18Geologi Batu Bara, Minyak Bumi, dan Gas

Sebongkah serpih hitam yang diambil dari sebuah tambang batu bara tua di Pennsylvania memuat daun-daun tumbuhan mirip pakis, pipih dan keperakan di atas batuan yang gelap. Tumbuhan itu tumbuh di sebuah rawa lebih dari tiga ratus juta tahun yang lalu, pada zaman Karbon; karena terkubur sebelum sempat membusuk, daun-daun itu mempertahankan bentuknya, dan karbon tumbuh-tumbuhan rawa itu menjadi batu bara. Minyak bumi dan gas, yang kini dipompa dari anjungan di tengah laut, asal-usulnya sejenis: sisa-sisa makhluk hidup yang luput dari pembusukan, lalu terkubur dan terpanaskan. Bab ini mengikuti karbon yang terkubur itu dari rawa dan dasar laut sampai ke lapisan batu bara dan ladang minyak.

Yang sudah kamu ketahui

Batu bara, minyak bumi, dan gas alam adalah bahan bakar fosil: minyak bumi dan gas adalah campuran hidrokarbon, yaitu senyawa karbon dan hidrogen, dan pembakaran bahan bakar fosil melepaskan energi dan karbon dioksida (buku-buku kimia). Tumbuhan dan alga membuat bahan organik dari karbon dioksida dan air melalui fotosintesis (buku-buku biologi). Batu bara, minyak bumi, dan gas berasal dari bahan organik yang terkubur dalam sedimen, dan tersimpan dalam batuan sedimen (Buku 1, kelas 9). Batuan bersifat berpori bila mempunyai ruang-ruang kosong, dan permeabel bila air dapat mengalir melaluinya (Buku 1, kelas 6). Suhu naik dengan kedalaman di sepanjang geoterm, sebesar 25 sampai $30{}^{\circ}\mathrm{C}$ per kilometer pada beberapa kilometer pertama (Bab 12).

18.1 Mengawetkan bahan organik

Sebagian besar bahan organik tidak pernah menjadi bahan bakar. Sehelai daun mati atau sebutir alga mati dimakan oleh hewan dan bakteri atau bereaksi dengan oksigen udara: dalam beberapa minggu atau beberapa tahun karbonnya telah kembali ke atmosfer sebagai karbon dioksida. Bahan organik hanya bertahan di tempat yang terputus dari oksigen — di dasar rawa yang airnya tergenang, atau di dasar laut atau dasar danau yang airnya tidak mengandung oksigen. Bila terkubur di sana di bawah sedimen lain, bahan itu dapat tersimpan selama puluhan atau ratusan juta tahun.

Batu bara sebagian besar berasal dari tumbuhan darat yang menumpuk di rawa. Minyak bumi dan gas sebagian besar berasal dari alga mikroskopis dan plankton lain di laut: di tempat perairan permukaannya sangat produktif, plankton mati turun seperti hujan ke dasar laut cukup cepat sehingga sebagiannya luput dari pembusukan, lalu terkubur di dalam lumpur.

Definisi 18.1 (Batuan sumber; kerogen)

Yang disebut kerogen adalah bahan organik yang tersebar dalam batuan sedimen, berupa partikel-partikel kecil yang tidak larut dalam pelarut organik. Yang disebut batuan sumber adalah batuan sedimen yang kaya kerogen, tempat minyak bumi dan gas terbentuk ketika batuan itu terkubur dan terpanaskan.

Sebagian besar batuan sumber berupa serpih dan batu lumpur, yang diendapkan sebagai lumpur yang kaya bahan organik. Di dekat permukaan, kerogennya tetap padat: bakteri yang hidup tanpa oksigen mengubah sebagian bahan organik itu menjadi metana, tetapi sebagian besar metana itu lolos kembali ke permukaan. Pembentukan minyak bumi memerlukan kalor, dan kalor memerlukan kedalaman.

18.2 Penimbunan dan pematangan

Definisi 18.2 (Cekungan sedimen)

Yang disebut cekungan sedimen adalah wilayah kerak yang turun selama jutaan tahun, sehingga sedimen menumpuk di dalamnya, sering kali sampai setebal beberapa kilometer.

Dalam cekungan yang sedang turun, setiap lapisan terkubur makin lama makin dalam di bawah lapisan-lapisan yang menumpuk di atasnya. Selagi turun, lapisan itu mengikuti geoterm: lapisan itu terpanaskan. Kerogennya perlahan-lahan dimasak, molekul-molekulnya yang besar dipecah menjadi molekul-molekul minyak bumi dan gas yang lebih kecil.

Definisi 18.3 (Pematangan; jendela minyak; jendela gas)

Yang disebut pematangan batuan sumber adalah perubahan kerogennya menjadi minyak bumi dan gas ketika batuan itu terkubur dan terpanaskan. Yang disebut jendela minyak adalah selang suhu, dari sekitar 60 sampai $120{}^{\circ}\mathrm{C}$, tempat kerogen terutama membentuk minyak bumi. Di atas sekitar $120{}^{\circ}\mathrm{C}$, dalam jendela gas, kerogen terutama membentuk metana.

Karena suhu naik dengan kedalaman, jendela minyak juga merupakan sebuah selang kedalaman. Di tempat geotermnya berupa garis lurus, selang itu mudah dicari.

Proposisi 18.4 (Kedalaman jendela minyak)

Misalkan suhu di permukaan adalah $T_0$ dan naik dengan kedalaman $z$ menurut gradien geotermal $G$ yang tetap: $T = T_0 + G z$. Maka jendela minyak terletak di antara kedalaman

$$z_{\text{atas}} = \frac{60 - T_0}{G} \qquad\text{dan}\qquad z_{\text{bawah}} = \frac{120 - T_0}{G},$$

dengan suhu dalam ${}^{\circ}\mathrm{C}$. Tebalnya $60/G$: makin curam geotermnya, makin dangkal dan makin tipis jendelanya.

Dengan permukaan bersuhu $20{}^{\circ}\mathrm{C}$ dan gradien $30{}^{\circ}\mathrm{C}$ per kilometer, jendela minyak terletak antara $40/30 \approx 1.3\,\mathrm{km}$ dan $100/30 \approx 3.3\,\mathrm{km}$. Pada lubang bor di seluruh Amerika Serikat, gradien itu rata-rata $29{}^{\circ}\mathrm{C}$ per kilometer, $25$ di timur dan $34$ di barat; batuan sumber biasanya harus terkubur lebih dari sekitar $2\,\mathrm{km}$ sebelum menghasilkan minyak bumi. Bila tidak ada pengukuran kerogen, ahli geologi minyak bumi menganggap batuan sumber yang terkubur di bawah lebih dari sekitar $3\,\mathrm{km}$ batuan yang lebih muda sebagai batuan yang telah matang.

Diagram seperti ini disebut diagram sejarah penimbunan: umur berjalan dari kiri ke kanan menuju masa kini, kedalaman ke bawah. Diagram itu mengubah sebuah kolom batuan, yang ditentukan umurnya lapis demi lapis, menjadi sebuah kisah.

Metode 18.5 (Membaca diagram sejarah penimbunan)

1. Carilah garis batuan sumber: garis itu bermula di permukaan pada hari batuan itu diendapkan.
2. Gambarlah puncak dan dasar jendela minyak, sebagai kedalaman, dari geoterm (Proposisi 18.4).
3. Bacalah umur ketika garis batuan sumber memotong puncak jendela: batuan sumber mulai menghasilkan minyak bumi. Bacalah umur ketika garis itu memotong dasarnya: sejak saat itu batuan sumber menghasilkan gas.
4. Bandingkan umur-umur itu dengan umur perangkap: hanya minyak bumi dan gas yang terbentuk setelah perangkap ada yang dapat tertahan di dalamnya.

Di Cekungan Merrow, batuan sumber memasuki jendela minyak sekitar 117 juta tahun yang lalu dan meninggalkannya sekitar 51 juta tahun yang lalu; penimbunannya yang terdalam, $4.0\,\mathrm{km}$ pada $140{}^{\circ}\mathrm{C}$, terjadi 20 juta tahun yang lalu, sebelum pengangkatan dan erosi menaikkannya lagi. Kini batuan itu masih berada dalam jendela gas. Soal akhir pekan menghitung umur-umur ini.

18.3 Dari batuan sumber ke perangkap

Minyak bumi dan gas lebih ringan daripada air, dan pori-pori batuan yang terkubur penuh dengan air. Begitu terbentuk, keduanya terdesak keluar dari batuan sumber dan merayap ke atas, melalui batuan apa pun yang meloloskannya.

Definisi 18.6 (Migrasi)

Yang disebut migrasi adalah gerakan lambat minyak bumi dan gas keluar dari batuan sumber tempat keduanya terbentuk, ke atas melalui batuan yang permeabel, yang didorong oleh massa jenisnya yang lebih kecil daripada air di sekitarnya.

Definisi 18.7 (Batuan reservoir; batuan penutup)

Yang disebut batuan reservoir adalah batuan berpori dan permeabel tempat minyak bumi dan gas berkumpul: pori-porinya menyimpan keduanya, dan sambungan antarpori memungkinkan keduanya mengalir menuju sumur. Yang disebut batuan penutup adalah batuan kedap di atas reservoir, yang tidak dapat dilalui minyak bumi dan gas.

Batu pasir dan sebagian batu kapur menjadi reservoir yang baik; batu lumpur, serpih, dan garam menjadi batuan penutup yang baik. Di tempat yang tidak ada penghalangnya, minyak bumi dan gas mencapai permukaan, lalu merembes keluar dan teroksidasi: karbonnya kembali ke atmosfer. Keduanya hanya berkumpul di tempat batuan penutup berbentuk sedemikian rupa sehingga keduanya tidak dapat lolos melewatinya.

Definisi 18.8 (Perangkap)

Yang disebut perangkap adalah susunan batuan reservoir dan batuan penutup yang menahan minyak bumi dan gas di tempatnya, dengan menutup jalan ke atas dari segala sisi.

Di dalam perangkap, fluida-fluida memilah diri menurut massa jenisnya: gas di atas, minyak bumi di bawahnya, air di dasar. Perangkap yang paling sederhana adalah antiklin, sebuah lengkungan pada lapisan-lapisan (lipatan adalah pokok bahasan Bab 20). Sesar, kubah garam, dan perubahan pada batuannya sendiri juga membentuk perangkap.

Contoh 18.9 (Perangkap pada antiklin)

Sebuah survei seismik memetakan bagian atas batu pasir yang ditutup oleh batu lumpur. Bagian atas itu membentuk lengkungan yang puncaknya terletak $1800\,\mathrm{m}$ di bawah permukaan. Di sekeliling puncak itu, garis kontur terdalam yang masih tertutup melingkar penuh terletak pada $2050\,\mathrm{m}$; di bawahnya, batu pasir itu terbuka ke samping. Sebuah sumur di puncak menemukan gas sampai kedalaman $1880\,\mathrm{m}$. Setinggi apa kolom minyak bumi dan gas yang dapat ditahan perangkap itu, dan berapa tebal minyak buminya?

Penyelesaian. Minyak bumi dan gas mengisi lengkungan itu dari puncak ke bawah; bagian yang turun di bawah kontur tertutup terakhir melimpah ke samping, di titik limpah, lalu bermigrasi lebih jauh. Kolom itu paling tinggi $2050 - 1800 = 250\,\mathrm{m}$. Bila perangkap itu penuh, gas mengisi bagian atas setebal $1880 - 1800 = 80\,\mathrm{m}$ dan minyak bumi bagian berikutnya setebal $2050 - 1880 = 170\,\mathrm{m}$, dengan air di bawahnya.

Setiap bagian — batuan sumber, reservoir, batuan penutup, batuan di atasnya yang mengubur batuan sumber, perangkap — diperlukan, dan semuanya harus hadir dalam urutan yang benar.

Definisi 18.10 (Sistem petroleum)

Yang disebut sistem petroleum adalah satu tubuh batuan sumber yang matang bersama semua minyak bumi dan gas yang berasal darinya, serta unsur-unsur dan proses-proses yang diperlukannya: batuan sumber, batuan reservoir, batuan penutup, dan batuan penimbun (batuan di atasnya, yang mengubur batuan sumber), serta pembentukan perangkap, pembentukan, migrasi, dan akumulasi minyak bumi dan gas.

Urutan itulah yang paling penting. Perangkap yang terbentuk setelah minyak bumi lewat tidak menangkap apa pun: diagram sejarah penimbunan menentukan umur pembentukan minyak bumi, sejarah lipatan dan sesar menentukan umur perangkap, dan sistem petroleum hanya bekerja bila perangkap itu terbentuk lebih dahulu. Ahli geologi minyak bumi juga menyebut saat yang paling baik memperlihatkan pembentukan, migrasi, dan akumulasi sekaligus sebagai momen kritis.

18.4 Tempat minyak bumi dan gas berkumpul

Di mana sebuah sistem petroleum terbentuk? Sistem itu memerlukan cekungan yang turun dalam waktu lama, perairan yang miskin oksigen untuk mengawetkan bahan organik, dan batuan penutup. Rekahan benua dan tepi benua yang tumbuh darinya memiliki ketiganya.

Ketika sebuah benua mulai terbelah, seperti Afrika saat ini di sepanjang Rekahan Afrika Timur (Buku 1, kelas 7), keraknya teregang dan patah menjadi blok-blok di sepanjang sesar normal (Bab 14). Sebagian blok turun, yang lain miring, dan palung-palung di antaranya terisi sedimen, sering kali setebal beberapa kilometer, dan danau-danau, yang lumpurnya kaya bahan organik dapat menjadi batuan sumber. Ketika peregangan berhenti, kerak yang menipis itu mendingin dan terus turun perlahan, sehingga cekungan itu terus terisi. Bila kemudian laut membanjiri cekungan yang hanya sebagian terhubung dengan samudra lalu menguap, laut itu meninggalkan lapisan garam yang tebal. Setelah rekahan itu membuka menjadi samudra, tepi-tepinya menjadi tepi benua pasif: tepi benua di dalam sebuah lempeng, jauh dari batas lempeng mana pun, yang terus turun dan menerima sedimen dari daratan.

Tepi-tepi Atlantik Selatan terbangun dengan cara ini. Afrika dan Amerika Selatan mulai berpisah pada Trias Akhir atau Jura Awal. Di lepas pantai Afrika Tengah bagian barat, palung-palung rekahan terisi sedimen setebal beberapa kilometer, di antaranya serpih danau setebal sampai $600\,\mathrm{m}$ yang mengandung karbon organik sampai $20\,\%$ dari massanya. Pada Kapur Awal laut mulai membanjir masuk, berulang kali, lalu menguap, dan meninggalkan garam setebal lebih dari satu kilometer; di tempat garam itu tetap di tempatnya, garam itu menutup minyak bumi dan gas batuan di bawahnya. Di Teluk Meksiko, garam yang lebih ringan daripada sedimen di sekitarnya telah naik membentuk kubah-kubah, dan lapisan-lapisan yang tertekuk pada kubah itu menjadi perangkap.

18.5 Batu bara

Batu bara terbentuk di darat, terutama di rawa-rawa di tepi sungai dan delta, pada iklim lembap dari tropis sampai sedang, tempat tumbuhan tumbuh cepat dan sisa-sisanya jatuh ke dalam air tergenang yang miskin oksigen. Selama berabad-abad sampai beribu-ribu tahun, sisa-sisa itu menumpuk sebagai gambut. Ketika sungai berpindah alur, atau laut naik, pasir dan lumpur mengubur gambut itu; setelah terkubur lebih dalam, gambut itu tertekan dan terpanaskan.

Definisi 18.11 (Batu bara; pembatubaraan; peringkat)

Yang disebut batu bara adalah batuan sedimen yang sebagian besar tersusun dari sisa-sisa tumbuhan darat, dan kaya karbon. Yang disebut pembatubaraan adalah perubahan gambut menjadi batu bara dan batu bara menjadi batu bara yang lebih kaya, oleh penimbunan dan pemanasan. Yang disebut peringkat sebuah batu bara adalah seberapa jauh pembatubaraan telah berlangsung: dari lignit melalui batu bara subbituminus dan bituminus sampai antrasit, kandungan karbonnya naik.

Lignit terbentuk pada kedalaman dari beberapa ratus meter sampai sekitar $1.5\,\mathrm{km}$, sampai sekitar $50{}^{\circ}\mathrm{C}$; batu bara bituminus antara 1 dan $5\,\mathrm{km}$, sampai sekitar $150{}^{\circ}\mathrm{C}$; antrasit di luar $5\,\mathrm{km}$ dan $150{}^{\circ}\mathrm{C}$. Ketika peringkatnya naik, karbon makin besar bagiannya dalam batu bara: sekitar 25 sampai $35\,\%$ pada lignit, sampai 86 hingga $97\,\%$ pada antrasit. Metana yang terbentuk di sepanjang jalan tertinggal di dalam pori-pori batu bara, dan itulah sebabnya tambang batu bara dapat mengandung gas yang mudah meledak. Pembentukan satu lapisan batu bara memerlukan jutaan tahun.

Gambut kehilangan sebagian besar volumenya di sepanjang jalan. Pada sebuah lapisan batu bara di Utah bagian tengah, perbandingan antara gambut yang terpotong oleh alur sungai purba dan batu bara yang hilang di sampingnya memberikan rasio ketebalan sekitar $11{:}1$: setiap meter batu bara bituminus itu dahulu adalah sekitar sebelas meter gambut.

18.6 Latihan

Latihan 18.1 ★

Urutkan langkah-langkah yang mengarah dari plankton ke minyak bumi di dalam perangkap: migrasi; pematangan dalam jendela minyak; penimbunan di bawah sedimen yang lebih muda; plankton mati mengendap di dasar laut yang miskin oksigen; minyak bumi berkumpul di bawah batuan penutup; bahan organik menjadi kerogen di dalam lumpur.

Solusi

Solusi Latihan 18.1.

Plankton mati mengendap di dasar laut yang miskin oksigen; bahan organik menjadi kerogen di dalam lumpur; penimbunan di bawah sedimen yang lebih muda; pematangan dalam jendela minyak; migrasi; minyak bumi berkumpul di bawah batuan penutup.

Latihan 18.2 ★

Untuk setiap batuan, katakan apakah batuan itu lebih mungkin menjadi batuan sumber, batuan reservoir, atau batuan penutup: (1) serpih gelap yang kaya bahan organik; (2) batu pasir yang terpilah baik dengan pori-pori yang saling terhubung; (3) selapis garam; (4) batu lumpur tanpa bahan organik; (5) batu kapur yang penuh rongga terbuka.

Solusi

Solusi Latihan 18.2.

(1) Batuan sumber. (2) Batuan reservoir. (3) Batuan penutup. (4) Batuan penutup. (5) Batuan reservoir.

Latihan 18.3 ★

Di sebuah cekungan, permukaannya bersuhu $10{}^{\circ}\mathrm{C}$ dan gradien geotermalnya $25{}^{\circ}\mathrm{C}/\mathrm{km}$. Di antara kedalaman berapa jendela minyak terletak? Berapa tebalnya?

Solusi

Solusi Latihan 18.3.

Puncak: $(60 - 10)/25 = 2.0\,\mathrm{km}$; dasar: $(120 - 10)/25 = 4.4\,\mathrm{km}$. Tebal jendela itu $60/25 = 2.4\,\mathrm{km}$.

Latihan 18.4 ★

(1) Urutkan lignit, antrasit, batu bara bituminus, dan gambut menurut peringkat yang naik. (2) Manakah yang kandungan karbonnya paling tinggi? (3) Manakah yang terbentuk pada kedalaman dan suhu yang paling besar?

Solusi

Solusi Latihan 18.4.

(1) Gambut, lignit, batu bara bituminus, antrasit. (2) Antrasit, 86 sampai $97\,\%$ karbon. (3) Antrasit, di luar sekitar $5\,\mathrm{km}$ dan $150{}^{\circ}\mathrm{C}$.

Latihan 18.5 ★

(1) Di dalam perangkap, mengapa gas terletak di atas minyak bumi, dan minyak bumi di atas air? (2) Mengapa batuan di atas reservoir harus kedap? Sebutkan dua batuan yang menjadi batuan penutup yang baik.

Solusi

Solusi Latihan 18.5.

(1) Fluida-fluida memilah diri menurut massa jenisnya: gas paling ringan, lalu minyak bumi, lalu air. (2) Minyak bumi dan gas naik karena lebih ringan daripada air; hanya batuan yang tidak dapat dilaluinya yang menghentikannya. Batu lumpur (atau serpih) dan garam.

Latihan 18.6 ★★

Dua cekungan mempunyai suhu permukaan yang sama, $15{}^{\circ}\mathrm{C}$. Cekungan A mempunyai gradien $20{}^{\circ}\mathrm{C}/\mathrm{km}$, cekungan B $40{}^{\circ}\mathrm{C}/\mathrm{km}$. (1) Hitung kedalaman puncak dan dasar jendela minyak di masing-masing cekungan. (2) Sebuah batuan sumber terletak pada kedalaman $2\,\mathrm{km}$ di kedua cekungan. Apa yang dihasilkannya di masing-masing cekungan? (3) Di cekungan mana sebuah sumur harus menembus lebih dalam untuk menemukan minyak bumi yang terbentuk di tempat?

Solusi

Solusi Latihan 18.6.

(1) A: $(60 - 15)/20 = 2.25\,\mathrm{km}$ dan $(120 - 15)/20 = 5.25\,\mathrm{km}$. B: $45/40 \approx 1.13\,\mathrm{km}$ dan $105/40 \approx 2.63\,\mathrm{km}$. (2) Pada $2\,\mathrm{km}$: di A, $15 + 40 = 55{}^{\circ}\mathrm{C}$, belum matang, tanpa minyak bumi; di B, $15 + 80 = 95{}^{\circ}\mathrm{C}$, di dalam jendela minyak, batuan itu menghasilkan minyak bumi. (3) Di cekungan A: minyak bumi terbentuk di sana hanya di bawah $2.25\,\mathrm{km}$.

Latihan 18.7 ★★

Ambil rasio $11{:}1$ yang diukur di Utah bagian tengah antara tebal gambut dan tebal batu bara yang terbentuk darinya. (1) Berapa tebal gambut yang membentuk lapisan batu bara setebal $3\,\mathrm{m}$? (2) Misalkan gambut itu menumpuk $1\,\mathrm{mm}$ setahun. Berapa lama waktu penumpukannya? (3) Mengapa rawa itu pasti terus turun selama waktu itu?

Solusi

Solusi Latihan 18.7.

(1) $11 \times 3 = 33\,\mathrm{m}$ gambut. (2) $33\,000\,\mathrm{mm}$ dengan laju $1\,\mathrm{mm}$ setahun: sekitar $33\,000$ tahun. (3) Gambut hanya bertahan di tempat ia berada di bawah air yang tergenang, jauh dari jangkauan oksigen; selagi gambut menumpuk, tanahnya harus turun dengan laju yang sama agar permukaannya tetap terendam air.

Latihan 18.8 ★★

Gunakan diagram sejarah penimbunan Cekungan Merrow (permukaan $20{}^{\circ}\mathrm{C}$, gradien $30{}^{\circ}\mathrm{C}/\mathrm{km}$). Batuan sumber berada pada kedalaman $1.2\,\mathrm{km}$ 120 juta tahun yang lalu, $2.3\,\mathrm{km}$ 95 juta tahun yang lalu, dan $4.0\,\mathrm{km}$ 20 juta tahun yang lalu. (1) Hitung suhunya pada setiap waktu itu. (2) Pada setiap waktu itu, apakah batuan itu belum matang, berada dalam jendela minyak, atau dalam jendela gas?

Solusi

Solusi Latihan 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) 120 juta tahun yang lalu, belum matang; 95 juta tahun yang lalu, di dalam jendela minyak; 20 juta tahun yang lalu, di dalam jendela gas.

Latihan 18.9 ★★

Bagian atas sebuah batu pasir reservoir membentuk lengkungan yang puncaknya berada pada kedalaman $2400\,\mathrm{m}$; kontur tertutupnya yang terdalam berada pada $2580\,\mathrm{m}$. Sebuah sumur di puncak menemukan gas sampai $2450\,\mathrm{m}$, lalu minyak bumi. (1) Berapa tinggi terbesar kolom yang dapat ditahan perangkap itu? (2) Bila perangkap itu penuh, berapa tebal minyak buminya? (3) Minyak bumi dan gas yang terus berdatangan setelah perangkap itu penuh: ke mana perginya?

Solusi

Solusi Latihan 18.9.

(1) $2580 - 2400 = 180\,\mathrm{m}$. (2) Gas mengisi $2450 - 2400 = 50\,\mathrm{m}$, minyak bumi $2580 - 2450 = 130\,\mathrm{m}$. (3) Keduanya melimpah keluar di titik limpah, di bawah kontur tertutup yang terdalam, lalu bermigrasi lebih jauh ke atas, ke perangkap lain atau ke permukaan.

Latihan 18.10 ★★

Bila tidak ada pengukuran kerogen, ahli geologi minyak bumi menganggap batuan sumber yang terkubur di bawah lebih dari $3\,\mathrm{km}$ batuan sebagai batuan yang telah matang. Dengan permukaan bersuhu $20{}^{\circ}\mathrm{C}$: (1) Gradien berapa yang menempatkan $3\,\mathrm{km}$ di puncak jendela minyak? di dasarnya? (2) Dengan gradien 25 sampai $34{}^{\circ}\mathrm{C}/\mathrm{km}$ yang diukur di lubang bor, di mana letak $3\,\mathrm{km}$? Apakah aturan itu masuk akal?

Solusi

Solusi Latihan 18.10.

(1) Puncak jendela pada $3\,\mathrm{km}$: $(60 - 20)/3 \approx 13{}^{\circ}\mathrm{C}/\mathrm{km}$; dasarnya: $(120 - 20)/3 \approx 33{}^{\circ}\mathrm{C}/\mathrm{km}$. (2) Pada $3\,\mathrm{km}$ suhunya $20 + 75 = 95{}^{\circ}\mathrm{C}$ sampai $20 + 102 = 122{}^{\circ}\mathrm{C}$: di dalam jendela minyak, atau di dasarnya untuk gradien yang paling curam. Aturan itu masuk akal: di kebanyakan cekungan, batuan sumber di bawah $3\,\mathrm{km}$ batuan telah mulai menghasilkan minyak bumi.

Latihan 18.11 ★★

Tiga contoh batu bara mengandung $30\,\%$, $70\,\%$, dan $92\,\%$ karbon. (1) Sebutkan peringkat masing-masing. (2) Dengan kedalaman dan suhu yang diberikan dalam pelajaran, manakah yang terkubur paling dalam? (3) Lignit berpenampilan kusam dan cokelat kehitaman; bagaimana penampilan antrasit?

Solusi

Solusi Latihan 18.11.

(1) $30\,\%$: lignit; $70\,\%$: batu bara bituminus; $92\,\%$: antrasit. (2) Antrasit, di luar sekitar $5\,\mathrm{km}$ dan $150{}^{\circ}\mathrm{C}$. (3) Hitam dan berkilap kaca.

Latihan 18.12 ★★★

Antara 120 dan 95 juta tahun yang lalu, lumpur setebal $1100\,\mathrm{m}$ menumpuk di Cekungan Merrow. (1) Hitung laju penimbunannya dalam meter per sejuta tahun. (2) Dengan gradien $30{}^{\circ}\mathrm{C}/\mathrm{km}$, berapa derajat batuan sumber menghangat per sejuta tahun? (3) Seandainya laju ini terus berlangsung, berapa lama batuan sumber memerlukan waktu untuk melintasi seluruh jendela minyak? (4) Model itu memberikan sekitar 66 juta tahun. Mengapa lebih lama?

Solusi

Solusi Latihan 18.12.

(1) $1100/25 = 44\,\mathrm{m}$ per sejuta tahun. (2) $0.044 \times 30 \approx 1.3{}^{\circ}\mathrm{C}$ per sejuta tahun. (3) Jendela itu membentang $60{}^{\circ}\mathrm{C}$: $60/1.32 \approx 45$ juta tahun. (4) Penimbunan melambat setelah 95 juta tahun yang lalu (sekitar 24, lalu 23 dan $20\,\mathrm{m}$ per sejuta tahun): batuan sumber menghangat lebih lambat.

Latihan 18.13 ★★★

Di Cekungan Merrow, batuan sumber berada dalam jendela minyak dari sekitar 117 sampai sekitar 51 juta tahun yang lalu, dan antiklin yang memerangkap minyak bumi terbentuk 80 juta tahun yang lalu. (1) Anggaplah batuan sumber menghasilkan minyak bumi dengan laju tetap selama berada di dalam jendela. Berapa bagian minyak buminya yang terbentuk setelah perangkap itu ada? (2) Apa yang terjadi pada sisanya? (3) Seandainya antiklin itu terbentuk 40 juta tahun yang lalu, apa yang dapat ditahannya?

Solusi

Solusi Latihan 18.13.

(1) $(80 - 51)/(117 - 51) = 29/66 \approx 0.44$: sekitar $44\,\%$. (2) Minyak bumi itu bermigrasi ke atas sebelum ada perangkap di atasnya: minyak itu lolos ke permukaan, tempat ia teroksidasi, atau berkumpul di perangkap lain. (3) Pada 40 juta tahun yang lalu batuan sumber telah meninggalkan jendela minyak: batuan itu hanya menghasilkan gas, dan antiklin itu hanya dapat menahan gas darinya.

Latihan 18.14 ★★★

Ambil sejarah penimbunan Cekungan Merrow (Latihan 18.8: $0.4\,\mathrm{km}$ pada 150 juta tahun yang lalu, $1.2\,\mathrm{km}$ pada 120, $2.3\,\mathrm{km}$ pada 95, $3.0\,\mathrm{km}$ pada 66, dengan kedalaman yang bertambah secara tetap di antaranya), tetapi untuk cekungan yang lebih panas: gradien $40{}^{\circ}\mathrm{C}/\mathrm{km}$, permukaan $20{}^{\circ}\mathrm{C}$. (1) Hitung kedalaman puncak dan dasar jendela minyak. (2) Hitung umur ketika batuan sumber memasuki dan meninggalkan jendela itu. (3) Antiklin itu tetap terbentuk 80 juta tahun yang lalu. Apakah antiklin itu akan menahan minyak bumi? Gas?

Solusi

Solusi Latihan 18.14.

(1) Puncak: $(60 - 20)/40 = 1.0\,\mathrm{km}$; dasar: $(120 - 20)/40 = 2.5\,\mathrm{km}$. (2) $1.0\,\mathrm{km}$ terletak antara $0.4\,\mathrm{km}$ (150 juta tahun yang lalu) dan $1.2\,\mathrm{km}$ (120): $150 - 30 \times 0.6/0.8 = 127.5$ juta tahun yang lalu. $2.5\,\mathrm{km}$ terletak antara $2.3\,\mathrm{km}$ (95) dan $3.0\,\mathrm{km}$ (66): $95 - 29 \times 0.2/0.7 \approx 86.7$ juta tahun yang lalu. (3) Tidak ada minyak bumi: batuan sumber meninggalkan jendela minyak sebelum antiklin itu terbentuk, dan minyak buminya telah bermigrasi pergi. Antiklin itu dapat menahan gas yang terbentuk setelah 80 juta tahun yang lalu.

Latihan 18.15 ★★★

Sebuah lapisan antrasit dari zaman Karbon kini tersingkap di permukaan. Zaman Karbon berakhir sekitar 299 juta tahun yang lalu. (1) Dengan kedalaman yang diberikan dalam pelajaran, seberapa dalam lapisan itu setidaknya pernah terkubur? (2) Dengan permukaan bersuhu $15{}^{\circ}\mathrm{C}$ dan gradien $30{}^{\circ}\mathrm{C}/\mathrm{km}$, suhu berapa yang dicapainya pada kedalaman itu? Apakah suhu itu sesuai dengan suhu yang diberikan untuk antrasit? (3) Apa yang telah terjadi pada batuan yang dahulu berada di atasnya? Berikan batas bawah laju rata-ratanya, dalam milimeter per tahun, dengan menganggap semuanya terjadi setelah zaman Karbon.

Solusi

Solusi Latihan 18.15.

(1) Setidaknya $5\,\mathrm{km}$. (2) $15 + 30 \times 5 = 165{}^{\circ}\mathrm{C}$, di atas $150{}^{\circ}\mathrm{C}$: sesuai. (3) Batuan setebal setidaknya $5\,\mathrm{km}$ telah terangkat dan tererosi. $5 \times 10^{6}\,\mathrm{mm}$ dalam paling lama $299$ juta tahun memberikan setidaknya $5 \times 10^6/2.99 \times 10^8 \approx 0.017\,\mathrm{mm}$ setahun secara rata-rata.

18.7 Soal: Kapan Batuan Induk Menghasilkan Minyak Bumi?

Soal 18.1

Soal akhir pekan — menentukan umur minyak bumi sebuah cekungan rekaan

Sebuah sumur yang dibor menembus puncak sebuah antiklin di Cekungan Merrow, sebuah cekungan rekaan, melintasi lapisan-lapisan di bawahnya. Setelah ditentukan umurnya dari fosil-fosilnya, lapisan-lapisan itu merekam bagaimana cekungan itu terisi. Dari yang tertua:

selang (juta tahun yang lalu)	tebal	batuan
165 sampai 150	$400\,\mathrm{m}$	serpih hitam kaya bahan organik, lalu batu lumpur
150 sampai 120	$800\,\mathrm{m}$	batu pasir berpori
120 sampai 95	$1100\,\mathrm{m}$	batu lumpur
95 sampai 66	$700\,\mathrm{m}$	kapur
66 sampai 35	$700\,\mathrm{m}$	pasir dan lempung
35 sampai 20	$300\,\mathrm{m}$	pasir
20 sampai kini	$-500\,\mathrm{m}$	pengangkatan: $500\,\mathrm{m}$ teratas tererosi

Permukaannya bersuhu $20{}^{\circ}\mathrm{C}$ dan gradien geotermalnya $30{}^{\circ}\mathrm{C}/\mathrm{km}$, keduanya dianggap tetap. Lapisan-lapisan itu mempertahankan tebalnya setelah diendapkan (pemadatan diabaikan). Antiklin itu terbentuk 80 juta tahun yang lalu. Ikutilah serpih hitam di dasar, yang diendapkan 165 juta tahun yang lalu.

Bagian I — Batuan.

1. Lapisan manakah yang menjadi batuan sumber, mana reservoir, dan mana batuan penutup?
2. Apa yang membuat serpih hitam itu kaya bahan organik?
3. Zaman Jura berlangsung dari sekitar $201.4$ sampai $143.1$ juta tahun yang lalu. Pada zaman apa batuan sumber itu diendapkan? Batu pasirnya?
4. Apakah kerogen itu? Mengapa serpih hitam itu tidak menghasilkan minyak bumi di permukaan?
5. Berapa tebal batuan yang kini berada di atas batuan sumber?

Bagian II — Penimbunan terhadap waktu.

6. Hitung kedalaman batuan sumber 150, 120, 95, 66, 35, dan 20 juta tahun yang lalu, dan kini.
7. Hitung laju penimbunan, dalam meter per sejuta tahun, selama masing-masing dari enam selang pertama.
8. Kapan batuan sumber berada paling dalam, dan seberapa dalam?
9. Mengapa kedalamannya berkurang selama 20 juta tahun terakhir?
10. Seberapa dalam dasar batu pasir itu kini?

Bagian III — Suhu terhadap waktu.

11. Hitung suhu batuan sumber pada setiap waktu dalam pertanyaan 6.
12. Di antara kedalaman berapa jendela minyak terletak di cekungan ini?
13. Di antara dua waktu manakah dalam pertanyaan 6 batuan sumber melewati $60{}^{\circ}\mathrm{C}$?
14. Dengan menganggap kedalamannya bertambah secara tetap dalam selang itu, hitung umur ketika batuan itu mencapai $60{}^{\circ}\mathrm{C}$.
15. Dengan cara yang sama, hitung kapan batuan itu mencapai $120{}^{\circ}\mathrm{C}$.

Bagian IV — Masuk ke jendela, dan perangkapnya.

16. Berapa suhu tertinggi yang dicapainya? Apa yang dihasilkannya kini?
17. Apa yang terjadi pada minyak bumi yang terbentuk sebelum antiklin itu ada?
18. Dengan menganggap minyak bumi terbentuk dengan laju tetap selama batuan sumber berada di dalam jendela, berapa bagian minyak bumi yang terbentuk setelah antiklin itu ada?
19. Fluida apa saja yang akan dijumpai sumur itu di puncak antiklin, dan dalam urutan apa dari atas?
20. Simpulkan: kapan batuan sumber memasuki jendela minyak?

Solusi

Solusi Soal 18.1.

1. Batuan sumber: serpih hitam; reservoir: batu pasir berpori; batuan penutup: batu lumpur di atasnya.

2. Plankton yang mengendap di dasar laut yang miskin oksigen luput dari pembusukan dan terkubur di dalam lumpur.

3. Batuan sumber pada zaman Jura (165 terletak antara 201.4 dan 143.1). Batu pasirnya mulai diendapkan pada zaman Jura dan sebagian besar diendapkan pada Kapur Awal.

4. Bahan organik yang tersebar dalam batuan sedimen, yang tidak larut dalam pelarut organik. Kerogen baru menghasilkan minyak bumi setelah terpanaskan sampai sekitar $60{}^{\circ}\mathrm{C}$, dan itu memerlukan penimbunan.

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

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

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

8. 20 juta tahun yang lalu, pada $4.0\,\mathrm{km}$.

9. Cekungan itu terangkat dan batuan setebal $500\,\mathrm{m}$ tererosi dari bagian atasnya.

10. Dasar batu pasir diendapkan 150 juta tahun yang lalu, di atas serpih dan batu lumpur setebal $400\,\mathrm{m}$: $3.5 - 0.4 = 3.1\,\mathrm{km}$.

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

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

13. Antara 120 juta tahun yang lalu ($56{}^{\circ}\mathrm{C}$) dan 95 juta tahun yang lalu ($89{}^{\circ}\mathrm{C}$).

14. Suhunya naik 33 derajat dalam 25 juta tahun; diperlukan $25 \times 4/33 \approx 3.0$ juta tahun untuk naik 4 derajat dari $56$ ke $60{}^{\circ}\mathrm{C}$: sekitar $120 - 3.0 = 117$ juta tahun yang lalu.

15. Antara 66 juta tahun yang lalu ($110{}^{\circ}\mathrm{C}$) dan 35 ($131{}^{\circ}\mathrm{C}$): $66 - 31 \times 10/21 \approx 51.2$ juta tahun yang lalu.

16. $140{}^{\circ}\mathrm{C}$, 20 juta tahun yang lalu. Pada $125{}^{\circ}\mathrm{C}$ kini batuan itu berada di dalam jendela gas: batuan itu terutama menghasilkan metana.

17. Karena tidak ada perangkap di atasnya, minyak bumi itu bermigrasi ke atas dan lolos, ke permukaan atau ke perangkap lain.

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

19. Gas di puncak, lalu minyak bumi, lalu air.

20. Batuan sumber memasuki jendela minyak sekitar 117 juta tahun yang lalu.