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Ciências da Terra e do espaço do ensino médio · শ্রেণি 10–12

18A geologia do carvão, do petróleo e do gás

Uma placa de folhelho negro tirada de uma antiga mina de carvão na Pensilvânia traz as folhas de plantas parecidas com samambaias, achatadas e prateadas contra a rocha escura. Elas cresceram num pântano há mais de trezentos milhões de anos, no Carbonífero; enterradas antes de apodrecer, conservaram a sua forma, e o carbono das plantas do pântano virou carvão. O petróleo e o gás, bombeados hoje de plataformas em alto-mar, têm o mesmo tipo de origem: os restos de seres vivos que escaparam da decomposição e depois foram enterrados e aquecidos. Este capítulo acompanha esse carbono enterrado, do pântano e do fundo do mar até a camada de carvão e o campo de petróleo.

À esquerda: folhas de plantas fósseis num folhelho rico em carbono de uma antiga mina de carvão, na Pensilvânia, do Carbonífero; a placa tem cerca de 10\, cm de largura. Fotografia James St. John (CC BY 2.0). À direita: uma plataforma de produção de petróleo e gás no mar (ilustração gerada por IA). — À esquerda: folhas de plantas fósseis num folhelho rico em carbono de uma antiga mina de carvão, na Pensilvânia, do Carbonífero; a placa tem cerca de $10\,\mathrm{cm}$ de largura. Fotografia James St. John (CC BY 2.0). À direita: uma plataforma de produção de petróleo e gás no mar (ilustração gerada por IA).

O que você já sabe

O carvão, o petróleo e o gás natural são combustíveis fósseis: o petróleo e o gás são misturas de hidrocarbonetos, compostos de carbono e hidrogênio, e queimar um combustível fóssil libera energia e gás carbônico (os livros de química). As plantas e as algas produzem matéria orgânica a partir de gás carbônico e água pela fotossíntese (os livros de biologia). O carvão, o petróleo e o gás vêm de matéria orgânica enterrada em sedimentos, e ficam armazenados em rochas sedimentares (Livro 1, 9º ano). Uma rocha é porosa quando contém espaços vazios, e permeável quando a água pode escoar através dela (Livro 1, 6º ano). A temperatura sobe com a profundidade ao longo da geoterma, de 25 a $30{}^{\circ}\mathrm{C}$ por quilômetro nos primeiros quilômetros (Capítulo 12).

18.1 Conservar a matéria orgânica

A maior parte da matéria orgânica nunca vira combustível. Uma folha morta ou uma alga morta é comida por animais e bactérias, ou reage com o oxigênio do ar: em semanas ou anos, o seu carbono volta à atmosfera como gás carbônico. A matéria orgânica só sobrevive onde fica isolada do oxigênio — no fundo de um pântano de água parada, ou num fundo de mar ou de lago cuja água não contém oxigênio. Enterrada ali sob mais sedimento, ela pode se conservar por dezenas ou centenas de milhões de anos.

O carvão vem principalmente de plantas terrestres que se acumularam em pântanos. O petróleo e o gás vêm principalmente das algas microscópicas e de outros organismos do plâncton do mar: onde as águas de superfície são muito produtivas, o plâncton morto chove sobre o fundo do mar depressa o bastante para que uma parte escape da decomposição, e ele é enterrado na lama.

Definição 18.1 (Rocha geradora; querogênio)

O querogênio é a matéria orgânica dispersa numa rocha sedimentar, em pequenas partículas que não se dissolvem em solventes orgânicos. Uma rocha geradora é uma rocha sedimentar rica em querogênio, na qual o petróleo e o gás se formam quando ela é enterrada e aquecida.

A maioria das rochas geradoras são folhelhos e lamitos, depositados como lamas ricas em matéria orgânica. Perto da superfície, o seu querogênio continua sólido: bactérias que vivem sem oxigênio transformam parte da matéria orgânica em metano, mas a maior parte desse metano escapa de volta para a superfície. Produzir petróleo exige calor, e o calor exige profundidade.

18.2 Soterramento e maturação

Definição 18.2 (Bacia sedimentar)

Uma bacia sedimentar é uma região da crosta que afunda ao longo de milhões de anos, de modo que os sedimentos se acumulam nela, muitas vezes com vários quilômetros de espessura.

Numa bacia que afunda, cada camada é enterrada cada vez mais fundo sob as camadas que se acumulam por cima dela. À medida que desce, ela segue a geoterma: ela é aquecida. O seu querogênio é lentamente cozido, e as suas grandes moléculas são quebradas nas moléculas menores do petróleo e do gás.

Definição 18.3 (Maturação; janela do petróleo; janela do gás)

A maturação de uma rocha geradora é a transformação do seu querogênio em petróleo e gás à medida que ela é enterrada e aquecida. A janela do petróleo é a faixa de temperatura, de cerca de 60 a $120{}^{\circ}\mathrm{C}$ , na qual o querogênio forma principalmente petróleo. Acima de cerca de $120{}^{\circ}\mathrm{C}$ , na janela do gás, ele forma principalmente metano.

Como a temperatura sobe com a profundidade, a janela do petróleo é também uma faixa de profundidades. Onde a geoterma é uma reta, é fácil encontrá-la.

Proposição 18.4 (Profundidade da janela do petróleo)

Seja $T_0$ a temperatura na superfície, que sobe com a profundidade $z$ com um gradiente geotérmico constante $G$ : $T = T_0 + G z$ . Então a janela do petróleo fica entre as profundidades

z_{\text{topo}} = \frac{60 - T_0}{G} \qquad\text{e}\qquad z_{\text{base}} = \frac{120 - T_0}{G},

com as temperaturas em ${}^{\circ}\mathrm{C}$ . A sua espessura é $60/G$ : quanto mais íngreme a geoterma, mais rasa e mais fina a janela.

Demonstração. O topo da janela é a profundidade em que $T_0 + G z = 60$ , isto é, $z = (60 - T_0)/G$ ; a base fica onde $T_0 + G z = 120$ . A diferença é $(120 - 60)/G = 60/G$ . ∎

Com uma superfície a $20{}^{\circ}\mathrm{C}$ e um gradiente de $30{}^{\circ}\mathrm{C}$ por quilômetro, a janela do petróleo fica entre $40/30 \approx 1.3\,\mathrm{km}$ e $100/30 \approx 3.3\,\mathrm{km}$ . Nos furos de sondagem dos Estados Unidos, o gradiente é em média de $29{}^{\circ}\mathrm{C}$ por quilômetro, $25$ no leste e $34$ no oeste; uma rocha geradora em geral precisa ser enterrada a mais de cerca de $2\,\mathrm{km}$ antes de produzir petróleo. Quando não há nenhuma medição do querogênio, os geólogos do petróleo têm considerado madura uma rocha geradora enterrada sob mais de cerca de $3\,\mathrm{km}$ de rochas mais jovens.

À esquerda: história de soterramento da Bacia de Merrow, uma bacia inventada (modelo calculado, sem levar em conta a compactação). Cada linha segue uma camada ao longo do tempo, a partir do dia em que ela foi depositada na superfície; a linha grossa é a rocha geradora, depositada há 165 milhões de anos. Com a superfície a 20 C e um gradiente de 30 C por quilômetro, a janela do petróleo é a faixa entre 1.3 e 3.3\, km. Os pontos marcam quando a rocha geradora entrou nela e quando saiu dela para a janela do gás. À direita: profundidade do topo e da base da janela do petróleo em função do gradiente geotérmico (superfície a 20 C). — À esquerda: história de soterramento da Bacia de Merrow, uma bacia inventada (modelo calculado, sem levar em conta a compactação). Cada linha segue uma camada ao longo do tempo, a partir do dia em que ela foi depositada na superfície; a linha grossa é a rocha geradora, depositada há 165 milhões de anos. Com a superfície a $20{}^{\circ}\mathrm{C}$ e um gradiente de $30{}^{\circ}\mathrm{C}$ por quilômetro, a janela do petróleo é a faixa entre $1.3$ e $3.3\,\mathrm{km}$ . Os pontos marcam quando a rocha geradora entrou nela e quando saiu dela para a janela do gás. À direita: profundidade do topo e da base da janela do petróleo em função do gradiente geotérmico (superfície a $20{}^{\circ}\mathrm{C}$ ).

Um diagrama como este é um diagrama de história de soterramento: a idade avança da esquerda para a direita em direção a hoje, a profundidade para baixo. Ele transforma uma coluna de rochas, datada camada por camada, numa história.

Método 18.5 (Ler um diagrama de história de soterramento)

Encontre a linha da rocha geradora: ela começa na superfície no dia em que a rocha foi depositada.
Trace o topo e a base da janela do petróleo, como profundidades, a partir da geoterma (Proposição 18.4).
Leia a idade em que a linha da rocha geradora cruza o topo da janela: a rocha geradora começa a produzir petróleo. Leia a idade em que ela cruza a base: a partir daí, ela produz gás.
Compare essas idades com a idade da armadilha: só o petróleo e o gás formados depois que a armadilha existe podem ficar retidos nela.

Na Bacia de Merrow, a rocha geradora entra na janela do petróleo há cerca de 117 milhões de anos e sai dela há cerca de 51 milhões de anos; o seu soterramento máximo, $4.0\,\mathrm{km}$ a $140{}^{\circ}\mathrm{C}$ , acontece há 20 milhões de anos, antes que o soerguimento e a erosão a façam subir de novo. Hoje ela ainda está na janela do gás. O problema de fim de semana calcula essas idades.

18.3 Da rocha geradora à armadilha

O petróleo e o gás são mais leves que a água, e os poros das rochas enterradas estão cheios de água. Uma vez formados, eles são expulsos da rocha geradora e sobem lentamente, através de qualquer rocha que os deixe passar.

Definição 18.6 (Migração)

A migração é o movimento lento do petróleo e do gás para fora da rocha geradora onde se formaram, para cima através de rochas permeáveis, impulsionado pela sua densidade menor que a da água em volta.

Definição 18.7 (Rocha reservatório; rocha selante)

Uma rocha reservatório é uma rocha porosa e permeável na qual o petróleo e o gás se acumulam: os seus poros os armazenam, e as ligações entre os poros os deixam escoar até um poço. Uma rocha selante é uma rocha impermeável acima do reservatório, através da qual o petróleo e o gás não podem passar.

Os arenitos e alguns calcários são bons reservatórios; os lamitos, os folhelhos e o sal são boas rochas selantes. Onde nada os detém, o petróleo e o gás chegam à superfície, onde exsudam e são oxidados: o seu carbono volta à atmosfera. Eles só se acumulam onde uma rocha selante tem uma forma que não os deixa escapar por baixo dela.

Definição 18.8 (Armadilha)

Uma armadilha é um arranjo de rocha reservatório e de rocha selante que retém o petróleo e o gás no lugar, fechando o caminho para cima por todos os lados.

Um sistema petrolífero (um desenho, fora de escala). A rocha geradora, no fundo, à esquerda, fica abaixo da isoterma de 60 C e produz petróleo; o petróleo e o gás saem dela para o arenito de cima e sobem lentamente ao longo dele, sob a rocha selante de lamito, até o arco de um anticlinal. Ali eles se separam pela densidade: o gás em cima, o petróleo embaixo, a água mais abaixo. As rochas de sobrecarga, por cima, enterram a rocha geradora a uma profundidade suficiente para que ela amadureça. — Um sistema petrolífero (um desenho, fora de escala). A rocha geradora, no fundo, à esquerda, fica abaixo da isoterma de $60{}^{\circ}\mathrm{C}$ e produz petróleo; o petróleo e o gás saem dela para o arenito de cima e sobem lentamente ao longo dele, sob a rocha selante de lamito, até o arco de um anticlinal. Ali eles se separam pela densidade: o gás em cima, o petróleo embaixo, a água mais abaixo. As rochas de sobrecarga, por cima, enterram a rocha geradora a uma profundidade suficiente para que ela amadureça.

Numa armadilha, os fluidos se separam pela densidade: o gás em cima, o petróleo embaixo, a água no fundo. A armadilha mais simples é um anticlinal, um arco nas camadas (as dobras são assunto do Capítulo 20). Falhas, domos de sal e mudanças nas próprias rochas também formam armadilhas.

Quatro tipos de armadilha (desenhos, fora de escala): o arenito reservatório em amarelo, o lamito selante em cinza-esverdeado, o petróleo em verde, o gás em vermelho. (a) O arco de um anticlinal. (b) Um reservatório inclinado cortado por uma falha, contra um lamito do outro lado. (c) Camadas dobradas para cima contra um domo de sal que sobe. (d) Um arenito que se afina encosta acima dentro de um lamito, uma armadilha produzida por uma mudança nas próprias rochas.

Exemplo 18.9 (Uma armadilha num anticlinal)

Um levantamento sísmico mapeia o topo de um arenito selado por lamito. Ele forma um arco cuja crista fica a $1800\,\mathrm{m}$ abaixo da superfície. Em volta da crista, a curva de nível mais profunda que ainda se fecha completamente fica a $2050\,\mathrm{m}$ ; abaixo dela, o arenito se abre para o lado. Um poço na crista encontra gás até $1880\,\mathrm{m}$ . Que altura de coluna de petróleo e gás a armadilha pode conter, e qual é a espessura do petróleo?

Solução. O petróleo e o gás enchem o arco da crista para baixo; o que desce abaixo da última curva de nível fechada transborda para o lado, no ponto de derrame, e continua a migrar. A coluna tem no máximo $2050 - 1800 = 250\,\mathrm{m}$ de altura. Se a armadilha está cheia, o gás ocupa os $1880 - 1800 = 80\,\mathrm{m}$ de cima e o petróleo os $2050 - 1880 = 170\,\mathrm{m}$ seguintes, com água abaixo.

Cada uma das peças — uma rocha geradora, um reservatório, uma rocha selante, as rochas de cima que enterram a rocha geradora, uma armadilha — é necessária, e elas precisam vir na ordem certa.

Definição 18.10 (Sistema petrolífero)

Um sistema petrolífero é um corpo de rocha geradora madura com todo o petróleo e o gás que saíram dele, e os elementos e processos de que eles precisam: a rocha geradora, a rocha reservatório, a rocha selante e as rochas de sobrecarga (as rochas de cima, que enterram a rocha geradora), e a formação das armadilhas, a geração, a migração e a acumulação do petróleo e do gás.

A ordem é o que mais importa. Uma armadilha que se forma depois que o petróleo já passou não captura nada: o diagrama de história de soterramento data a geração do petróleo, a história das dobras e das falhas data a armadilha, e o sistema petrolífero só funciona se a armadilha veio primeiro. Os geólogos do petróleo também chamam de momento crítico o tempo que melhor mostra a geração, a migração e a acumulação juntas.

18.4 Onde o petróleo e o gás se acumulam

Onde um sistema petrolífero se monta? Ele precisa de uma bacia que afunde por muito tempo, de águas pobres em oxigênio para conservar a matéria orgânica, e de rochas selantes. Os riftes e as margens continentais em que eles se transformam têm os três.

Quando um continente começa a se partir, como a África hoje ao longo do Rifte da África Oriental (Livro 1, 7º ano), a sua crosta se estira e se quebra em blocos ao longo de falhas normais (Capítulo 14). Alguns blocos descem, outros se inclinam, e as depressões entre eles se enchem de sedimentos, muitas vezes com vários quilômetros de espessura, e de lagos, cujas lamas ricas em matéria orgânica podem se tornar rochas geradoras. Quando o estiramento para, a crosta afinada esfria e continua a afundar devagar, de modo que a bacia continua a se encher. Se então o mar invade uma bacia ligada só em parte ao oceano e evapora, ele deixa espessas camadas de sal. Depois que o rifte se abriu num oceano, as suas bordas se tornam margens passivas: bordas de continentes dentro de uma placa, longe de qualquer limite de placas, que continuam a afundar e a receber sedimentos vindos do continente.

Uma margem passiva construída sobre um antigo rifte (um desenho, fora de escala, com as profundidades exageradas). No rifte, blocos inclinados de crosta continental limitados por falhas normais contêm folhelhos lacustres, as rochas geradoras. Uma camada de sal, depositada quando o mar jovem evaporou, os sela; acima dela, sedimentos marinhos se acumulam à medida que a margem afunda. O sal, mais leve que os sedimentos em volta, sobe em domos que dobram as camadas em armadilhas.

As margens do Atlântico Sul foram construídas assim. A África e a América do Sul começaram a se separar no Triássico Superior ou no Jurássico Inferior. Ao largo do oeste da África Central, as depressões do rifte se encheram de vários quilômetros de sedimentos, entre eles folhelhos lacustres de até $600\,\mathrm{m}$ de espessura com até $20\,\%$ de carbono orgânico em massa. No Cretáceo Inferior, o mar começou a invadir, várias e várias vezes, e evaporou, deixando mais de um quilômetro de sal; onde o sal ficou no lugar, ele sela o petróleo e o gás das rochas de baixo. No Golfo do México, o sal, mais leve que os sedimentos em volta, subiu em domos, e as camadas dobradas contra eles são armadilhas.

18.5 O carvão

O carvão se forma em terra, principalmente em pântanos à beira de rios e de deltas, em climas úmidos, de tropicais a temperados, onde as plantas crescem depressa e os seus restos caem numa água parada pobre em oxigênio. Ao longo de séculos a milênios, eles se acumulam como turfa. Quando um rio muda de curso, ou o mar sobe, a areia e a lama enterram a turfa; enterrada mais fundo, ela é comprimida e aquecida.

Definição 18.11 (Carvão; carbonificação; grau de carbonificação)

O carvão é uma rocha sedimentar feita principalmente de restos de plantas terrestres, rica em carbono. A carbonificação é a transformação da turfa em carvão e do carvão em carvão mais rico, por soterramento e aquecimento. O grau de carbonificação de um carvão é até onde a carbonificação avançou: do linhito ao antracito, passando pelo carvão sub-betuminoso e pelo betuminoso, o teor de carbono sobe.

O linhito se forma a profundidades de algumas centenas de metros a cerca de $1.5\,\mathrm{km}$ , até cerca de $50{}^{\circ}\mathrm{C}$ ; o carvão betuminoso entre 1 e $5\,\mathrm{km}$ , até cerca de $150{}^{\circ}\mathrm{C}$ ; o antracito além de $5\,\mathrm{km}$ e de $150{}^{\circ}\mathrm{C}$ . À medida que o grau de carbonificação sobe, o carbono forma uma parte cada vez maior do carvão: cerca de 25 a $35\,\%$ no linhito, até 86 a $97\,\%$ no antracito. O metano formado no caminho fica nos poros do carvão, e é por isso que uma mina de carvão pode conter gás explosivo. Formar uma camada de carvão leva milhões de anos.

Em cima, à esquerda: teor de carbono dos graus de carbonificação do carvão. Dados: U.S. Energy Information Administration. Em cima, à direita: uma camada de linhito, a faixa preta sob areias claras, exposta numa mina na Romênia; fotografia U.S. Geological Survey (domínio público). Embaixo, a partir da esquerda: linhito, com cerca de 4.5\, cm de largura, preto-acastanhado e fosco; carvão betuminoso, com fragmentos de plantas achatados; antracito, preto e vítreo. Fotografias James St. John (CC BY 2.0). — Em cima, à esquerda: teor de carbono dos graus de carbonificação do carvão. Dados: U.S. Energy Information Administration. Em cima, à direita: uma camada de linhito, a faixa preta sob areias claras, exposta numa mina na Romênia; fotografia U.S. Geological Survey (domínio público). Embaixo, a partir da esquerda: linhito, com cerca de $4.5\,\mathrm{cm}$ de largura, preto-acastanhado e fosco; carvão betuminoso, com fragmentos de plantas achatados; antracito, preto e vítreo. Fotografias James St. John (CC BY 2.0).

A turfa perde a maior parte do seu volume no caminho. Numa camada de carvão do centro do Utah, a comparação entre a turfa cortada por um antigo canal de rio e o carvão que falta ao lado dá uma razão de espessuras de cerca de $11{:}1$ : cada metro desse carvão betuminoso foi um dia uns onze metros de turfa.

18.6 Exercícios

Exercício 18.1 ★

Ponha em ordem as etapas que levam do plâncton ao petróleo numa armadilha: a migração; a maturação na janela do petróleo; o soterramento sob sedimentos mais jovens; o plâncton morto se deposita num fundo de mar pobre em oxigênio; o petróleo se acumula sob uma rocha selante; a matéria orgânica vira querogênio numa lama.

Solução

Solução de Exercício 18.1.

O plâncton morto se deposita num fundo de mar pobre em oxigênio; a matéria orgânica vira querogênio numa lama; o soterramento sob sedimentos mais jovens; a maturação na janela do petróleo; a migração; o petróleo se acumula sob uma rocha selante.

Exercício 18.2 ★

Para cada rocha, diga se ela é mais provavelmente uma rocha geradora, uma rocha reservatório ou uma rocha selante: (1) um folhelho escuro rico em matéria orgânica; (2) um arenito bem selecionado com poros ligados; (3) uma camada de sal; (4) um lamito sem matéria orgânica; (5) um calcário cheio de cavidades abertas.

Solução

Solução de Exercício 18.2.

(1) Rocha geradora. (2) Rocha reservatório. (3) Rocha selante. (4) Rocha selante. (5) Rocha reservatório.

Exercício 18.3 ★

Numa bacia, a superfície está a $10{}^{\circ}\mathrm{C}$ e o gradiente geotérmico é de $25{}^{\circ}\mathrm{C}/\mathrm{km}$ . Entre que profundidades fica a janela do petróleo? Qual é a sua espessura?

Solução

Solução de Exercício 18.3.

Topo: $(60 - 10)/25 = 2.0\,\mathrm{km}$ ; base: $(120 - 10)/25 = 4.4\,\mathrm{km}$ . A janela tem $60/25 = 2.4\,\mathrm{km}$ de espessura.

Exercício 18.4 ★

(1) Ponha o linhito, o antracito, o carvão betuminoso e a turfa em ordem crescente de grau de carbonificação. (2) Qual tem o maior teor de carbono? (3) Qual se formou à maior profundidade e temperatura?

Solução

Solução de Exercício 18.4.

(1) Turfa, linhito, carvão betuminoso, antracito. (2) O antracito, de 86 a $97\,\%$ de carbono. (3) O antracito, além de cerca de $5\,\mathrm{km}$ e de $150{}^{\circ}\mathrm{C}$ .

Exercício 18.5 ★

(1) Numa armadilha, por que o gás fica acima do petróleo, e o petróleo acima da água? (2) Por que a rocha acima de um reservatório precisa ser impermeável? Cite duas rochas que são boas rochas selantes.

Solução

Solução de Exercício 18.5.

(1) Os fluidos se separam pela densidade: o gás é o mais leve, depois o petróleo, depois a água. (2) O petróleo e o gás sobem porque são mais leves que a água; só uma rocha que eles não conseguem atravessar os detém. O lamito (ou o folhelho) e o sal.

Exercício 18.6 ★★

Duas bacias têm a mesma temperatura de superfície, $15{}^{\circ}\mathrm{C}$ . A bacia A tem um gradiente de $20{}^{\circ}\mathrm{C}/\mathrm{km}$ , a bacia B de $40{}^{\circ}\mathrm{C}/\mathrm{km}$ . (1) Calcule as profundidades do topo e da base da janela do petróleo em cada uma. (2) Uma rocha geradora fica a $2\,\mathrm{km}$ de profundidade nas duas bacias. O que ela produz em cada uma? (3) Em que bacia um poço precisa ir mais fundo para encontrar petróleo formado no local?

Solução

Solução de Exercício 18.6.

(1) A: $(60 - 15)/20 = 2.25\,\mathrm{km}$ e $(120 - 15)/20 = 5.25\,\mathrm{km}$ . B: $45/40 \approx 1.13\,\mathrm{km}$ e $105/40 \approx 2.63\,\mathrm{km}$ . (2) A $2\,\mathrm{km}$ : em A, $15 + 40 = 55{}^{\circ}\mathrm{C}$ , ainda imatura, nada de petróleo; em B, $15 + 80 = 95{}^{\circ}\mathrm{C}$ , na janela do petróleo, ela produz petróleo. (3) Na bacia A: ali o petróleo só se forma abaixo de $2.25\,\mathrm{km}$ .

Exercício 18.7 ★★

Tome a razão de $11{:}1$ medida no centro do Utah entre a espessura de uma turfa e a do carvão em que ela se transformou. (1) Que espessura de turfa formou uma camada de carvão de $3\,\mathrm{m}$ de espessura? (2) Suponha que a turfa se acumulou a $1\,\mathrm{mm}$ por ano. Quanto tempo ela levou para se acumular? (3) Por que o pântano precisou estar afundando durante todo esse tempo?

Solução

Solução de Exercício 18.7.

(1) $11 \times 3 = 33\,\mathrm{m}$ de turfa. (2) $33\,000\,\mathrm{mm}$ a $1\,\mathrm{mm}$ por ano: cerca de $33\,000$ anos. (3) A turfa só se conserva onde fica sob água parada, fora do alcance do oxigênio; à medida que ela se acumula, o terreno precisa afundar no mesmo ritmo para que a sua superfície continue encharcada.

Exercício 18.8 ★★

Use o diagrama de história de soterramento da Bacia de Merrow (superfície a $20{}^{\circ}\mathrm{C}$ , gradiente de $30{}^{\circ}\mathrm{C}/\mathrm{km}$ ). A rocha geradora estava a $1.2\,\mathrm{km}$ de profundidade há 120 milhões de anos, a $2.3\,\mathrm{km}$ há 95 milhões de anos e a $4.0\,\mathrm{km}$ há 20 milhões de anos. (1) Calcule a sua temperatura em cada data. (2) Em cada data, ela estava imatura, na janela do petróleo ou na janela do gás?

Solução

Solução de Exercício 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) Há 120 milhões de anos, imatura; há 95 milhões de anos, na janela do petróleo; há 20 milhões de anos, na janela do gás.

Exercício 18.9 ★★

O topo de um arenito reservatório forma um arco cuja crista fica a $2400\,\mathrm{m}$ de profundidade; a sua curva de nível fechada mais profunda fica a $2580\,\mathrm{m}$ . Um poço na crista encontra gás até $2450\,\mathrm{m}$ , e depois petróleo. (1) Qual é a altura máxima da coluna que a armadilha pode conter? (2) Se a armadilha está cheia, qual é a espessura do petróleo? (3) O petróleo e o gás que continuam chegando depois que a armadilha está cheia: para onde vão?

Solução

Solução de Exercício 18.9.

(1) $2580 - 2400 = 180\,\mathrm{m}$ . (2) O gás ocupa $2450 - 2400 = 50\,\mathrm{m}$ , o petróleo $2580 - 2450 = 130\,\mathrm{m}$ . (3) Eles transbordam no ponto de derrame, abaixo da curva de nível fechada mais profunda, e continuam a migrar para cima, até outra armadilha ou até a superfície.

Exercício 18.10 ★★

Quando não há nenhuma medição do querogênio, os geólogos do petróleo têm considerado madura uma rocha geradora enterrada sob mais de $3\,\mathrm{km}$ de rochas. Com uma superfície a $20{}^{\circ}\mathrm{C}$ : (1) Que gradiente põe $3\,\mathrm{km}$ no topo da janela do petróleo? E na sua base? (2) Com os gradientes de 25 a $34{}^{\circ}\mathrm{C}/\mathrm{km}$ medidos nos furos de sondagem, onde fica $3\,\mathrm{km}$ ? A regra é razoável?

Solução

Solução de Exercício 18.10.

(1) Topo da janela 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 $3\,\mathrm{km}$ , a temperatura vai de $20 + 75 = 95{}^{\circ}\mathrm{C}$ a $20 + 102 = 122{}^{\circ}\mathrm{C}$ : na janela do petróleo, ou na sua base para os gradientes mais íngremes. A regra é razoável: na maioria das bacias, uma rocha geradora sob $3\,\mathrm{km}$ de rochas já começou a produzir petróleo.

Exercício 18.11 ★★

Três amostras de carvão contêm $30\,\%$ , $70\,\%$ e $92\,\%$ de carbono. (1) Dê o grau de carbonificação de cada uma. (2) Usando as profundidades e as temperaturas dadas no curso, qual foi enterrada mais fundo? (3) O linhito tem um aspecto fosco e preto-acastanhado; qual é o aspecto do antracito?

Solução

Solução de Exercício 18.11.

(1) $30\,\%$ : linhito; $70\,\%$ : carvão betuminoso; $92\,\%$ : antracito. (2) O antracito, além de cerca de $5\,\mathrm{km}$ e de $150{}^{\circ}\mathrm{C}$ . (3) Preto e vítreo.

Exercício 18.12 ★★★

Entre 120 e 95 milhões de anos atrás, $1100\,\mathrm{m}$ de lama se acumularam na Bacia de Merrow. (1) Calcule a taxa de soterramento em metros por milhão de anos. (2) Com um gradiente de $30{}^{\circ}\mathrm{C}/\mathrm{km}$ , quantos graus a rocha geradora se aqueceu por milhão de anos? (3) Se essa taxa tivesse continuado, quanto tempo a rocha geradora teria levado para atravessar toda a janela do petróleo? (4) O modelo dá cerca de 66 milhões de anos. Por que mais?

Solução

Solução de Exercício 18.12.

(1) $1100/25 = 44\,\mathrm{m}$ por milhão de anos. (2) $0.044 \times 30 \approx 1.3{}^{\circ}\mathrm{C}$ por milhão de anos. (3) A janela cobre $60{}^{\circ}\mathrm{C}$ : $60/1.32 \approx 45$ milhões de anos. (4) O soterramento ficou mais lento depois de 95 milhões de anos atrás (cerca de 24, depois 23 e $20\,\mathrm{m}$ por milhão de anos): a rocha geradora se aqueceu mais devagar.

Exercício 18.13 ★★★

Na Bacia de Merrow, a rocha geradora esteve na janela do petróleo de cerca de 117 a cerca de 51 milhões de anos atrás, e o anticlinal que retém o petróleo se formou há 80 milhões de anos. (1) Suponha que a rocha geradora produziu petróleo a uma taxa constante enquanto esteve na janela. Que fração do seu petróleo se formou depois que a armadilha existia? (2) O que aconteceu com o resto? (3) Se o anticlinal tivesse se formado há 40 milhões de anos, o que ele poderia conter?

Solução

Solução de Exercício 18.13.

(1) $(80 - 51)/(117 - 51) = 29/66 \approx 0.44$ : cerca de $44\,\%$ . (2) Ele migrou para cima antes que existisse qualquer armadilha acima: escapou para a superfície, onde foi oxidado, ou se acumulou em alguma outra armadilha. (3) Há 40 milhões de anos, a rocha geradora já tinha saído da janela do petróleo: ela só produzia gás, e o anticlinal só poderia conter gás vindo dela.

Exercício 18.14 ★★★

Tome a história de soterramento da Bacia de Merrow (Exercício 18.8: $0.4\,\mathrm{km}$ há 150 milhões de anos, $1.2\,\mathrm{km}$ há 120, $2.3\,\mathrm{km}$ há 95, $3.0\,\mathrm{km}$ há 66, com a profundidade crescendo de forma constante entre essas datas), mas numa bacia mais quente: gradiente de $40{}^{\circ}\mathrm{C}/\mathrm{km}$ , superfície a $20{}^{\circ}\mathrm{C}$ . (1) Calcule as profundidades do topo e da base da janela do petróleo. (2) Calcule as idades em que a rocha geradora entrou na janela e saiu dela. (3) O anticlinal ainda se forma há 80 milhões de anos. Ele conteria petróleo? Gás?

Solução

Solução de Exercício 18.14.

(1) Topo: $(60 - 20)/40 = 1.0\,\mathrm{km}$ ; base: $(120 - 20)/40 = 2.5\,\mathrm{km}$ . (2) $1.0\,\mathrm{km}$ fica entre $0.4\,\mathrm{km}$ (há 150 milhões de anos) e $1.2\,\mathrm{km}$ (120): $150 - 30 \times 0.6/0.8 = 127.5$ milhões de anos atrás. $2.5\,\mathrm{km}$ fica entre $2.3\,\mathrm{km}$ (95) e $3.0\,\mathrm{km}$ (66): $95 - 29 \times 0.2/0.7 \approx 86.7$ milhões de anos atrás. (3) Nada de petróleo: a rocha geradora saiu da janela do petróleo antes que o anticlinal se formasse, e o seu petróleo já tinha migrado para longe. Ele poderia conter o gás produzido depois de 80 milhões de anos atrás.

Exercício 18.15 ★★★

Uma camada de antracito do Carbonífero aflora hoje na superfície. O Carbonífero terminou há cerca de 299 milhões de anos. (1) Usando as profundidades dadas no curso, a que profundidade, no mínimo, a camada foi enterrada? (2) Com uma superfície a $15{}^{\circ}\mathrm{C}$ e um gradiente de $30{}^{\circ}\mathrm{C}/\mathrm{km}$ , que temperatura ela atingiu a essa profundidade? Isso é coerente com a temperatura dada para o antracito? (3) O que aconteceu com as rochas que ficavam acima dela? Dê um limite inferior da taxa média, em milímetros por ano, supondo que tudo aconteceu depois do Carbonífero.

Solução

Solução de Exercício 18.15.

(1) Pelo menos $5\,\mathrm{km}$ . (2) $15 + 30 \times 5 = 165{}^{\circ}\mathrm{C}$ , acima de $150{}^{\circ}\mathrm{C}$ : coerente. (3) Pelo menos $5\,\mathrm{km}$ de rochas foram soerguidos e erodidos. $5 \times 10^{6}\,\mathrm{mm}$ em no máximo $299$ milhões de anos dá pelo menos $5 \times 10^6/2.99 \times 10^8 \approx 0.017\,\mathrm{mm}$ por ano em média.

18.7 Problema: quando a rocha geradora produziu petróleo?

Problema 18.1

Problema de fim de semana — datar o petróleo de uma bacia inventada

Um poço perfurado através da crista de um anticlinal na Bacia de Merrow, uma bacia inventada, atravessa as camadas de baixo. Datadas pelos seus fósseis, elas registram como a bacia se encheu. Da mais antiga:

intervalo (há milhões de anos)	espessura	rochas
165 a 150	$400\,\mathrm{m}$	folhelho negro rico em matéria orgânica; lamito
150 a 120	$800\,\mathrm{m}$	arenito poroso
120 a 95	$1100\,\mathrm{m}$	lamito
95 a 66	$700\,\mathrm{m}$	giz
66 a 35	$700\,\mathrm{m}$	areias e argilas
35 a 20	$300\,\mathrm{m}$	areias
20 até hoje	$-500\,\mathrm{m}$	soerguimento: os $500\,\mathrm{m}$ de cima erodidos

A superfície está a $20{}^{\circ}\mathrm{C}$ e o gradiente geotérmico é de $30{}^{\circ}\mathrm{C}/\mathrm{km}$ , ambos tomados como constantes. As camadas conservam a sua espessura depois de depositadas (a compactação é ignorada). O anticlinal se formou há 80 milhões de anos. Acompanhe o folhelho negro da base, depositado há 165 milhões de anos.

Parte I — As rochas.

Que camada é a rocha geradora, qual é o reservatório, qual é a rocha selante?
O que tornou o folhelho negro rico em matéria orgânica?
O Jurássico durou de cerca de $201.4$ a $143.1$ milhões de anos atrás. Em que período a rocha geradora foi depositada? E o arenito?
O que é o querogênio? Por que o folhelho negro não produz petróleo na superfície?
Que espessura de rochas fica por cima da rocha geradora hoje?

Parte II — O soterramento em função do tempo.

Calcule a profundidade da rocha geradora há 150, 120, 95, 66, 35 e 20 milhões de anos, e hoje.
Calcule a taxa de soterramento, em metros por milhão de anos, durante cada um dos seis primeiros intervalos.
Quando a rocha geradora esteve mais funda, e a que profundidade?
Por que a sua profundidade diminuiu nos últimos 20 milhões de anos?
A que profundidade fica hoje a base do arenito?

Parte III — A temperatura em função do tempo.

Calcule a temperatura da rocha geradora em cada data da questão 6.
Entre que profundidades fica a janela do petróleo nesta bacia?
Entre quais duas datas da questão 6 a rocha geradora passou de $60{}^{\circ}\mathrm{C}$ ?
Supondo que a sua profundidade cresceu de forma constante nesse intervalo, calcule a idade em que ela atingiu $60{}^{\circ}\mathrm{C}$ .
Do mesmo modo, calcule quando ela atingiu $120{}^{\circ}\mathrm{C}$ .

Parte IV — Na janela, e a armadilha.

Qual é a temperatura mais alta que ela atingiu? O que ela produz hoje?
O que aconteceu com o petróleo formado antes que o anticlinal existisse?
Supondo que o petróleo se formou a uma taxa constante enquanto a rocha geradora esteve na janela, que fração dele se formou depois que o anticlinal existia?
Que fluidos o poço deveria encontrar na crista do anticlinal, e em que ordem, de cima para baixo?
Conclua: quando a rocha geradora entrou na janela do petróleo?

Solução

Solução de Problema 18.1.

1. Rocha geradora: o folhelho negro; reservatório: o arenito poroso; rocha selante: o lamito acima dele.

2. O plâncton que se depositou num fundo de mar pobre em oxigênio escapou da decomposição e foi enterrado na lama.

3. A rocha geradora no Jurássico (165 fica entre 201.4 e 143.1). O arenito começou no Jurássico e foi depositado principalmente no Cretáceo Inferior.

4. A matéria orgânica dispersa numa rocha sedimentar, insolúvel em solventes orgânicos. Ela só produz petróleo depois de aquecida a cerca de $60{}^{\circ}\mathrm{C}$ , o que exige soterramento.

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

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

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 milhão de anos).

8. Há 20 milhões de anos, a $4.0\,\mathrm{km}$ .

9. A bacia foi soerguida e $500\,\mathrm{m}$ de rochas foram erodidos do seu topo.

10. A base do arenito foi depositada há 150 milhões de anos, sobre $400\,\mathrm{m}$ de folhelho e de lamito: $3.5 - 0.4 = 3.1\,\mathrm{km}$ .

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

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

13. Entre há 120 milhões de anos ( $56{}^{\circ}\mathrm{C}$ ) e há 95 milhões de anos ( $89{}^{\circ}\mathrm{C}$ ).

14. A temperatura subiu 33 graus em 25 milhões de anos; ela levou $25 \times 4/33 \approx 3.0$ milhões de anos para subir os 4 graus de $56$ a $60{}^{\circ}\mathrm{C}$ : há cerca de $120 - 3.0 = 117$ milhões de anos.

15. Entre há 66 milhões de anos ( $110{}^{\circ}\mathrm{C}$ ) e há 35 ( $131{}^{\circ}\mathrm{C}$ ): $66 - 31 \times 10/21 \approx 51.2$ milhões de anos atrás.

16. $140{}^{\circ}\mathrm{C}$ , há 20 milhões de anos. A $125{}^{\circ}\mathrm{C}$ hoje, ela está na janela do gás: produz principalmente metano.

17. Sem nenhuma armadilha acima dele, ele migrou para cima e escapou, para a superfície ou para outras armadilhas.

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

19. Gás em cima, depois petróleo, depois água.

20. A rocha geradora entrou na janela do petróleo há cerca de 117 milhões de anos.

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