书籍暂未推出简体中文版——当前显示 Español 版。

Ciencias de la Tierra y del espacio de bachillerato · 10–12 年级

18La geología del carbón, el petróleo y el gas

Un trozo de lutita negra sacado de una antigua mina de carbón de Pensilvania lleva hojas de plantas parecidas a helechos, aplastadas y plateadas sobre la roca oscura. Crecieron en un pantano hace más de trescientos millones de años, en el Carbonífero; enterradas antes de que pudieran pudrirse, conservaron su forma, y el carbono de las plantas del pantano se convirtió en carbón. El petróleo y el gas, que hoy se extraen desde plataformas en alta mar, tienen el mismo tipo de origen: restos de seres vivos que escaparon a la descomposición y que luego fueron enterrados y calentados. Este capítulo sigue ese carbono enterrado desde el pantano y el fondo marino hasta la capa de carbón y el yacimiento de petróleo.

A la izquierda: hojas de plantas fósiles en una lutita rica en carbono de una antigua mina de carbón, Pensilvania, Carbonífero; el trozo mide unos 10\, cm de ancho. Fotografía de James St. John (CC BY 2.0). A la derecha: una plataforma de producción de petróleo y gas en el mar (ilustración generada por IA). — A la izquierda: hojas de plantas fósiles en una lutita rica en carbono de una antigua mina de carbón, Pensilvania, Carbonífero; el trozo mide unos $10\,\mathrm{cm}$ de ancho. Fotografía de James St. John (CC BY 2.0). A la derecha: una plataforma de producción de petróleo y gas en el mar (ilustración generada por IA).

Lo que ya sabes

El carbón, el petróleo y el gas natural son combustibles fósiles: el petróleo y el gas son mezclas de hidrocarburos, compuestos de carbono e hidrógeno, y al quemar un combustible fósil se liberan energía y dióxido de carbono (los libros de química). Las plantas y las algas fabrican materia orgánica a partir de dióxido de carbono y agua por fotosíntesis (los libros de biología). El carbón, el petróleo y el gas proceden de materia orgánica enterrada en sedimentos, y se almacenan en rocas sedimentarias (Libro 1, año 9). Una roca es porosa cuando contiene espacios vacíos, y permeable cuando el agua puede fluir a través de ella (Libro 1, año 6). La temperatura sube con la profundidad a lo largo de la geoterma, de 25 a $30{}^{\circ}\mathrm{C}$ por kilómetro en los primeros kilómetros (el Capítulo 12).

18.1 Conservar la materia orgánica

La mayor parte de la materia orgánica nunca llega a ser un combustible. Una hoja muerta o un alga muerta se la comen animales y bacterias, o reacciona con el oxígeno del aire: en semanas o años, su carbono ha vuelto a la atmósfera en forma de dióxido de carbono. La materia orgánica solo se conserva donde queda aislada del oxígeno —en el fondo de un pantano de aguas estancadas, o en un fondo marino o lacustre cuya agua no contiene oxígeno—. Enterrada allí bajo más sedimento, puede conservarse durante decenas o cientos de millones de años.

El carbón procede sobre todo de plantas terrestres que se acumularon en pantanos. El petróleo y el gas proceden sobre todo de las algas microscópicas y del resto del plancton del mar: donde las aguas superficiales son muy productivas, el plancton muerto cae sobre el fondo marino lo bastante deprisa para que una parte escape a la descomposición, y queda enterrado en el fango.

Definición 18.1 (Roca generadora; querógeno)

El querógeno es la materia orgánica dispersa en una roca sedimentaria, en pequeñas partículas que no se disuelven en los disolventes orgánicos. Una roca generadora es una roca sedimentaria rica en querógeno, en la que se forman petróleo y gas cuando se entierra y se calienta.

La mayoría de las rocas generadoras son lutitas y fangolitas, depositadas como fangos ricos en materia orgánica. Cerca de la superficie, su querógeno sigue siendo sólido: unas bacterias que viven sin oxígeno transforman parte de la materia orgánica en metano, pero la mayor parte de ese metano vuelve a escapar a la superficie. Para fabricar petróleo hace falta calor, y para el calor hace falta profundidad.

18.2 Enterramiento y maduración

Definición 18.2 (Cuenca sedimentaria)

Una cuenca sedimentaria es una región de la corteza que se hunde durante millones de años, de modo que en ella se acumulan sedimentos, a menudo de varios kilómetros de espesor.

En una cuenca que se hunde, cada capa queda enterrada cada vez más hondo bajo las capas que se acumulan encima. Al descender, sigue la geoterma: se calienta. Su querógeno se cuece lentamente, y sus grandes moléculas se rompen en las moléculas más pequeñas del petróleo y del gas.

Definición 18.3 (Maduración; ventana del petróleo; ventana del gas)

La maduración de una roca generadora es la transformación de su querógeno en petróleo y gas a medida que se entierra y se calienta. La ventana del petróleo es el intervalo de temperatura, de unos 60 a $120{}^{\circ}\mathrm{C}$ , en el que el querógeno forma sobre todo petróleo. Por encima de unos $120{}^{\circ}\mathrm{C}$ , en la ventana del gas, forma sobre todo metano.

Como la temperatura sube con la profundidad, la ventana del petróleo es también un intervalo de profundidades. Donde la geoterma es una recta, es fácil encontrarla.

Proposición 18.4 (Profundidad de la ventana del petróleo)

Sea $T_0$ la temperatura en la superficie, que sube con la profundidad $z$ según un gradiente geotérmico constante $G$ : $T = T_0 + G z$ . Entonces la ventana del petróleo está entre las profundidades

z_{\text{techo}} = \frac{60 - T_0}{G} \qquad\text{y}\qquad z_{\text{base}} = \frac{120 - T_0}{G},

con las temperaturas en ${}^{\circ}\mathrm{C}$ . Su espesor es $60/G$ : cuanto más pronunciada es la geoterma, menos profunda y más delgada es la ventana.

Demostración. El techo de la ventana es la profundidad a la que $T_0 + G z = 60$ , es decir, $z = (60 - T_0)/G$ ; la base, aquella a la que $T_0 + G z = 120$ . La diferencia es $(120 - 60)/G = 60/G$ . ∎

Con una superficie a $20{}^{\circ}\mathrm{C}$ y un gradiente de $30{}^{\circ}\mathrm{C}$ por kilómetro, la ventana del petróleo está entre $40/30 \approx 1.3\,\mathrm{km}$ y $100/30 \approx 3.3\,\mathrm{km}$ . En los sondeos de todo Estados Unidos, el gradiente es de media de $29{}^{\circ}\mathrm{C}$ por kilómetro, $25$ en el este y $34$ en el oeste; una roca generadora suele tener que estar enterrada a más de unos $2\,\mathrm{km}$ para producir petróleo. Cuando no se dispone de ninguna medida del querógeno, los geólogos del petróleo han considerado madura una roca generadora enterrada bajo más de unos $3\,\mathrm{km}$ de rocas más jóvenes.

A la izquierda: historia de enterramiento de la cuenca de Merrow, una cuenca inventada (modelo calculado, sin tener en cuenta la compactación). Cada línea sigue una capa a lo largo del tiempo, desde el día en que se depositó en la superficie; la línea gruesa es la roca generadora, depositada hace 165 millones de años. Con la superficie a 20 C y un gradiente de 30 C por kilómetro, la ventana del petróleo es la banda entre 1.3 y 3.3\, km. Los puntos marcan cuándo entró en ella la roca generadora y cuándo salió hacia la ventana del gas. A la derecha: profundidad del techo y de la base de la ventana del petróleo frente al gradiente geotérmico (superficie a 20 C). — A la izquierda: historia de enterramiento de la cuenca de Merrow, una cuenca inventada (modelo calculado, sin tener en cuenta la compactación). Cada línea sigue una capa a lo largo del tiempo, desde el día en que se depositó en la superficie; la línea gruesa es la roca generadora, depositada hace 165 millones de años. Con la superficie a $20{}^{\circ}\mathrm{C}$ y un gradiente de $30{}^{\circ}\mathrm{C}$ por kilómetro, la ventana del petróleo es la banda entre $1.3$ y $3.3\,\mathrm{km}$ . Los puntos marcan cuándo entró en ella la roca generadora y cuándo salió hacia la ventana del gas. A la derecha: profundidad del techo y de la base de la ventana del petróleo frente al gradiente geotérmico (superficie a $20{}^{\circ}\mathrm{C}$ ).

Un diagrama como este es un diagrama de historia de enterramiento: la edad avanza de izquierda a derecha hacia la actualidad, y la profundidad, hacia abajo. Convierte una columna de rocas, datada capa a capa, en una historia.

Método 18.5 (Leer un diagrama de historia de enterramiento)

Busca la línea de la roca generadora: empieza en la superficie el día en que se depositó la roca.
Traza el techo y la base de la ventana del petróleo, como profundidades, a partir de la geoterma (la Proposición 18.4).
Lee la edad a la que la línea de la roca generadora corta el techo de la ventana: la roca generadora empieza a producir petróleo. Lee la edad a la que corta la base: desde entonces produce gas.
Compara esas edades con la edad de la trampa: solo el petróleo y el gas formados cuando la trampa ya existe pueden quedar retenidos en ella.

En la cuenca de Merrow, la roca generadora entra en la ventana del petróleo hace unos 117 millones de años y sale de ella hace unos 51 millones de años; su enterramiento máximo, $4.0\,\mathrm{km}$ a $140{}^{\circ}\mathrm{C}$ , llega hace 20 millones de años, antes de que el levantamiento y la erosión la vuelvan a subir. Hoy sigue en la ventana del gas. El problema de fin de semana calcula estas edades.

18.3 De la roca generadora a la trampa

El petróleo y el gas son más ligeros que el agua, y los poros de las rocas enterradas están llenos de agua. Una vez formados, salen expulsados de la roca generadora y ascienden lentamente, a través de cualquier roca que los deje pasar.

Definición 18.6 (Migración)

La migración es el lento desplazamiento del petróleo y del gas fuera de la roca generadora donde se formaron, hacia arriba a través de rocas permeables, impulsado por su menor densidad respecto del agua que los rodea.

Definición 18.7 (Roca almacén; roca sello)

Una roca almacén es una roca porosa y permeable en la que se acumulan el petróleo y el gas: sus poros los almacenan, y las conexiones entre ellos les permiten fluir hacia un pozo. Una roca sello es una roca impermeable situada sobre el almacén, que el petróleo y el gas no pueden atravesar.

Las areniscas y algunas calizas son buenas rocas almacén; las fangolitas, las lutitas y la sal son buenas rocas sello. Donde nada los detiene, el petróleo y el gas llegan a la superficie, donde rezuman y se oxidan: su carbono vuelve a la atmósfera. Solo se acumulan donde una roca sello tiene una forma tal que no pueden escaparse por su lado.

Definición 18.8 (Trampa)

Una trampa es una disposición de roca almacén y roca sello que retiene el petróleo y el gas, cerrándoles el camino hacia arriba por todos los lados.

Un sistema petrolífero (un dibujo, no a escala). La roca generadora, en profundidad a la izquierda, está por debajo de la isoterma de 60 C y produce petróleo; el petróleo y el gas salen de ella hacia la arenisca de encima y ascienden lentamente a lo largo de ella, bajo la roca sello de fangolita, hasta la bóveda de un anticlinal. Allí se reúnen según su densidad: el gas arriba, el petróleo debajo y el agua más abajo. Las rocas de sobrecarga, encima, entierran la roca generadora a la profundidad suficiente para que madure. — Un sistema petrolífero (un dibujo, no a escala). La roca generadora, en profundidad a la izquierda, está por debajo de la isoterma de $60{}^{\circ}\mathrm{C}$ y produce petróleo; el petróleo y el gas salen de ella hacia la arenisca de encima y ascienden lentamente a lo largo de ella, bajo la roca sello de fangolita, hasta la bóveda de un anticlinal. Allí se reúnen según su densidad: el gas arriba, el petróleo debajo y el agua más abajo. Las rocas de sobrecarga, encima, entierran la roca generadora a la profundidad suficiente para que madure.

En una trampa, los fluidos se ordenan según su densidad: el gas arriba, el petróleo debajo y el agua en el fondo. La trampa más sencilla es un anticlinal, una bóveda de las capas (los pliegues son el tema del Capítulo 20). Las fallas, los domos salinos y los cambios en las propias rocas también forman trampas.

Cuatro tipos de trampa (dibujos, no a escala): arenisca almacén en amarillo, fangolita sello en gris verdoso, petróleo en verde, gas en rojo. (a) La bóveda de un anticlinal. (b) Un almacén inclinado cortado por una falla, contra una fangolita al otro lado. (c) Capas dobladas hacia arriba contra un domo salino que asciende. (d) Una arenisca que se adelgaza pendiente arriba dentro de una fangolita, una trampa debida a un cambio en las propias rocas.

Ejemplo 18.9 (Una trampa en un anticlinal)

Una campaña sísmica cartografía el techo de una arenisca sellada por fangolita. Forma una bóveda cuya cresta está a $1800\,\mathrm{m}$ bajo la superficie. Alrededor de la cresta, la curva de nivel más profunda que todavía se cierra por completo está a $2050\,\mathrm{m}$ ; por debajo, la arenisca se abre hacia un lado. Un pozo en la cresta encuentra gas hasta $1880\,\mathrm{m}$ . ¿Qué altura de columna de petróleo y gas puede contener la trampa, y qué espesor tiene el petróleo?

Solución. El petróleo y el gas llenan la bóveda desde la cresta hacia abajo; lo que baje por debajo de la última curva de nivel cerrada se derrama hacia un lado, en el punto de derrame, y sigue migrando. La columna mide como mucho $2050 - 1800 = 250\,\mathrm{m}$ . Si la trampa está llena, el gas ocupa los $1880 - 1800 = 80\,\mathrm{m}$ superiores y el petróleo los $2050 - 1880 = 170\,\mathrm{m}$ siguientes, con agua debajo.

Cada una de las piezas —una roca generadora, un almacén, una roca sello, las rocas de encima que entierran la roca generadora, una trampa— es necesaria, y tienen que llegar en el orden correcto.

Definición 18.10 (Sistema petrolífero)

Un sistema petrolífero es un cuerpo de roca generadora madura junto con todo el petróleo y el gas que proceden de él, y los elementos y procesos que necesitan: la roca generadora, la roca almacén, la roca sello y la roca de sobrecarga (las rocas de encima, que entierran la roca generadora), así como la formación de trampas y la generación, la migración y la acumulación del petróleo y del gas.

Lo que más importa es el orden. Una trampa que se forma después de que haya pasado el petróleo no retiene nada: el diagrama de historia de enterramiento fecha la generación del petróleo, la historia de los pliegues y las fallas fecha la trampa, y el sistema petrolífero solo funciona si la trampa llegó antes. Los geólogos del petróleo llaman también momento crítico al momento que mejor muestra a la vez la generación, la migración y la acumulación.

18.4 Dónde se acumulan el petróleo y el gas

¿Dónde se reúne un sistema petrolífero? Necesita una cuenca que se hunda durante mucho tiempo, aguas pobres en oxígeno para conservar la materia orgánica, y rocas sello. Los rifts y los márgenes continentales en los que se convierten tienen las tres cosas.

Cuando un continente empieza a partirse, como le ocurre hoy a África a lo largo del rift de África Oriental (Libro 1, año 7), su corteza se estira y se rompe en bloques a lo largo de fallas normales (el Capítulo 14). Algunos bloques se hunden, otros se inclinan, y las depresiones entre ellos se llenan de sedimentos, a menudo de varios kilómetros de espesor, y de lagos, cuyos fangos ricos en materia orgánica pueden convertirse en rocas generadoras. Cuando cesa el estiramiento, la corteza adelgazada se enfría y sigue hundiéndose lentamente, de modo que la cuenca continúa llenándose. Si después el mar inunda una cuenca solo parcialmente conectada con el océano y se evapora, deja capas gruesas de sal. Una vez que el rift se ha abierto en un océano, sus bordes pasan a ser márgenes pasivos: bordes continentales situados dentro de una placa, lejos de cualquier límite de placas, que siguen hundiéndose y recibiendo sedimentos del continente.

Un margen pasivo construido sobre un antiguo rift (un dibujo, no a escala, con las profundidades exageradas). En el rift, bloques inclinados de corteza continental limitados por fallas normales contienen lutitas lacustres, las rocas generadoras. Una capa de sal, depositada cuando el mar joven se evaporó, las sella; por encima se acumulan sedimentos marinos a medida que el margen se hunde. La sal, más ligera que los sedimentos que la rodean, asciende en domos que doblan las capas formando trampas.

Los márgenes del Atlántico Sur se construyeron así. África y América del Sur empezaron a separarse en el Triásico superior o el Jurásico inferior. Frente al oeste de África Central, las depresiones del rift se llenaron con varios kilómetros de sedimentos, entre ellos lutitas lacustres de hasta $600\,\mathrm{m}$ de espesor que contienen hasta un $20\,\%$ de carbono orgánico en masa. En el Cretácico inferior, el mar empezó a entrar, una y otra vez, y se evaporó, dejando más de un kilómetro de sal; donde la sal ha permanecido en su sitio, sella el petróleo y el gas de las rocas de debajo. En el golfo de México, la sal, más ligera que los sedimentos que la rodean, ha ascendido en domos, y las capas dobladas contra ellos son trampas.

18.5 El carbón

El carbón se forma en tierra, sobre todo en pantanos junto a ríos y deltas, en climas húmedos de tropicales a templados, donde las plantas crecen deprisa y sus restos caen en aguas estancadas pobres en oxígeno. A lo largo de siglos o milenios se acumulan como turba. Cuando un río cambia de curso, o sube el mar, la arena y el fango entierran la turba; enterrada a más profundidad, se comprime y se calienta.

Definición 18.11 (Carbón; carbonificación; rango)

El carbón es una roca sedimentaria formada sobre todo por restos de plantas terrestres, rica en carbono. La carbonificación es la transformación de la turba en carbón, y del carbón en un carbón más rico, por enterramiento y calentamiento. El rango de un carbón indica hasta dónde ha llegado la carbonificación: del lignito al carbón subbituminoso y bituminoso y a la antracita, el contenido de carbono aumenta.

El lignito se forma a profundidades de unos cientos de metros a unos $1.5\,\mathrm{km}$ , hasta unos $50{}^{\circ}\mathrm{C}$ ; el carbón bituminoso, entre 1 y $5\,\mathrm{km}$ , hasta unos $150{}^{\circ}\mathrm{C}$ ; la antracita, más allá de $5\,\mathrm{km}$ y $150{}^{\circ}\mathrm{C}$ . A medida que sube el rango, el carbono forma una parte cada vez mayor del carbón: alrededor del 25 al $35\,\%$ en el lignito, y hasta del 86 al $97\,\%$ en la antracita. El metano formado por el camino queda en los poros del carbón, y por eso una mina de carbón puede contener gas explosivo. Formar una capa de carbón lleva millones de años.

Arriba a la izquierda: contenido de carbono de los rangos del carbón. Datos: U.S. Energy Information Administration. Arriba a la derecha: un estrato de lignito, la banda negra bajo arenas claras, al descubierto en una mina de Rumanía; fotografía del U.S. Geological Survey (dominio público). Abajo, desde la izquierda: lignito, de unos 4.5\, cm de ancho, de color negro pardusco y mate; carbón bituminoso, con fragmentos de plantas aplastados; antracita, negra y vítrea. Fotografías de James St. John (CC BY 2.0). — Arriba a la izquierda: contenido de carbono de los rangos del carbón. Datos: U.S. Energy Information Administration. Arriba a la derecha: un estrato de lignito, la banda negra bajo arenas claras, al descubierto en una mina de Rumanía; fotografía del U.S. Geological Survey (dominio público). Abajo, desde la izquierda: lignito, de unos $4.5\,\mathrm{cm}$ de ancho, de color negro pardusco y mate; carbón bituminoso, con fragmentos de plantas aplastados; antracita, negra y vítrea. Fotografías de James St. John (CC BY 2.0).

La turba pierde la mayor parte de su volumen por el camino. En una capa de carbón del centro de Utah, la comparación de la turba cortada por un antiguo canal fluvial con el carbón que falta a su lado da una razón de espesores de alrededor de $11{:}1$ : cada metro de ese carbón bituminoso fue antes unos once metros de turba.

18.6 Ejercicios

Ejercicio 18.1 ★

Ordena los pasos que llevan del plancton al petróleo de una trampa: la migración; la maduración en la ventana del petróleo; el enterramiento bajo sedimentos más jóvenes; el plancton muerto se deposita en un fondo marino pobre en oxígeno; el petróleo se acumula bajo una roca sello; la materia orgánica se convierte en querógeno en un fango.

Solución

Solución de Ejercicio 18.1.

El plancton muerto se deposita en un fondo marino pobre en oxígeno; la materia orgánica se convierte en querógeno en un fango; el enterramiento bajo sedimentos más jóvenes; la maduración en la ventana del petróleo; la migración; el petróleo se acumula bajo una roca sello.

Ejercicio 18.2 ★

Para cada roca, di si es más probablemente una roca generadora, una roca almacén o una roca sello: (1) una lutita oscura rica en materia orgánica; (2) una arenisca bien clasificada con poros conectados; (3) una capa de sal; (4) una fangolita sin materia orgánica; (5) una caliza llena de cavidades abiertas.

Solución

Solución de Ejercicio 18.2.

(1) Roca generadora. (2) Roca almacén. (3) Roca sello. (4) Roca sello. (5) Roca almacén.

Ejercicio 18.3 ★

En una cuenca, la superficie está a $10{}^{\circ}\mathrm{C}$ y el gradiente geotérmico es de $25{}^{\circ}\mathrm{C}/\mathrm{km}$ . ¿Entre qué profundidades está la ventana del petróleo? ¿Qué espesor tiene?

Solución

Solución de Ejercicio 18.3.

Techo: $(60 - 10)/25 = 2.0\,\mathrm{km}$ ; base: $(120 - 10)/25 = 4.4\,\mathrm{km}$ . La ventana tiene $60/25 = 2.4\,\mathrm{km}$ de espesor.

Ejercicio 18.4 ★

(1) Ordena el lignito, la antracita, el carbón bituminoso y la turba según su rango creciente. (2) ¿Cuál tiene el mayor contenido de carbono? (3) ¿Cuál se formó a mayor profundidad y temperatura?

Solución

Solución de Ejercicio 18.4.

(1) Turba, lignito, carbón bituminoso, antracita. (2) La antracita, con un 86 a $97\,\%$ de carbono. (3) La antracita, más allá de unos $5\,\mathrm{km}$ y $150{}^{\circ}\mathrm{C}$ .

Ejercicio 18.5 ★

(1) En una trampa, ¿por qué el gas está encima del petróleo, y el petróleo encima del agua? (2) ¿Por qué la roca situada sobre un almacén tiene que ser impermeable? Nombra dos rocas que sean buenas rocas sello.

Solución

Solución de Ejercicio 18.5.

(1) Los fluidos se ordenan según su densidad: el gas es el más ligero, luego el petróleo y luego el agua. (2) El petróleo y el gas ascienden porque son más ligeros que el agua; solo los detiene una roca que no puedan atravesar. La fangolita (o la lutita) y la sal.

Ejercicio 18.6 ★★

Dos cuencas tienen la misma temperatura en superficie, $15{}^{\circ}\mathrm{C}$ . La cuenca A tiene un gradiente de $20{}^{\circ}\mathrm{C}/\mathrm{km}$ , y la cuenca B, de $40{}^{\circ}\mathrm{C}/\mathrm{km}$ . (1) Calcula las profundidades del techo y de la base de la ventana del petróleo en cada una. (2) Una roca generadora está a $2\,\mathrm{km}$ de profundidad en las dos cuencas. ¿Qué produce en cada una? (3) ¿En qué cuenca tiene que ir más hondo un pozo para encontrar petróleo formado en el lugar?

Solución

Solución de Ejercicio 18.6.

(1) A: $(60 - 15)/20 = 2.25\,\mathrm{km}$ y $(120 - 15)/20 = 5.25\,\mathrm{km}$ . B: $45/40 \approx 1.13\,\mathrm{km}$ y $105/40 \approx 2.63\,\mathrm{km}$ . (2) A $2\,\mathrm{km}$ : en A, $15 + 40 = 55{}^{\circ}\mathrm{C}$ , todavía no madura, sin petróleo; en B, $15 + 80 = 95{}^{\circ}\mathrm{C}$ , en la ventana del petróleo, produce petróleo. (3) En la cuenca A: allí el petróleo solo se forma por debajo de $2.25\,\mathrm{km}$ .

Ejercicio 18.7 ★★

Toma la razón de $11{:}1$ medida en el centro de Utah entre el espesor de una turba y el del carbón en que se convirtió. (1) ¿Qué espesor de turba formó una capa de carbón de $3\,\mathrm{m}$ de espesor? (2) Supón que la turba se acumuló a razón de $1\,\mathrm{mm}$ al año. ¿Cuánto tardó en acumularse? (3) ¿Por qué el pantano tuvo que estar hundiéndose durante todo ese tiempo?

Solución

Solución de Ejercicio 18.7.

(1) $11 \times 3 = 33\,\mathrm{m}$ de turba. (2) $33\,000\,\mathrm{mm}$ a $1\,\mathrm{mm}$ al año: unos $33\,000$ años. (3) La turba solo se conserva bajo agua estancada, fuera del alcance del oxígeno; a medida que se acumula, el suelo tiene que hundirse al mismo ritmo para que su superficie siga encharcada.

Ejercicio 18.8 ★★

Usa el diagrama de historia de enterramiento de la cuenca de Merrow (superficie a $20{}^{\circ}\mathrm{C}$ , gradiente de $30{}^{\circ}\mathrm{C}/\mathrm{km}$ ). La roca generadora estaba a $1.2\,\mathrm{km}$ de profundidad hace 120 millones de años, a $2.3\,\mathrm{km}$ hace 95 millones de años y a $4.0\,\mathrm{km}$ hace 20 millones de años. (1) Calcula su temperatura en cada fecha. (2) En cada fecha, ¿era inmadura, estaba en la ventana del petróleo o en la ventana del gas?

Solución

Solución de Ejercicio 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) Hace 120 millones de años, inmadura; hace 95 millones de años, en la ventana del petróleo; hace 20 millones de años, en la ventana del gas.

Ejercicio 18.9 ★★

El techo de una arenisca almacén forma una bóveda cuya cresta está a $2400\,\mathrm{m}$ de profundidad; su curva de nivel cerrada más profunda está a $2580\,\mathrm{m}$ . Un pozo en la cresta encuentra gas hasta $2450\,\mathrm{m}$ , y luego petróleo. (1) ¿Cuál es la altura máxima de la columna que puede contener la trampa? (2) Si la trampa está llena, ¿qué espesor tiene el petróleo? (3) El petróleo y el gas que siguen llegando cuando la trampa ya está llena: ¿adónde van?

Solución

Solución de Ejercicio 18.9.

(1) $2580 - 2400 = 180\,\mathrm{m}$ . (2) El gas ocupa $2450 - 2400 = 50\,\mathrm{m}$ , y el petróleo, $2580 - 2450 = 130\,\mathrm{m}$ . (3) Se derraman por el punto de derrame, bajo la curva de nivel cerrada más profunda, y siguen migrando hacia arriba, hacia otra trampa o hacia la superficie.

Ejercicio 18.10 ★★

Cuando no se dispone de ninguna medida del querógeno, los geólogos del petróleo han considerado madura una roca generadora enterrada bajo más de $3\,\mathrm{km}$ de rocas. Con una superficie a $20{}^{\circ}\mathrm{C}$ : (1) ¿Qué gradiente sitúa los $3\,\mathrm{km}$ en el techo de la ventana del petróleo? ¿Y en su base? (2) Con los gradientes de 25 a $34{}^{\circ}\mathrm{C}/\mathrm{km}$ medidos en los sondeos, ¿dónde caen los $3\,\mathrm{km}$ ? ¿Es razonable la regla?

Solución

Solución de Ejercicio 18.10.

(1) Techo de la ventana a $3\,\mathrm{km}$ : $(60 - 20)/3 \approx 13{}^{\circ}\mathrm{C}/\mathrm{km}$ ; base: $(120 - 20)/3 \approx 33{}^{\circ}\mathrm{C}/\mathrm{km}$ . (2) A $3\,\mathrm{km}$ , la temperatura va de $20 + 75 = 95{}^{\circ}\mathrm{C}$ a $20 + 102 = 122{}^{\circ}\mathrm{C}$ : en la ventana del petróleo, o en su base para los gradientes más pronunciados. La regla es razonable: en la mayoría de las cuencas, una roca generadora bajo $3\,\mathrm{km}$ de rocas ha empezado a producir petróleo.

Ejercicio 18.11 ★★

Tres muestras de carbón contienen un $30\,\%$ , un $70\,\%$ y un $92\,\%$ de carbono. (1) Da el rango de cada una. (2) Con las profundidades y temperaturas que da el texto, ¿cuál estuvo enterrada a más profundidad? (3) El lignito tiene un aspecto mate, negro pardusco; ¿qué aspecto tiene la antracita?

Solución

Solución de Ejercicio 18.11.

(1) $30\,\%$ : lignito; $70\,\%$ : carbón bituminoso; $92\,\%$ : antracita. (2) La antracita, más allá de unos $5\,\mathrm{km}$ y $150{}^{\circ}\mathrm{C}$ . (3) Negra y vítrea.

Ejercicio 18.12 ★★★

Entre hace 120 y hace 95 millones de años, se acumularon $1100\,\mathrm{m}$ de fango en la cuenca de Merrow. (1) Calcula el ritmo de enterramiento en metros por millón de años. (2) Con un gradiente de $30{}^{\circ}\mathrm{C}/\mathrm{km}$ , ¿cuántos grados se calentó la roca generadora por millón de años? (3) Si este ritmo hubiera continuado, ¿cuánto habría tardado la roca generadora en atravesar toda la ventana del petróleo? (4) El modelo da unos 66 millones de años. ¿Por qué más?

Solución

Solución de Ejercicio 18.12.

(1) $1100/25 = 44\,\mathrm{m}$ por millón de años. (2) $0.044 \times 30 \approx 1.3{}^{\circ}\mathrm{C}$ por millón de años. (3) La ventana abarca $60{}^{\circ}\mathrm{C}$ : $60/1.32 \approx 45$ millones de años. (4) El enterramiento se frenó después de hace 95 millones de años (unos 24, luego 23 y $20\,\mathrm{m}$ por millón de años): la roca generadora se calentó más despacio.

Ejercicio 18.13 ★★★

En la cuenca de Merrow, la roca generadora estuvo en la ventana del petróleo desde hace unos 117 hasta hace unos 51 millones de años, y el anticlinal que atrapa el petróleo se formó hace 80 millones de años. (1) Supón que la roca generadora produjo petróleo a un ritmo constante mientras estuvo en la ventana. ¿Qué fracción de su petróleo se formó cuando la trampa ya existía? (2) ¿Qué fue del resto? (3) Si el anticlinal se hubiera formado hace 40 millones de años, ¿qué podría contener?

Solución

Solución de Ejercicio 18.13.

(1) $(80 - 51)/(117 - 51) = 29/66 \approx 0.44$ : alrededor del $44\,\%$ . (2) Migró hacia arriba antes de que existiera encima ninguna trampa: escapó a la superficie, donde se oxidó, o se acumuló en alguna otra trampa. (3) Hace 40 millones de años la roca generadora ya había salido de la ventana del petróleo: solo producía gas, y el anticlinal solo habría podido contener gas procedente de ella.

Ejercicio 18.14 ★★★

Toma la historia de enterramiento de la cuenca de Merrow (el Ejercicio 18.8: $0.4\,\mathrm{km}$ hace 150 millones de años, $1.2\,\mathrm{km}$ hace 120, $2.3\,\mathrm{km}$ hace 95, $3.0\,\mathrm{km}$ hace 66, con una profundidad que crece de forma constante entre esas fechas), pero en una cuenca más caliente: gradiente de $40{}^{\circ}\mathrm{C}/\mathrm{km}$ , superficie a $20{}^{\circ}\mathrm{C}$ . (1) Calcula las profundidades del techo y de la base de la ventana del petróleo. (2) Calcula las edades a las que la roca generadora entró en la ventana y salió de ella. (3) El anticlinal sigue formándose hace 80 millones de años. ¿Contendría petróleo? ¿Y gas?

Solución

Solución de Ejercicio 18.14.

(1) Techo: $(60 - 20)/40 = 1.0\,\mathrm{km}$ ; base: $(120 - 20)/40 = 2.5\,\mathrm{km}$ . (2) $1.0\,\mathrm{km}$ está entre $0.4\,\mathrm{km}$ (hace 150 millones de años) y $1.2\,\mathrm{km}$ (hace 120): $150 - 30 \times 0.6/0.8 = 127.5$ millones de años. $2.5\,\mathrm{km}$ está entre $2.3\,\mathrm{km}$ (hace 95) y $3.0\,\mathrm{km}$ (hace 66): $95 - 29 \times 0.2/0.7 \approx 86.7$ millones de años. (3) Petróleo no: la roca generadora salió de la ventana del petróleo antes de que se formara el anticlinal, y su petróleo ya había migrado. Podría contener el gas producido después de hace 80 millones de años.

Ejercicio 18.15 ★★★

Una capa de antracita del Carbonífero aflora hoy en la superficie. El Carbonífero terminó hace unos 299 millones de años. (1) Con las profundidades que da el texto, ¿a qué profundidad mínima estuvo enterrada la capa? (2) Con una superficie a $15{}^{\circ}\mathrm{C}$ y un gradiente de $30{}^{\circ}\mathrm{C}/\mathrm{km}$ , ¿qué temperatura alcanzó a esa profundidad? ¿Es coherente con la temperatura que se da para la antracita? (3) ¿Qué les ha ocurrido a las rocas que tenía encima? Da una cota inferior del ritmo medio, en milímetros al año, suponiendo que todo ocurrió después del Carbonífero.

Solución

Solución de Ejercicio 18.15.

(1) Al menos $5\,\mathrm{km}$ . (2) $15 + 30 \times 5 = 165{}^{\circ}\mathrm{C}$ , por encima de $150{}^{\circ}\mathrm{C}$ : coherente. (3) Se han levantado y erosionado al menos $5\,\mathrm{km}$ de roca. $5 \times 10^{6}\,\mathrm{mm}$ en como mucho $299$ millones de años dan al menos $5 \times 10^6/2.99 \times 10^8 \approx 0.017\,\mathrm{mm}$ al año de media.

18.7 Problema: ¿cuándo produjo petróleo la roca generadora?

Problema 18.1

Problema de fin de semana — fechar el petróleo de una cuenca inventada

Un pozo perforado a través de la cresta de un anticlinal de la cuenca de Merrow, una cuenca inventada, atraviesa las capas de debajo. Datadas por sus fósiles, registran cómo se rellenó la cuenca. Desde la más antigua:

intervalo (millones de años)	espesor	rocas
de 165 a 150	$400\,\mathrm{m}$	lutita negra rica en materia orgánica, y luego fangolita
de 150 a 120	$800\,\mathrm{m}$	arenisca porosa
de 120 a 95	$1100\,\mathrm{m}$	fangolita
de 95 a 66	$700\,\mathrm{m}$	creta
de 66 a 35	$700\,\mathrm{m}$	arenas y arcillas
de 35 a 20	$300\,\mathrm{m}$	arenas
de 20 a hoy	$-500\,\mathrm{m}$	levantamiento: erosión de los $500\,\mathrm{m}$ superiores

La superficie está a $20{}^{\circ}\mathrm{C}$ y el gradiente geotérmico es de $30{}^{\circ}\mathrm{C}/\mathrm{km}$ , ambos supuestos constantes. Las capas conservan su espesor una vez depositadas (se desprecia la compactación). El anticlinal se formó hace 80 millones de años. Sigue la lutita negra de la base, depositada hace 165 millones de años.

Parte I — Las rocas.

¿Qué capa es la roca generadora, cuál la roca almacén y cuál la roca sello?
¿Qué hizo que la lutita negra fuera rica en materia orgánica?
El Jurásico duró desde hace unos $201.4$ hasta hace unos $143.1$ millones de años. ¿En qué periodo se depositó la roca generadora? ¿Y la arenisca?
¿Qué es el querógeno? ¿Por qué la lutita negra no produce petróleo en la superficie?
¿Qué espesor de rocas hay hoy encima de la roca generadora?

Parte II — El enterramiento a lo largo del tiempo.

Calcula la profundidad de la roca generadora hace 150, 120, 95, 66, 35 y 20 millones de años, y hoy.
Calcula el ritmo de enterramiento, en metros por millón de años, durante cada uno de los seis primeros intervalos.
¿Cuándo estuvo más profunda la roca generadora, y a qué profundidad?
¿Por qué disminuyó su profundidad en los últimos 20 millones de años?
¿A qué profundidad está hoy la base de la arenisca?

Parte III — La temperatura a lo largo del tiempo.

Calcula la temperatura de la roca generadora en cada fecha de la pregunta 6.
¿Entre qué profundidades está la ventana del petróleo en esta cuenca?
¿Entre qué dos fechas de la pregunta 6 pasó la roca generadora por los $60{}^{\circ}\mathrm{C}$ ?
Suponiendo que su profundidad creció de forma constante en ese intervalo, calcula la edad a la que llegó a $60{}^{\circ}\mathrm{C}$ .
Del mismo modo, calcula cuándo llegó a $120{}^{\circ}\mathrm{C}$ .

Parte IV — La entrada en la ventana, y la trampa.

¿Cuál es la temperatura más alta que alcanzó? ¿Qué produce hoy?
¿Qué fue del petróleo formado antes de que existiera el anticlinal?
Suponiendo que el petróleo se formó a un ritmo constante mientras la roca generadora estuvo en la ventana, ¿qué fracción se formó cuando el anticlinal ya existía?
¿Qué fluidos esperaría encontrar el pozo en la cresta del anticlinal, y en qué orden desde arriba?
Concluye: ¿cuándo entró la roca generadora en la ventana del petróleo?

Solución

Solución de Problema 18.1.

1. Roca generadora: la lutita negra; almacén: la arenisca porosa; roca sello: la fangolita que tiene encima.

2. El plancton que se depositó en un fondo marino pobre en oxígeno escapó a la descomposición y quedó enterrado en el fango.

3. La roca generadora, en el Jurásico (165 está entre 201.4 y 143.1). La arenisca empezó en el Jurásico y se depositó sobre todo en el Cretácico inferior.

4. La materia orgánica dispersa en una roca sedimentaria, insoluble en los disolventes orgánicos. Solo produce petróleo cuando se calienta hasta unos $60{}^{\circ}\mathrm{C}$ , para lo que hace falta el enterramiento.

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

6. $0.4\,\mathrm{km}$ , $1.2\,\mathrm{km}$ , $2.3\,\mathrm{km}$ , $3.0\,\mathrm{km}$ , $3.7\,\mathrm{km}$ , $4.0\,\mathrm{km}$ ; hoy, $3.5\,\mathrm{km}$ .

7. $400/15 \approx 26.7$ ; $800/30 \approx 26.7$ ; $1100/25 = 44$ ; $700/29 \approx 24.1$ ; $700/31 \approx 22.6$ ; $300/15 = 20$ ( $\mathrm{m}$ por millón de años).

8. Hace 20 millones de años, a $4.0\,\mathrm{km}$ .

9. La cuenca se levantó, y la erosión retiró $500\,\mathrm{m}$ de roca de su parte superior.

10. La base de la arenisca se depositó hace 150 millones de años, sobre $400\,\mathrm{m}$ de lutita y fangolita: $3.5 - 0.4 = 3.1\,\mathrm{km}$ .

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

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

13. Entre hace 120 millones de años ( $56{}^{\circ}\mathrm{C}$ ) y hace 95 millones de años ( $89{}^{\circ}\mathrm{C}$ ).

14. La temperatura subió 33 grados en 25 millones de años; tardó $25 \times 4/33 \approx 3.0$ millones de años en subir los 4 grados que van de $56$ a $60{}^{\circ}\mathrm{C}$ : hace unos $120 - 3.0 = 117$ millones de años.

15. Entre hace 66 millones de años ( $110{}^{\circ}\mathrm{C}$ ) y hace 35 ( $131{}^{\circ}\mathrm{C}$ ): hace $66 - 31 \times 10/21 \approx 51.2$ millones de años.

16. $140{}^{\circ}\mathrm{C}$ , hace 20 millones de años. A $125{}^{\circ}\mathrm{C}$ , hoy está en la ventana del gas: produce sobre todo metano.

17. Sin ninguna trampa encima, migró hacia arriba y escapó, a la superficie o a otras trampas.

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

19. Gas arriba, luego petróleo, luego agua.

20. La roca generadora entró en la ventana del petróleo hace unos 117 millones de años.

本章定义的术语

在术语表中查看全部 957 个术语