاه حافتين خاملتين: حافتين قاريتين داخل صفيحة، بعيدًا عن أي حد بين صفيحتين، تواصلان الهبوط وتلقي الرواسب الآتية من اليابسة.

بُنيت حواف جنوب الأطلسي على هذا النحو. فقد بدأت إفريقيا وأمريكا الجنوبية بالانفصال في الترياسي المتأخر أو الجوراسي المبكر. وقبالة غرب وسط إفريقيا، امتلأت منخفضات الأخدود بعدة كيلومترات من الرواسب، منها سجيل بحيري يصل سمكه إلى $600\,\mathrm{m}$ ويحوي ما يصل إلى $20\,\%$ من الكربون العضوي كتلةً. وفي الطباشيري المبكر بدأ البحر يغمره، مرة بعد مرة، ثم يتبخر، مخلّفًا أكثر من كيلومتر من الملح؛ وحيث بقي الملح في مكانه، فإنه يحجز نفط الصخور التي تحته وغازها. وفي خليج المكسيك، صعد الملح الأخف من الرواسب المحيطة به على هيئة قباب، والطبقات المنثنية على جوانبها مصائد.

18.5 الفحم

يتكوّن الفحم على اليابسة، في الغالب في المستنقعات المجاورة للأنهار والدلتاوات، في المناخات الرطبة من المدارية إلى المعتدلة، حيث تنمو النباتات بسرعة وتسقط بقاياها في ماء راكد فقير بالأكسجين. وعلى مدى قرون إلى آلاف السنين تتراكم خثًّا. وحين يغيّر نهر مجراه، أو يرتفع البحر، تدفن الرمال والأوحال الخث؛ وإذ يُدفن أعمق، يُضغط ويُسخَّن.

تعريف 18.11 (الفحم؛ التفحّم؛ الرتبة)

الفحم صخر رسوبي مكوّن في معظمه من بقايا نباتات برية، غني بالكربون. والتفحّم هو تحول الخث إلى فحم والفحم إلى فحم أغنى، بالدفن والتسخين. ورتبة الفحم هي مدى ما بلغه التفحّم: من الليغنيت مرورًا بالفحم شبه البيتوميني والفحم البيتوميني إلى الأنثراسيت، يرتفع محتوى الكربون.

يتكوّن الليغنيت على أعماق من بضع مئات من الأمتار إلى نحو $1.5\,\mathrm{km}$، حتى نحو $50{}^{\circ}\mathrm{C}$؛ والفحم البيتوميني بين 1 و$5\,\mathrm{km}$، حتى نحو $150{}^{\circ}\mathrm{C}$؛ والأنثراسيت فيما وراء $5\,\mathrm{km}$ و$150{}^{\circ}\mathrm{C}$. وكلما ارتفعت الرتبة، شكّل الكربون حصة أكبر فأكبر من الفحم: نحو 25 إلى $35\,\%$ في الليغنيت، وحتى 86 إلى $97\,\%$ في الأنثراسيت. والميثان المتكوّن في الطريق يبقى في مسام الفحم، ولهذا قد يحوي منجم الفحم غازًا قابلًا للانفجار. ويستغرق تكوّن طبقة فحم ملايين السنين.

يفقد الخث معظم حجمه في الطريق. ففي طبقة فحم في وسط يوتا، تعطي مقارنة الخث الذي اقتطعته قناة نهرية قديمة بالفحم المفقود بجانبها نسبة بين السمكين قدرها نحو $11{:}1$: فكل متر من ذلك الفحم البيتوميني كان يومًا نحو أحد عشر مترًا من الخث.

18.6 تمارين

تمرين 18.1 ★

رتّب الخطوات التي تقود من العوالق إلى النفط في المصيدة: الهجرة؛ النضج في نافذة النفط؛ الدفن تحت رواسب أحدث؛ تستقر العوالق الميتة على قاع بحر فقير بالأكسجين؛ يتجمع النفط تحت صخر حاجز؛ تصير المادة العضوية كيروجينًا في وحل.

حل

حل التمرين 18.1.

تستقر العوالق الميتة على قاع بحر فقير بالأكسجين؛ تصير المادة العضوية كيروجينًا في وحل؛ الدفن تحت رواسب أحدث؛ النضج في نافذة النفط؛ الهجرة؛ يتجمع النفط تحت صخر حاجز.

تمرين 18.2 ★

لكل صخر، قل هل هو على الأرجح صخر مصدر أم صخر خازن أم صخر حاجز: (1) سجيل داكن غني بالمادة العضوية؛ (2) حجر رملي حسن الفرز مسامه متصلة؛ (3) طبقة من الملح؛ (4) حجر طيني بلا مادة عضوية؛ (5) حجر جيري مليء بالتجاويف المفتوحة.

حل

حل التمرين 18.2.

(1) صخر مصدر. (2) صخر خازن. (3) صخر حاجز. (4) صخر حاجز. (5) صخر خازن.

تمرين 18.3 ★

في حوض، السطح عند $10{}^{\circ}\mathrm{C}$ والتدرج الحراري الأرضي $25{}^{\circ}\mathrm{C}/\mathrm{km}$. بين أي عمقين تقع نافذة النفط؟ وما سمكها؟

حل

حل التمرين 18.3.

الأعلى: $(60 - 10)/25 = 2.0\,\mathrm{km}$؛ والقاعدة: $(120 - 10)/25 = 4.4\,\mathrm{km}$. وسمك النافذة $60/25 = 2.4\,\mathrm{km}$.

تمرين 18.4 ★

(1) رتّب الليغنيت والأنثراسيت والفحم البيتوميني والخث بحسب الرتبة تصاعديًا. (2) أيها أعلى محتوى من الكربون؟ (3) أيها تكوّن على أكبر عمق وأعلى درجة حرارة؟

حل

حل التمرين 18.4.

(1) الخث، فالليغنيت، فالفحم البيتوميني، فالأنثراسيت. (2) الأنثراسيت، من 86 إلى $97\,\%$ من الكربون. (3) الأنثراسيت، فيما وراء نحو $5\,\mathrm{km}$ و$150{}^{\circ}\mathrm{C}$.

تمرين 18.5 ★

(1) لماذا يقع الغاز في المصيدة فوق النفط، والنفط فوق الماء؟ (2) لماذا يجب أن يكون الصخر الذي فوق الصخر الخازن كتيمًا؟ سمّ صخرين يصلحان صخرين حاجزين.

حل

حل التمرين 18.5.

(1) تتمايز الموائع بحسب كثافتها: الغاز أخفها، ثم النفط، ثم الماء. (2) يصعد النفط والغاز لأنهما أخف من الماء؛ ولا يوقفهما إلا صخر لا يستطيعان عبوره. الحجر الطيني (أو السجيل) والملح.

تمرين 18.6 ★★

حوضان لهما درجة حرارة السطح نفسها، $15{}^{\circ}\mathrm{C}$. للحوض A تدرج قدره $20{}^{\circ}\mathrm{C}/\mathrm{km}$، وللحوض B $40{}^{\circ}\mathrm{C}/\mathrm{km}$. (1) احسب عمقي أعلى نافذة النفط وقاعدتها في كل منهما. (2) يقع صخر مصدر على عمق $2\,\mathrm{km}$ في كلا الحوضين. فماذا يصنع في كل منهما؟ (3) في أي حوض يجب أن تنزل البئر أعمق لتجد نفطًا تكوّن في موضعه؟

حل

حل التمرين 18.6.

(1) A: $(60 - 15)/20 = 2.25\,\mathrm{km}$ و$(120 - 15)/20 = 5.25\,\mathrm{km}$. B: $45/40 \approx 1.13\,\mathrm{km}$ و$105/40 \approx 2.63\,\mathrm{km}$. (2) على عمق $2\,\mathrm{km}$: في A، $15 + 40 = 55{}^{\circ}\mathrm{C}$، فهو لم ينضج بعد، ولا نفط؛ وفي B، $15 + 80 = 95{}^{\circ}\mathrm{C}$، في نافذة النفط، فهو يصنع النفط. (3) في الحوض A: لا يتكوّن النفط فيه إلا تحت $2.25\,\mathrm{km}$.

تمرين 18.7 ★★

خذ النسبة $11{:}1$ المقيسة في وسط يوتا بين سمك الخث وسمك الفحم الذي صار إليه. (1) ما سمك الخث الذي صنع طبقة فحم سمكها $3\,\mathrm{m}$؟ (2) لنفترض أن الخث تراكم بمعدل $1\,\mathrm{mm}$ في السنة. فكم استغرق تراكمه؟ (3) لماذا لا بد أن المستنقع كان يهبط طوال ذلك الزمن؟

حل

حل التمرين 18.7.

(1) $11 \times 3 = 33\,\mathrm{m}$ من الخث. (2) $33\,000\,\mathrm{mm}$ بمعدل $1\,\mathrm{mm}$ في السنة: نحو $33\,000$ سنة. (3) لا يبقى الخث إلا حيث يكون تحت ماء راكد، بعيدًا عن متناول الأكسجين؛ وكلما تراكم، وجب أن تهبط الأرض بالوتيرة نفسها كي يبقى سطحه مشبعًا بالماء.

تمرين 18.8 ★★

استعمل مخطط تاريخ الدفن لحوض ميرو (السطح عند $20{}^{\circ}\mathrm{C}$، والتدرج $30{}^{\circ}\mathrm{C}/\mathrm{km}$). كان الصخر المصدر على عمق $1.2\,\mathrm{km}$ قبل 120 مليون سنة، و$2.3\,\mathrm{km}$ قبل 95 مليون سنة، و$4.0\,\mathrm{km}$ قبل 20 مليون سنة. (1) احسب درجة حرارته في كل تاريخ. (2) في كل تاريخ، هل كان غير ناضج، أم في نافذة النفط، أم في نافذة الغاز؟

حل

حل التمرين 18.8.

(1) $20 + 30 \times 1.2 = 56{}^{\circ}\mathrm{C}$؛ $20 + 30 \times 2.3 = 89{}^{\circ}\mathrm{C}$؛ $20 + 30 \times 4.0 = 140{}^{\circ}\mathrm{C}$. (2) قبل 120 مليون سنة، غير ناضج؛ وقبل 95 مليون سنة، في نافذة النفط؛ وقبل 20 مليون سنة، في نافذة الغاز.

تمرين 18.9 ★★

يكوّن سطح حجر رملي خازن قوسًا تقع قمته على عمق $2400\,\mathrm{m}$؛ وأعمق خط تسوية منغلق له عند $2580\,\mathrm{m}$. وبئر عند القمة تجد الغاز حتى $2450\,\mathrm{m}$، ثم النفط. (1) ما أكبر ارتفاع لعمود يمكن أن تحتجزه المصيدة؟ (2) إذا كانت المصيدة ممتلئة، فما سمك النفط؟ (3) النفط والغاز اللذان يواصلان الوصول بعد امتلاء المصيدة: إلى أين يذهبان؟

حل

حل التمرين 18.9.

(1) $2580 - 2400 = 180\,\mathrm{m}$. (2) يملأ الغاز $2450 - 2400 = 50\,\mathrm{m}$، والنفط $2580 - 2450 = 130\,\mathrm{m}$. (3) ينسكبان خارجها عند نقطة الانسكاب، تحت أعمق خط تسوية منغلق، ويواصلان الهجرة صعودًا، إلى مصيدة أخرى أو إلى السطح.

تمرين 18.10 ★★

حين لا يتوفر أي قياس للكيروجين، اعتاد جيولوجيو النفط أن يعدّوا الصخر المصدر المدفون تحت أكثر من $3\,\mathrm{km}$ من الصخور ناضجًا. ومع سطح عند $20{}^{\circ}\mathrm{C}$: (1) أي تدرج يجعل $3\,\mathrm{km}$ عند أعلى نافذة النفط؟ وعند قاعدتها؟ (2) مع التدرجات المقيسة في الآبار، من 25 إلى $34{}^{\circ}\mathrm{C}/\mathrm{km}$، أين يقع $3\,\mathrm{km}$؟ وهل القاعدة معقولة؟

حل

حل التمرين 18.10.

(1) أعلى النافذة عند $3\,\mathrm{km}$: $(60 - 20)/3 \approx 13{}^{\circ}\mathrm{C}/\mathrm{km}$؛ والقاعدة: $(120 - 20)/3 \approx 33{}^{\circ}\mathrm{C}/\mathrm{km}$. (2) على عمق $3\,\mathrm{km}$ تكون درجة الحرارة من $20 + 75 = 95{}^{\circ}\mathrm{C}$ إلى $20 + 102 = 122{}^{\circ}\mathrm{C}$: في نافذة النفط، أو عند قاعدتها مع أشد التدرجات انحدارًا. والقاعدة معقولة: ففي معظم الأحواض يكون الصخر المصدر المدفون تحت $3\,\mathrm{km}$ من الصخور قد بدأ بصنع النفط.

تمرين 18.11 ★★

ثلاث عينات فحم تحوي $30\,\%$ و$70\,\%$ و$92\,\%$ من الكربون. (1) اذكر رتبة كل منها. (2) باستعمال الأعماق ودرجات الحرارة الواردة في الدرس، أيها دُفن أعمق؟ (3) لليغنيت مظهر باهت بني مسود؛ فكيف يبدو الأنثراسيت؟

حل

حل التمرين 18.11.

(1) $30\,\%$: ليغنيت؛ و$70\,\%$: فحم بيتوميني؛ و$92\,\%$: أنثراسيت. (2) الأنثراسيت، فيما وراء نحو $5\,\mathrm{km}$ و$150{}^{\circ}\mathrm{C}$. (3) أسود زجاجي.

تمرين 18.12 ★★★

بين 120 و95 مليون سنة مضت، تراكم $1100\,\mathrm{m}$ من الوحل في حوض ميرو. (1) احسب معدل الدفن بالأمتار في كل مليون سنة. (2) مع تدرج قدره $30{}^{\circ}\mathrm{C}/\mathrm{km}$، بكم درجة سخن الصخر المصدر في كل مليون سنة؟ (3) لو استمر هذا المعدل، فكم كان سيستغرق الصخر المصدر ليعبر نافذة النفط كلها؟ (4) يعطي النموذج نحو 66 مليون سنة. فلماذا أطول؟

حل

حل التمرين 18.12.

(1) $1100/25 = 44\,\mathrm{m}$ في كل مليون سنة. (2) $0.044 \times 30 \approx 1.3{}^{\circ}\mathrm{C}$ في كل مليون سنة. (3) تمتد النافذة على $60{}^{\circ}\mathrm{C}$: $60/1.32 \approx 45$ مليون سنة. (4) تباطأ الدفن بعد 95 مليون سنة مضت (نحو 24، ثم 23 و$20\,\mathrm{m}$ في كل مليون سنة): فسخن الصخر المصدر ببطء أكبر.

تمرين 18.13 ★★★

في حوض ميرو، كان الصخر المصدر في نافذة النفط من نحو 117 إلى نحو 51 مليون سنة مضت، وتكوّنت الطية المحدبة التي تحتجز النفط قبل 80 مليون سنة. (1) افترض أن الصخر المصدر صنع النفط بمعدل ثابت ما دام في النافذة. فما الكسر من نفطه الذي تكوّن بعد وجود المصيدة؟ (2) ماذا حلّ بالباقي؟ (3) لو تكوّنت الطية المحدبة قبل 40 مليون سنة، فماذا كانت ستحتجز؟

حل

حل التمرين 18.13.

(1) $(80 - 51)/(117 - 51) = 29/66 \approx 0.44$: نحو $44\,\%$. (2) هاجر صعودًا قبل أن توجد فوقه أي مصيدة: فأفلت إلى السطح، حيث تأكسد، أو تجمع في مصيدة أخرى. (3) قبل 40 مليون سنة كان الصخر المصدر قد غادر نافذة النفط: فلم يكن يصنع إلا الغاز، ولم يكن في وسع الطية المحدبة أن تحتجز منه إلا الغاز.

تمرين 18.14 ★★★

خذ تاريخ دفن حوض ميرو (التمرين 18.8: $0.4\,\mathrm{km}$ قبل 150 مليون سنة، و$1.2\,\mathrm{km}$ قبل 120، و$2.3\,\mathrm{km}$ قبل 95، و$3.0\,\mathrm{km}$ قبل 66، والعمق يزداد بانتظام فيما بينها)، لكن في حوض أسخن: التدرج $40{}^{\circ}\mathrm{C}/\mathrm{km}$، والسطح عند $20{}^{\circ}\mathrm{C}$. (1) احسب عمقي أعلى نافذة النفط وقاعدتها. (2) احسب العمرين اللذين دخل عندهما الصخر المصدر النافذة وغادرها. (3) لا تزال الطية المحدبة تتكوّن قبل 80 مليون سنة. فهل تحتجز نفطًا؟ وغازًا؟

حل

حل التمرين 18.14.

(1) الأعلى: $(60 - 20)/40 = 1.0\,\mathrm{km}$؛ والقاعدة: $(120 - 20)/40 = 2.5\,\mathrm{km}$. (2) يقع $1.0\,\mathrm{km}$ بين $0.4\,\mathrm{km}$ (قبل 150 مليون سنة) و$1.2\,\mathrm{km}$ (قبل 120): $150 - 30 \times 0.6/0.8 = 127.5$ مليون سنة مضت. ويقع $2.5\,\mathrm{km}$ بين $2.3\,\mathrm{km}$ (قبل 95) و$3.0\,\mathrm{km}$ (قبل 66): $95 - 29 \times 0.2/0.7 \approx 86.7$ مليون سنة مضت. (3) لا نفط: فقد غادر الصخر المصدر نافذة النفط قبل أن تتكوّن الطية المحدبة، وكان نفطه قد هاجر بعيدًا. ويمكنها أن تحتجز الغاز المتكوّن بعد 80 مليون سنة مضت.

تمرين 18.15 ★★★

طبقة من الأنثراسيت من العصر الكربوني تتكشف الآن على السطح. وقد انتهى العصر الكربوني قبل نحو 299 مليون سنة. (1) باستعمال الأعماق الواردة في الدرس، ما أدنى عمق دُفنت إليه الطبقة؟ (2) مع سطح عند $15{}^{\circ}\mathrm{C}$ وتدرج قدره $30{}^{\circ}\mathrm{C}/\mathrm{km}$، ما درجة الحرارة التي بلغتها على ذلك العمق؟ وهل تتفق مع درجة الحرارة المذكورة للأنثراسيت؟ (3) ماذا حدث للصخور التي كانت فوقها؟ أعط حدًا أدنى لمتوسط المعدل، بالمليمترات في السنة، بافتراض أن كل ذلك حدث بعد العصر الكربوني.

حل

حل التمرين 18.15.

(1) $5\,\mathrm{km}$ على الأقل. (2) $15 + 30 \times 5 = 165{}^{\circ}\mathrm{C}$، وهي فوق $150{}^{\circ}\mathrm{C}$: فهي متفقة. (3) نُهض $5\,\mathrm{km}$ على الأقل من الصخور ثم تآكلت. و$5 \times 10^{6}\,\mathrm{mm}$ في $299$ مليون سنة على الأكثر تعطي على الأقل $5 \times 10^6/2.99 \times 10^8 \approx 0.017\,\mathrm{mm}$ في السنة في المتوسط.

18.7 مسألة: متى صنع الصخر المصدر النفط؟

مسألة 18.1

مسألة نهاية الأسبوع — تأريخ نفط حوض مُتخيَّل

بئر محفورة عبر قمة طية محدبة في حوض ميرو، وهو حوض مُتخيَّل، تعبر الطبقات التي تحتها. وهذه الطبقات، المؤرخة بأحافيرها، تسجّل كيف امتلأ الحوض. بدءًا من الأقدم:

الفترة (بملايين السنين قبل الحاضر)	السمك	الصخور
165 إلى 150	$400\,\mathrm{m}$	سجيل أسود غني بالمادة العضوية، ثم حجر طيني
150 إلى 120	$800\,\mathrm{m}$	حجر رملي مسامي
120 إلى 95	$1100\,\mathrm{m}$	حجر طيني
95 إلى 66	$700\,\mathrm{m}$	طباشير
66 إلى 35	$700\,\mathrm{m}$	رمال وطين
35 إلى 20	$300\,\mathrm{m}$	رمال
20 إلى اليوم	$-500\,\mathrm{m}$	نهوض: تآكل الجزء الأعلى البالغ $500\,\mathrm{m}$

السطح عند $20{}^{\circ}\mathrm{C}$ والتدرج الحراري الأرضي $30{}^{\circ}\mathrm{C}/\mathrm{km}$، وكلاهما يُعَدّ ثابتًا. وتحتفظ الطبقات بسمكها بعد ترسبها (يُهمَل الانضغاط). وتكوّنت الطية المحدبة قبل 80 مليون سنة. تتبّع السجيل الأسود الذي في القاعدة، الذي ترسب قبل 165 مليون سنة.

الجزء الأول — الصخور.

1. أي طبقة هي الصخر المصدر، وأيها الصخر الخازن، وأيها الصخر الحاجز؟
2. ما الذي جعل السجيل الأسود غنيًا بالمادة العضوية؟
3. امتد الجوراسي من نحو $201.4$ إلى $143.1$ مليون سنة مضت. ففي أي عصر ترسب الصخر المصدر؟ والحجر الرملي؟
4. ما الكيروجين؟ ولماذا لا يصنع السجيل الأسود نفطًا عند السطح؟
5. ما سمك الصخور التي تعلو الصخر المصدر اليوم؟

الجزء الثاني — الدفن بدلالة الزمن.

6. احسب عمق الصخر المصدر قبل 150 و120 و95 و66 و35 و20 مليون سنة، واليوم.
7. احسب معدل الدفن، بالأمتار في كل مليون سنة، خلال كل فترة من الفترات الست الأولى.
8. متى كان الصخر المصدر في أعمق موضع له، وعلى أي عمق؟
9. لماذا تناقص عمقه خلال ملايين السنين العشرين الأخيرة؟
10. ما عمق قاعدة الحجر الرملي اليوم؟

الجزء الثالث — درجة الحرارة بدلالة الزمن.

11. احسب درجة حرارة الصخر المصدر في كل تاريخ من تواريخ السؤال 6.
12. بين أي عمقين تقع نافذة النفط في هذا الحوض؟
13. بين أي تاريخين من تواريخ السؤال 6 تجاوز الصخر المصدر $60{}^{\circ}\mathrm{C}$؟
14. بافتراض أن عمقه ازداد بانتظام في تلك الفترة، احسب العمر الذي بلغ عنده $60{}^{\circ}\mathrm{C}$.
15. احسب بالطريقة نفسها متى بلغ $120{}^{\circ}\mathrm{C}$.

الجزء الرابع — إلى داخل النافذة، والمصيدة.

16. ما أعلى درجة حرارة بلغها؟ وماذا يصنع اليوم؟
17. ماذا حلّ بالنفط المتكوّن قبل وجود الطية المحدبة؟
18. بافتراض أن النفط تكوّن بمعدل ثابت ما دام الصخر المصدر في النافذة، فما الكسر منه الذي تكوّن بعد وجود الطية المحدبة؟
19. أي الموائع تتوقع البئر عند قمة الطية المحدبة، وبأي ترتيب من الأعلى؟
20. استنتج: متى دخل الصخر المصدر نافذة النفط؟

حل

حل المسألة 18.1.

1. الصخر المصدر: السجيل الأسود؛ والصخر الخازن: الحجر الرملي المسامي؛ والصخر الحاجز: الحجر الطيني الذي فوقه.

2. عوالق استقرت على قاع بحر فقير بالأكسجين فأفلتت من التحلل ودُفنت في الوحل.

3. الصخر المصدر في الجوراسي (فالعدد 165 يقع بين 201.4 و143.1). والحجر الرملي بدأ في الجوراسي وترسب معظمه في الطباشيري المبكر.

4. المادة العضوية المبعثرة في صخر رسوبي، التي لا تذوب في المذيبات العضوية. ولا تصنع النفط إلا إذا سُخّنت إلى نحو $60{}^{\circ}\mathrm{C}$، وهذا يتطلب الدفن.

5. $400 + 800 + 1100 + 700 + 700 + 300 - 500 = 3500\,\mathrm{m}$.

6. $0.4\,\mathrm{km}$، $1.2\,\mathrm{km}$، $2.3\,\mathrm{km}$، $3.0\,\mathrm{km}$، $3.7\,\mathrm{km}$، $4.0\,\mathrm{km}$؛ واليوم $3.5\,\mathrm{km}$.

7. $400/15 \approx 26.7$؛ $800/30 \approx 26.7$؛ $1100/25 = 44$؛ $700/29 \approx 24.1$؛ $700/31 \approx 22.6$؛ $300/15 = 20$ ($\mathrm{m}$ في كل مليون سنة).

8. قبل 20 مليون سنة، على عمق $4.0\,\mathrm{km}$.

9. نهض الحوض وتآكل $500\,\mathrm{m}$ من الصخور من أعلاه.

10. ترسبت قاعدة الحجر الرملي قبل 150 مليون سنة، فوق $400\,\mathrm{m}$ من السجيل والحجر الطيني: $3.5 - 0.4 = 3.1\,\mathrm{km}$.

11. $T = 20 + 30 z$: $32{}^{\circ}\mathrm{C}$، $56$، $89$، $110$، $131$، $140{}^{\circ}\mathrm{C}$؛ واليوم $125{}^{\circ}\mathrm{C}$.

12. $40/30 \approx 1.33\,\mathrm{km}$ و$100/30 \approx 3.33\,\mathrm{km}$.

13. بين 120 مليون سنة مضت ($56{}^{\circ}\mathrm{C}$) و95 مليون سنة مضت ($89{}^{\circ}\mathrm{C}$).

14. ارتفعت درجة الحرارة 33 درجة في 25 مليون سنة؛ فاستغرق ارتفاعها الدرجات الأربع من $56$ إلى $60{}^{\circ}\mathrm{C}$ $25 \times 4/33 \approx 3.0$ مليون سنة: أي نحو $120 - 3.0 = 117$ مليون سنة مضت.

15. بين 66 مليون سنة مضت ($110{}^{\circ}\mathrm{C}$) و35 ($131{}^{\circ}\mathrm{C}$): $66 - 31 \times 10/21 \approx 51.2$ مليون سنة مضت.

16. $140{}^{\circ}\mathrm{C}$، قبل 20 مليون سنة. وعند $125{}^{\circ}\mathrm{C}$ اليوم هو في نافذة الغاز: يصنع الميثان في الغالب.

17. لم تكن فوقه مصيدة، فهاجر صعودًا وأفلت، إلى السطح أو إلى مصائد أخرى.

18. $(80 - 51.2)/(117.0 - 51.2) \approx 0.44$.

19. الغاز في الأعلى، ثم النفط، ثم الماء.

20. دخل الصخر المصدر نافذة النفط قبل نحو 117 مليون سنة.