18De geologie van steenkool, olie en gas

Een plaat zwarte schalie uit een oude kolenmijn in Pennsylvania draagt de bladeren van varenachtige planten, platgedrukt en zilverig tegen het donkere gesteente. Ze groeiden meer dan driehonderd miljoen jaar geleden in een moeras, in het Carboon; begraven voordat ze konden rotten, behielden ze hun vorm, en de koolstof van de moerasplanten werd steenkool. Olie en gas, die vandaag worden opgepompt vanaf platforms op zee, hebben dezelfde soort oorsprong: de resten van levende wezens die aan afbraak ontsnapten en daarna werden begraven en verhit. Dit hoofdstuk volgt die begraven koolstof van het moeras en de zeebodem tot de steenkoollaag en het olieveld.

Wat je al weet

Steenkool, olie en aardgas zijn fossiele brandstoffen: olie en gas zijn mengsels van koolwaterstoffen, verbindingen van koolstof en waterstof, en het verbranden van een fossiele brandstof levert energie en koolstofdioxide op (de scheikundeboeken). Planten en algen maken organisch materiaal uit koolstofdioxide en water door fotosynthese (de biologieboeken). Steenkool, olie en gas komen van organisch materiaal dat in sedimenten is begraven, en ze worden opgeslagen in sedimentaire gesteenten (Boek 1, jaar 9). Een gesteente is poreus wanneer het lege ruimten bevat, doorlatend wanneer water erdoorheen kan stromen (Boek 1, jaar 6). De temperatuur stijgt met de diepte langs de geotherm, met 25 tot $30{}^{\circ}\mathrm{C}$ per kilometer in de eerste kilometers (Hoofdstuk 12).

18.1 Organisch materiaal bewaren

Het meeste organische materiaal wordt nooit een brandstof. Een dood blad of een dode alg wordt opgegeten door dieren en bacteriën of reageert met de zuurstof van de lucht: binnen weken of jaren is zijn koolstof als koolstofdioxide naar de atmosfeer teruggekeerd. Organisch materiaal overleeft alleen waar het van zuurstof is afgesloten — op de bodem van een stilstaand moeras, of op een zee- of meerbodem waarvan het water geen zuurstof bevat. Daar begraven onder meer sediment kan het tientallen of honderden miljoenen jaren bewaard blijven.

Steenkool komt vooral van landplanten die zich in moerassen opstapelden. Olie en gas komen vooral van de microscopisch kleine algen en ander plankton van de zee: waar het oppervlaktewater heel productief is, regent dood plankton op de zeebodem snel genoeg om voor een deel aan afbraak te ontsnappen, en wordt het in de modder begraven.

Definitie 18.1 (Brongesteente; kerogeen)

Kerogeen is het organische materiaal dat verspreid zit in een sedimentair gesteente, in kleine deeltjes die niet oplossen in organische oplosmiddelen. Een brongesteente is een sedimentair gesteente dat rijk is aan kerogeen, en waarin olie en gas ontstaan wanneer het wordt begraven en verhit.

De meeste brongesteenten zijn schalies en kleistenen, afgezet als modder die rijk is aan organisch materiaal. Dicht bij het oppervlak blijft hun kerogeen vast: bacteriën die zonder zuurstof leven, zetten een deel van het organische materiaal om in methaan, maar het meeste van dat methaan ontsnapt terug naar het oppervlak. Olie maken vraagt warmte, en warmte vraagt diepte.

18.2 Begraving en rijping

Definitie 18.2 (Sedimentair bekken)

Een sedimentair bekken is een gebied van de korst dat over miljoenen jaren daalt, zodat er sedimenten in worden opgestapeld, vaak verscheidene kilometers dik.

In een dalend bekken wordt elke laag steeds dieper begraven onder de lagen die zich erbovenop opstapelen. Terwijl ze naar beneden gaat, volgt ze de geotherm: ze wordt verhit. Haar kerogeen wordt langzaam gekookt, zijn grote moleculen worden gebroken tot de kleinere van olie en gas.

Definitie 18.3 (Rijping; olievenster; gasvenster)

De rijping van een brongesteente is de omzetting van zijn kerogeen in olie en gas terwijl het wordt begraven en verhit. Het olievenster is het temperatuurbereik, van ongeveer 60 tot $120{}^{\circ}\mathrm{C}$, waarin het kerogeen vooral olie vormt. Boven ongeveer $120{}^{\circ}\mathrm{C}$, in het gasvenster, vormt het vooral methaan.

Omdat de temperatuur met de diepte stijgt, is het olievenster ook een bereik van diepten. Waar de geotherm een rechte lijn is, is het makkelijk te vinden.

Propositie 18.4 (Diepte van het olievenster)

Laat de temperatuur $T_0$ zijn aan het oppervlak en met de diepte $z$ stijgen met een constante geothermische gradiënt $G$: $T = T_0 + G z$. Dan ligt het olievenster tussen de diepten

$$z_{\text{boven}} = \frac{60 - T_0}{G} \qquad\text{en}\qquad z_{\text{onder}} = \frac{120 - T_0}{G},$$

met temperaturen in ${}^{\circ}\mathrm{C}$. Zijn dikte is $60/G$: hoe steiler de geotherm, hoe ondieper en hoe dunner het venster.

Met een oppervlak van $20{}^{\circ}\mathrm{C}$ en een gradiënt van $30{}^{\circ}\mathrm{C}$ per kilometer ligt het olievenster tussen $40/30 \approx 1.3\,\mathrm{km}$ en $100/30 \approx 3.3\,\mathrm{km}$. In boorgaten in de Verenigde Staten is de gradiënt gemiddeld $29{}^{\circ}\mathrm{C}$ per kilometer, $25$ in het oosten en $34$ in het westen; een brongesteente moet meestal meer dan ongeveer $2\,\mathrm{km}$ diep begraven zijn voordat het olie maakt. Wanneer er geen meting van het kerogeen beschikbaar is, hebben aardoliegeologen een brongesteente dat onder meer dan ongeveer $3\,\mathrm{km}$ jongere gesteenten ligt, als rijp beschouwd.

Een diagram als dit heet een begravingsdiagram: de ouderdom loopt van links naar rechts naar vandaag, de diepte naar beneden. Het maakt van een kolom gesteenten, laag voor laag gedateerd, een verhaal.

Methode 18.5 (Een begravingsdiagram lezen)

1. Zoek de lijn van het brongesteente: ze begint aan het oppervlak op de dag dat het gesteente werd afgezet.
2. Teken de bovenkant en de onderkant van het olievenster, als diepten, uit de geotherm (Propositie 18.4).
3. Lees de ouderdom af waarop de lijn van het brongesteente de bovenkant van het venster snijdt: het brongesteente begint olie te maken. Lees de ouderdom af waarop ze de onderkant snijdt: vanaf dan maakt het gas.
4. Vergelijk die ouderdommen met de ouderdom van de val: alleen olie en gas die zijn ontstaan nadat de val bestaat, kunnen erin worden vastgehouden.

In het Merrowbekken komt het brongesteente ongeveer 117 miljoen jaar geleden in het olievenster en verlaat het dat ongeveer 51 miljoen jaar geleden; zijn diepste begraving, $4.0\,\mathrm{km}$ bij $140{}^{\circ}\mathrm{C}$, komt 20 miljoen jaar geleden, voordat opheffing en erosie het weer omhoogbrengen. Vandaag ligt het nog in het gasvenster. Het weekendprobleem berekent deze ouderdommen.

18.3 Van bron naar val

Olie en gas zijn lichter dan water, en de poriën van begraven gesteenten zijn vol water. Eenmaal gevormd worden ze uit het brongesteente geperst en kruipen ze omhoog, door elk gesteente dat ze doorlaat.

Definitie 18.6 (Migratie)

Migratie is de langzame beweging van olie en gas uit het brongesteente waarin ze zijn ontstaan, omhoog door doorlatende gesteenten, aangedreven door hun lagere dichtheid dan het water eromheen.

Definitie 18.7 (Reservoirgesteente; afdekgesteente)

Een reservoirgesteente is een poreus en doorlatend gesteente waarin olie en gas zich verzamelen: zijn poriën slaan ze op, en hun verbindingen laten ze naar een put stromen. Een afdekgesteente is een ondoorlatend gesteente boven het reservoir, waar olie en gas niet doorheen kunnen.

Zandstenen en sommige kalkstenen zijn goede reservoirs; kleistenen, schalies en zout zijn goede afdekgesteenten. Waar niets ze tegenhoudt, bereiken olie en gas het oppervlak, waar ze naar buiten sijpelen en worden geoxideerd: hun koolstof gaat terug naar de atmosfeer. Ze verzamelen zich alleen waar een afdekgesteente zo is gevormd dat ze er niet langs kunnen glippen.

Definitie 18.8 (Val)

Een val is een opbouw van reservoirgesteente en afdekgesteente die olie en gas op hun plaats houdt, doordat hij de weg omhoog aan elke kant afsluit.

In een val sorteren de vloeistoffen zich naar dichtheid: gas bovenaan, olie eronder, water onderaan. De eenvoudigste val is een anticlinaal, een boog in de lagen (plooien zijn het onderwerp van Hoofdstuk 20). Breuken, zoutkoepels en veranderingen in de gesteenten zelf maken ook vallen.

Voorbeeld 18.9 (Een val in een anticlinaal)

Een seismisch onderzoek brengt de bovenkant van een zandsteen onder een afdeklaag van kleisteen in kaart. Die vormt een boog waarvan de top $1800\,\mathrm{m}$ onder het oppervlak ligt. Rond de top ligt de diepste hoogtelijn die nog helemaal rondom sluit, op $2050\,\mathrm{m}$; daaronder is de zandsteen opzij open. Een put op de top vindt gas tot $1880\,\mathrm{m}$. Hoe hoog kan de kolom olie en gas zijn die de val kan bevatten, en hoe dik is de olie?

Oplossing. Olie en gas vullen de boog van de top naar beneden; wat onder de laatste gesloten hoogtelijn zakt, loopt opzij weg, bij het overlooppunt, en migreert verder. De kolom is hoogstens $2050 - 1800 = 250\,\mathrm{m}$ hoog. Als de val vol is, vult gas de bovenste $1880 - 1800 = 80\,\mathrm{m}$ en olie de volgende $2050 - 1880 = 170\,\mathrm{m}$, met water eronder.

Elk van de onderdelen — een brongesteente, een reservoir, een afdekgesteente, de gesteenten erbovenop die het brongesteente begraven, een val — is nodig, en ze moeten in de juiste volgorde komen.

Definitie 18.10 (Petroleumsysteem)

Een petroleumsysteem is een lichaam rijp brongesteente samen met alle olie en gas die eruit zijn voortgekomen, en de elementen en processen die ze nodig hebben: het brongesteente, het reservoirgesteente, het afdekgesteente en het dekpakket (de gesteenten erboven, die het brongesteente begraven), en de vorming van vallen, het ontstaan, de migratie en de ophoping van olie en gas.

De volgorde telt het meest. Een val die ontstaat nadat de olie voorbij is, vangt niets: het begravingsdiagram dateert het ontstaan van olie, de geschiedenis van de plooien en breuken dateert de val, en het petroleumsysteem werkt alleen als de val er eerst was. Aardoliegeologen noemen het tijdstip dat ontstaan, migratie en ophoping het best samen laat zien ook het kritieke moment.

18.4 Waar olie en gas zich verzamelen

Waar komt een petroleumsysteem samen? Het heeft een bekken nodig dat lang daalt, zuurstofarm water om organisch materiaal te bewaren, en afdekgesteenten. Rifts en de continentranden waartoe ze uitgroeien, hebben alle drie.

Wanneer een continent begint te splijten, zoals Afrika vandaag langs de Oost-Afrikaanse Rift (Boek 1, jaar 7), rekt zijn korst uit en breekt ze in blokken langs afschuivingen (Hoofdstuk 14). Sommige blokken zakken, andere kantelen, en de troggen ertussen vullen zich met sedimenten, vaak verscheidene kilometers dik, en met meren, waarvan de modder die rijk is aan organisch materiaal brongesteente kan worden. Wanneer de uitrekking stopt, koelt de verdunde korst af en blijft ze langzaam dalen, zodat het bekken zich blijft vullen. Als de zee dan een bekken binnenstroomt dat maar gedeeltelijk met de oceaan is verbonden, en verdampt, laat ze dikke lagen zout achter. Zodra de rift tot een oceaan is opengegaan, worden zijn randen passieve randen: continentranden binnen een plaat, ver van elke plaatgrens, die blijven dalen en sediment van het land ontvangen.

De randen van de Zuid-Atlantische Oceaan zijn zo opgebouwd. Afrika en Zuid-Amerika begonnen in het Laat-Trias of Vroeg-Jura uit elkaar te gaan. Voor de kust van het westen van Centraal-Afrika vulden de rifttroggen zich met verscheidene kilometers sediment, waaronder meerschalies tot $600\,\mathrm{m}$ dik met tot $20\,\%$ organische koolstof naar massa. In het Vroeg-Krijt begon de zee keer op keer binnen te stromen, en verdampte ze, waarbij ze meer dan een kilometer zout achterliet; waar het zout op zijn plaats is gebleven, dekt het de olie en het gas van de gesteenten eronder af. In de Golf van Mexico is zout dat lichter is dan de sedimenten eromheen in koepels opgestegen, en de lagen die ertegen zijn gebogen, zijn vallen.

18.5 Steenkool

Steenkool ontstaat op het land, vooral in moerassen langs rivieren en delta’s, in vochtige klimaten van tropisch tot gematigd, waar planten snel groeien en hun resten in stilstaand, zuurstofarm water vallen. In eeuwen tot millennia stapelen ze zich op als veen. Wanneer een rivier van loop verandert, of de zee stijgt, begraven zand en modder het veen; dieper begraven wordt het samengeperst en verhit.

Definitie 18.11 (Steenkool; inkoling; inkolingsgraad)

Steenkool is een sedimentair gesteente dat vooral bestaat uit de resten van landplanten, rijk aan koolstof. Inkoling is de omzetting van veen in steenkool en van steenkool in rijkere steenkool, door begraving en verhitting. De inkolingsgraad van een steenkool is hoe ver de inkoling is gevorderd: van bruinkool via subbitumineuze en bitumineuze kool tot antraciet stijgt het koolstofgehalte.

Bruinkool ontstaat op diepten van een paar honderd meter tot ongeveer $1.5\,\mathrm{km}$, tot ongeveer $50{}^{\circ}\mathrm{C}$; bitumineuze kool tussen 1 en $5\,\mathrm{km}$, tot ongeveer $150{}^{\circ}\mathrm{C}$; antraciet voorbij $5\,\mathrm{km}$ en $150{}^{\circ}\mathrm{C}$. Naarmate de inkolingsgraad stijgt, maakt koolstof een steeds groter deel van de kool uit: ongeveer 25 tot $35\,\%$ in bruinkool, tot 86 à $97\,\%$ in antraciet. Methaan dat onderweg ontstaat, blijft in de poriën van de kool, en daarom kan een kolenmijn explosief gas bevatten. Het vormen van een steenkoollaag duurt miljoenen jaren.

Veen verliest onderweg het grootste deel van zijn volume. In een steenkoollaag in het midden van Utah geeft de vergelijking van het veen dat door een oude rivierbedding is weggesneden met de kool die ernaast ontbreekt, een verhouding van diktes van ongeveer $11{:}1$: elke meter van die bitumineuze kool was ooit zo’n elf meter veen.

18.6 Oefeningen

Oefening 18.1 ★

Zet de stappen op volgorde die van plankton tot olie in een val leiden: migratie; rijping in het olievenster; begraving onder jongere sedimenten; dood plankton bezinkt op een zuurstofarme zeebodem; olie verzamelt zich onder een afdekgesteente; het organische materiaal wordt kerogeen in een modder.

Oplossing

Oplossing van Oefening 18.1.

Dood plankton bezinkt op een zuurstofarme zeebodem; het organische materiaal wordt kerogeen in een modder; begraving onder jongere sedimenten; rijping in het olievenster; migratie; olie verzamelt zich onder een afdekgesteente.

Oefening 18.2 ★

Zeg voor elk gesteente of het eerder een brongesteente, een reservoirgesteente of een afdekgesteente is: (1) een donkere schalie die rijk is aan organisch materiaal; (2) een goed gesorteerde zandsteen met verbonden poriën; (3) een zoutlaag; (4) een kleisteen zonder organisch materiaal; (5) een kalksteen vol open holten.

Oplossing

Oplossing van Oefening 18.2.

(1) Brongesteente. (2) Reservoirgesteente. (3) Afdekgesteente. (4) Afdekgesteente. (5) Reservoirgesteente.

Oefening 18.3 ★

In een bekken is het oppervlak $10{}^{\circ}\mathrm{C}$ en de geothermische gradiënt $25{}^{\circ}\mathrm{C}/\mathrm{km}$. Tussen welke diepten ligt het olievenster? Hoe dik is het?

Oplossing

Oplossing van Oefening 18.3.

Bovenkant: $(60 - 10)/25 = 2.0\,\mathrm{km}$; onderkant: $(120 - 10)/25 = 4.4\,\mathrm{km}$. Het venster is $60/25 = 2.4\,\mathrm{km}$ dik.

Oefening 18.4 ★

(1) Zet bruinkool, antraciet, bitumineuze kool en veen op volgorde van stijgende inkolingsgraad. (2) Welke heeft het hoogste koolstofgehalte? (3) Welke is ontstaan op de grootste diepte en temperatuur?

Oplossing

Oplossing van Oefening 18.4.

(1) Veen, bruinkool, bitumineuze kool, antraciet. (2) Antraciet, 86 à $97\,\%$ koolstof. (3) Antraciet, voorbij ongeveer $5\,\mathrm{km}$ en $150{}^{\circ}\mathrm{C}$.

Oefening 18.5 ★

(1) Waarom ligt in een val gas boven olie, en olie boven water? (2) Waarom moet het gesteente boven een reservoir ondoorlatend zijn? Noem twee gesteenten die goede afdekgesteenten zijn.

Oplossing

Oplossing van Oefening 18.5.

(1) De vloeistoffen sorteren zich naar dichtheid: gas is het lichtst, dan olie, dan water. (2) Olie en gas stijgen omdat ze lichter zijn dan water; alleen een gesteente waar ze niet doorheen kunnen, houdt ze tegen. Kleisteen (of schalie) en zout.

Oefening 18.6 ★★

Twee bekkens hebben dezelfde oppervlaktetemperatuur, $15{}^{\circ}\mathrm{C}$. Bekken A heeft een gradiënt van $20{}^{\circ}\mathrm{C}/\mathrm{km}$, bekken B van $40{}^{\circ}\mathrm{C}/\mathrm{km}$. (1) Bereken in elk de diepten van de bovenkant en de onderkant van het olievenster. (2) Een brongesteente ligt in beide bekkens $2\,\mathrm{km}$ diep. Wat maakt het in elk? (3) In welk bekken moet een put dieper gaan om olie te vinden die ter plaatse is ontstaan?

Oplossing

Oplossing van Oefening 18.6.

(1) A: $(60 - 15)/20 = 2.25\,\mathrm{km}$ en $(120 - 15)/20 = 5.25\,\mathrm{km}$. B: $45/40 \approx 1.13\,\mathrm{km}$ en $105/40 \approx 2.63\,\mathrm{km}$. (2) Op $2\,\mathrm{km}$: in A $15 + 40 = 55{}^{\circ}\mathrm{C}$, nog niet rijp, geen olie; in B $15 + 80 = 95{}^{\circ}\mathrm{C}$, in het olievenster: het maakt olie. (3) In bekken A: daar ontstaat olie pas onder $2.25\,\mathrm{km}$.

Oefening 18.7 ★★

Neem de verhouding $11{:}1$ die in het midden van Utah is gemeten tussen de dikte van een veen en die van de kool die eruit ontstond. (1) Welke dikte veen maakte een steenkoollaag van $3\,\mathrm{m}$ dik? (2) Stel dat het veen zich ophoopte met $1\,\mathrm{mm}$ per jaar. Hoe lang duurde die ophoping? (3) Waarom moet het moeras al die tijd zijn gedaald?

Oplossing

Oplossing van Oefening 18.7.

(1) $11 \times 3 = 33\,\mathrm{m}$ veen. (2) $33\,000\,\mathrm{mm}$ met $1\,\mathrm{mm}$ per jaar: ongeveer $33\,000$ jaar. (3) Het veen blijft alleen bewaard waar het onder stilstaand water ligt, buiten bereik van zuurstof; terwijl het zich ophoopt, moet de bodem in hetzelfde tempo dalen om het oppervlak drassig te houden.

Oefening 18.8 ★★

Gebruik het begravingsdiagram van het Merrowbekken (oppervlak $20{}^{\circ}\mathrm{C}$, gradiënt $30{}^{\circ}\mathrm{C}/\mathrm{km}$). Het brongesteente lag 120 miljoen jaar geleden $1.2\,\mathrm{km}$ diep, 95 miljoen jaar geleden $2.3\,\mathrm{km}$ diep en 20 miljoen jaar geleden $4.0\,\mathrm{km}$ diep. (1) Bereken zijn temperatuur op elk tijdstip. (2) Was het op elk tijdstip onrijp, in het olievenster of in het gasvenster?

Oplossing

Oplossing van Oefening 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 miljoen jaar geleden onrijp; 95 miljoen jaar geleden in het olievenster; 20 miljoen jaar geleden in het gasvenster.

Oefening 18.9 ★★

De bovenkant van een reservoirzandsteen vormt een boog waarvan de top $2400\,\mathrm{m}$ diep ligt; zijn diepste gesloten hoogtelijn ligt op $2580\,\mathrm{m}$. Een put op de top vindt gas tot $2450\,\mathrm{m}$, en dan olie. (1) Wat is de grootste hoogte van de kolom die de val kan bevatten? (2) Hoe dik is de olie als de val vol is? (3) De olie en het gas die blijven aankomen nadat de val vol is: waar gaan ze heen?

Oplossing

Oplossing van Oefening 18.9.

(1) $2580 - 2400 = 180\,\mathrm{m}$. (2) Gas vult $2450 - 2400 = 50\,\mathrm{m}$, olie $2580 - 2450 = 130\,\mathrm{m}$. (3) Ze lopen weg bij het overlooppunt, onder de diepste gesloten hoogtelijn, en migreren verder omhoog, naar een andere val of naar het oppervlak.

Oefening 18.10 ★★

Wanneer er geen meting van het kerogeen beschikbaar is, hebben aardoliegeologen een brongesteente dat onder meer dan $3\,\mathrm{km}$ gesteenten ligt, als rijp beschouwd. Met een oppervlak van $20{}^{\circ}\mathrm{C}$: (1) Welke gradiënt legt $3\,\mathrm{km}$ op de bovenkant van het olievenster? op de onderkant? (2) Waar valt $3\,\mathrm{km}$ met de gradiënten van 25 tot $34{}^{\circ}\mathrm{C}/\mathrm{km}$ die in boorgaten zijn gemeten? Is de regel redelijk?

Oplossing

Oplossing van Oefening 18.10.

(1) Bovenkant van het venster op $3\,\mathrm{km}$: $(60 - 20)/3 \approx 13{}^{\circ}\mathrm{C}/\mathrm{km}$; onderkant: $(120 - 20)/3 \approx 33{}^{\circ}\mathrm{C}/\mathrm{km}$. (2) Op $3\,\mathrm{km}$ is de temperatuur $20 + 75 = 95{}^{\circ}\mathrm{C}$ tot $20 + 102 = 122{}^{\circ}\mathrm{C}$: in het olievenster, of aan de onderkant ervan bij de steilste gradiënten. De regel is redelijk: in de meeste bekkens is een brongesteente onder $3\,\mathrm{km}$ gesteenten begonnen olie te maken.

Oefening 18.11 ★★

Drie steenkoolmonsters bevatten $30\,\%$, $70\,\%$ en $92\,\%$ koolstof. (1) Geef de inkolingsgraad van elk. (2) Welk werd, volgens de diepten en temperaturen uit de lesstof, het diepst begraven? (3) De bruinkool ziet er dof en bruinzwart uit; hoe ziet het antraciet eruit?

Oplossing

Oplossing van Oefening 18.11.

(1) $30\,\%$: bruinkool; $70\,\%$: bitumineuze kool; $92\,\%$: antraciet. (2) Het antraciet, voorbij ongeveer $5\,\mathrm{km}$ en $150{}^{\circ}\mathrm{C}$. (3) Zwart en glazig.

Oefening 18.12 ★★★

Tussen 120 en 95 miljoen jaar geleden stapelde zich in het Merrowbekken $1100\,\mathrm{m}$ modder op. (1) Bereken de begravingssnelheid in meter per miljoen jaar. (2) Met hoeveel graden per miljoen jaar warmde het brongesteente op, bij een gradiënt van $30{}^{\circ}\mathrm{C}/\mathrm{km}$? (3) Hoe lang zou het brongesteente, als dit tempo was doorgegaan, erover hebben gedaan om het hele olievenster te doorkruisen? (4) Het model geeft ongeveer 66 miljoen jaar. Waarom langer?

Oplossing

Oplossing van Oefening 18.12.

(1) $1100/25 = 44\,\mathrm{m}$ per miljoen jaar. (2) $0.044 \times 30 \approx 1.3{}^{\circ}\mathrm{C}$ per miljoen jaar. (3) Het venster beslaat $60{}^{\circ}\mathrm{C}$: $60/1.32 \approx 45$ miljoen jaar. (4) De begraving ging na 95 miljoen jaar geleden trager (ongeveer 24, daarna 23 en $20\,\mathrm{m}$ per miljoen jaar): het brongesteente warmde langzamer op.

Oefening 18.13 ★★★

In het Merrowbekken lag het brongesteente van ongeveer 117 tot ongeveer 51 miljoen jaar geleden in het olievenster, en de anticlinaal die de olie vangt, ontstond 80 miljoen jaar geleden. (1) Neem aan dat het brongesteente in een constant tempo olie maakte zolang het in het venster lag. Welk deel van zijn olie ontstond nadat de val bestond? (2) Wat werd er van de rest? (3) Als de anticlinaal 40 miljoen jaar geleden was ontstaan, wat zou hij dan kunnen bevatten?

Oplossing

Oplossing van Oefening 18.13.

(1) $(80 - 51)/(117 - 51) = 29/66 \approx 0.44$: ongeveer $44\,\%$. (2) Ze migreerde omhoog voordat er erboven een val bestond: ze ontsnapte naar het oppervlak, waar ze werd geoxideerd, of verzamelde zich in een andere val. (3) Rond 40 miljoen jaar geleden had het brongesteente het olievenster verlaten: het maakte alleen gas, en de anticlinaal kon er alleen gas van bevatten.

Oefening 18.14 ★★★

Neem de begravingsgeschiedenis van het Merrowbekken (Oefening 18.8: $0.4\,\mathrm{km}$ 150 miljoen jaar geleden, $1.2\,\mathrm{km}$ bij 120, $2.3\,\mathrm{km}$ bij 95, $3.0\,\mathrm{km}$ bij 66, met de diepte er gelijkmatig tussenin toenemend), maar een heter bekken: gradiënt $40{}^{\circ}\mathrm{C}/\mathrm{km}$, oppervlak $20{}^{\circ}\mathrm{C}$. (1) Bereken de diepten van de bovenkant en de onderkant van het olievenster. (2) Bereken de ouderdommen waarop het brongesteente het venster binnenkwam en verliet. (3) De anticlinaal ontstaat nog steeds 80 miljoen jaar geleden. Zou hij olie bevatten? Gas?

Oplossing

Oplossing van Oefening 18.14.

(1) Bovenkant: $(60 - 20)/40 = 1.0\,\mathrm{km}$; onderkant: $(120 - 20)/40 = 2.5\,\mathrm{km}$. (2) $1.0\,\mathrm{km}$ ligt tussen $0.4\,\mathrm{km}$ (150 miljoen jaar geleden) en $1.2\,\mathrm{km}$ (120): $150 - 30 \times 0.6/0.8 = 127.5$ miljoen jaar geleden. $2.5\,\mathrm{km}$ ligt tussen $2.3\,\mathrm{km}$ (95) en $3.0\,\mathrm{km}$ (66): $95 - 29 \times 0.2/0.7 \approx 86.7$ miljoen jaar geleden. (3) Geen olie: het brongesteente verliet het olievenster voordat de anticlinaal ontstond, en zijn olie was weggemigreerd. Hij zou gas kunnen bevatten dat na 80 miljoen jaar geleden ontstond.

Oefening 18.15 ★★★

Een antracietlaag uit het Carboon dagzoomt nu aan het oppervlak. Het Carboon eindigde ongeveer 299 miljoen jaar geleden. (1) Hoe diep was de laag, volgens de diepten uit de lesstof, minstens begraven? (2) Welke temperatuur bereikte ze op die diepte, met een oppervlak van $15{}^{\circ}\mathrm{C}$ en een gradiënt van $30{}^{\circ}\mathrm{C}/\mathrm{km}$? Klopt dat met de temperatuur die voor antraciet is gegeven? (3) Wat is er gebeurd met de gesteenten die erboven lagen? Geef een ondergrens voor de gemiddelde snelheid, in millimeter per jaar, als je aanneemt dat alles na het Carboon is gebeurd.

Oplossing

Oplossing van Oefening 18.15.

(1) Minstens $5\,\mathrm{km}$. (2) $15 + 30 \times 5 = 165{}^{\circ}\mathrm{C}$, boven $150{}^{\circ}\mathrm{C}$: dat klopt. (3) Minstens $5\,\mathrm{km}$ gesteente is opgeheven en weggeërodeerd. $5 \times 10^{6}\,\mathrm{mm}$ in hoogstens $299$ miljoen jaar geeft minstens $5 \times 10^6/2.99 \times 10^8 \approx 0.017\,\mathrm{mm}$ per jaar gemiddeld.

18.7 Probleem: wanneer maakte het brongesteente olie?

Probleem 18.1

Weekendprobleem — de olie van een verzonnen bekken dateren

Een put die door de top van een anticlinaal in het Merrowbekken is geboord, een verzonnen bekken, doorkruist de lagen eronder. Gedateerd met hun fossielen vertellen ze hoe het bekken zich vulde. Van de oudste af:

interval (miljoen jaar geleden)	dikte	gesteenten
165 tot 150	$400\,\mathrm{m}$	zwarte, organisch rijke schalie, dan kleisteen
150 tot 120	$800\,\mathrm{m}$	poreuze zandsteen
120 tot 95	$1100\,\mathrm{m}$	kleisteen
95 tot 66	$700\,\mathrm{m}$	krijt
66 tot 35	$700\,\mathrm{m}$	zanden en kleien
35 tot 20	$300\,\mathrm{m}$	zanden
20 tot vandaag	$-500\,\mathrm{m}$	opheffing: de bovenste $500\,\mathrm{m}$ weggeërodeerd

Het oppervlak is $20{}^{\circ}\mathrm{C}$ en de geothermische gradiënt is $30{}^{\circ}\mathrm{C}/\mathrm{km}$, beide als constant genomen. De lagen behouden hun dikte zodra ze zijn afgezet (compactie wordt verwaarloosd). De anticlinaal ontstond 80 miljoen jaar geleden. Volg de zwarte schalie aan de basis, 165 miljoen jaar geleden afgezet.

Deel I — De gesteenten.

1. Welke laag is het brongesteente, welke het reservoir, welke het afdekgesteente?
2. Waardoor werd de zwarte schalie rijk aan organisch materiaal?
3. Het Jura duurde van ongeveer $201.4$ tot $143.1$ miljoen jaar geleden. In welke periode werd het brongesteente afgezet? De zandsteen?
4. Wat is kerogeen? Waarom maakt de zwarte schalie aan het oppervlak geen olie?
5. Welke dikte aan gesteenten ligt vandaag op het brongesteente?

Deel II — Begraving tegen de tijd.

6. Bereken de diepte van het brongesteente 150, 120, 95, 66, 35 en 20 miljoen jaar geleden, en vandaag.
7. Bereken de begravingssnelheid, in meter per miljoen jaar, tijdens elk van de eerste zes intervallen.
8. Wanneer lag het brongesteente het diepst, en hoe diep?
9. Waarom nam zijn diepte de laatste 20 miljoen jaar af?
10. Hoe diep ligt de basis van de zandsteen vandaag?

Deel III — Temperatuur tegen de tijd.

11. Bereken de temperatuur van het brongesteente op elk tijdstip van vraag 6.
12. Tussen welke diepten ligt het olievenster in dit bekken?
13. Tussen welke twee tijdstippen van vraag 6 passeerde het brongesteente $60{}^{\circ}\mathrm{C}$?
14. Bereken, als je aanneemt dat zijn diepte in dat interval gelijkmatig toenam, de ouderdom waarop het $60{}^{\circ}\mathrm{C}$ bereikte.
15. Bereken op dezelfde manier wanneer het $120{}^{\circ}\mathrm{C}$ bereikte.

Deel IV — In het venster, en de val.

16. Wat is de hoogste temperatuur die het bereikte? Wat maakt het vandaag?
17. Wat werd er van de olie die ontstond voordat de anticlinaal bestond?
18. Welk deel van de olie ontstond nadat de anticlinaal bestond, als je aanneemt dat er in een constant tempo olie ontstond zolang het brongesteente in het venster lag?
19. Welke vloeistoffen zou de put op de top van de anticlinaal verwachten, en in welke volgorde van boven naar beneden?
20. Besluit: wanneer kwam het brongesteente in het olievenster?

Oplossing

Oplossing van Probleem 18.1.

1. Brongesteente: de zwarte schalie; reservoir: de poreuze zandsteen; afdekgesteente: de kleisteen erboven.

2. Plankton dat op een zuurstofarme zeebodem bezonk, ontsnapte aan afbraak en werd in de modder begraven.

3. Het brongesteente in het Jura (165 ligt tussen 201.4 en 143.1). De zandsteen begon in het Jura en werd grotendeels afgezet in het Vroeg-Krijt.

4. Het organische materiaal dat verspreid zit in een sedimentair gesteente, onoplosbaar in organische oplosmiddelen. Het maakt pas olie wanneer het tot ongeveer $60{}^{\circ}\mathrm{C}$ is verhit, en daarvoor is begraving nodig.

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

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

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 miljoen jaar).

8. 20 miljoen jaar geleden, op $4.0\,\mathrm{km}$.

9. Het bekken werd opgeheven en $500\,\mathrm{m}$ gesteente werd van de bovenkant weggeërodeerd.

10. De basis van de zandsteen werd 150 miljoen jaar geleden afgezet, boven op $400\,\mathrm{m}$ schalie en kleisteen: $3.5 - 0.4 = 3.1\,\mathrm{km}$.

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

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

13. Tussen 120 miljoen jaar geleden ($56{}^{\circ}\mathrm{C}$) en 95 miljoen jaar geleden ($89{}^{\circ}\mathrm{C}$).

14. De temperatuur steeg 33 graden in 25 miljoen jaar; het duurde $25 \times 4/33 \approx 3.0$ miljoen jaar om de 4 graden van $56$ naar $60{}^{\circ}\mathrm{C}$ te stijgen: ongeveer $120 - 3.0 = 117$ miljoen jaar geleden.

15. Tussen 66 miljoen jaar geleden ($110{}^{\circ}\mathrm{C}$) en 35 ($131{}^{\circ}\mathrm{C}$): $66 - 31 \times 10/21 \approx 51.2$ miljoen jaar geleden.

16. $140{}^{\circ}\mathrm{C}$, 20 miljoen jaar geleden. Met $125{}^{\circ}\mathrm{C}$ ligt het vandaag in het gasvenster: het maakt vooral methaan.

17. Zonder val erboven migreerde ze omhoog en ontsnapte ze, naar het oppervlak of naar andere vallen.

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

19. Gas bovenaan, dan olie, dan water.

20. Het brongesteente kwam ongeveer 117 miljoen jaar geleden in het olievenster.