نشأة الوقود الأحفوري

تجربة استهلالية: أهمية الطيات المحدبة 

تتشكّلُ في صخور القشرة الأرضية العديدُ من التراكيب الجيولوجية نتيجةَ الإجهادات التي تتعرّض لها، ومن هذه التراكيب الجيولوجية الطيّاتُ المحدَّبة. فكيف تتشكّل الطيّات المحدَّبة؟ وما أهمية هذه الطيّاتِ للنفط والغاز الطبيعي؟

الموادّ والأدوات:

قطع إسفَنجية عدد 3 مختلفة الألوان سُمكُها لا يقل عن (5cm)، نايلون شفاف،مِقصّ أو مِشرَط، مِسطَرة مِتريّة، لاصِق.

إرشادات السلامة:
الحذَر عند استخدام المِقص أو الِشرط في قصّ القطع الإسفَنجية.

خطوات العمل:
1. أقصُّ ثلاث قطع من الإسفَنج بأبعاد تساوي (80cm × 30cm) والتي ستمثّل أنواعا مختلفة من الطبقات الصخرية.
2. أغلّف إحدى قطع الإسفَنج بالنايلون من جميع الجهات بشكل محكَم، ثم أثبّت النايلون باللاصق.
3. أكرّر الخطوة 2 باستخدام قطعة أخرى من الإسفَنج.
4.أرتّب القطع الإسفَنجية فوق بعضها بعضا، بحيث أضع القطعة غير المغلَّفة بالنايلون في الوسط، ثم أثبّت أطراف القطع الثلاث مع بعضها بعضا باللاصق.
5.أرقّم القطع الإسفَنجية من الأعلى.
6 أثني القطع الإسفَنجية بحيث أشكّل طيّة محدَّبة.

التحليل والاستنتاج:
1. أحدّد: أيُّ القطع الإسفَنجية تمثّل صخورا منفّذة، وأيُّها تمثّل صخورا غيرَ منفّذة؟

القطعتان الإسفنجيتان رقم 1 و 3 تمثلان صخوراً غير منفذة، والقطعة الإسفنجية رقم 2 تمثل صخوراً منفذة.
2. أستنتج: أيُّ الطبقات يُخزَّنُ فيها النفط والغاز الطبيعيّ بعد هِجرته من مكان تشكُّلِه؟

في الطبقة رقم 2

3. أتنبّأ: ما ترتيب كلٍّ من الماء والنفط والغاز الطبيعيّ عند اختزانه في الطيّة المحدَّبة. ولماذا؟

يكون الترتيب من أسفل إلى الأعلى كالآتي: الماء ثم النفط ثم الغاز الطبيعي. وتترتب هذه المواد بحسب الكثافة؛ فالماء الأكثر كثافة في الأسفل والغاز الطبيعي الأقل كثافة في الأعلى.

 

ما هو الوقود الأحفوري؟ ? What are Fossil Fuels

• يُعرَفُ الوَقودُ الأحفوري Fossil Fuels بأنه أحد أشكال الطاقة غيرِ المتجدّدة تشكَّل من بقايا الكائنات الحية النباتية والحيوانية.
• ويشمل الوقود الأحفوري أنواعا مختلفة منها:

                                   

•  قدّر العلماء أن % 86 من الطاقة المستخدمة في العالم تأتي تقريبًا من احتراق الوقود الأحفوري.

 

تشكُّل الفحمِ الحجري Formation of Coal

• تشكَّل الفحمُ الحجري Coal من بقايا الأشجار والسّرخسيات والنباتات الأخرى التي عاشت في العصر الكربوني، منذ حوالي 358 مليون سنة.
• كان المناخ السائد في ذلك الوقت في مناطق نمو النبات أكثر  دفئًا من الوقت الحاضر، وقد أدى هذا إلى زيادة نموّها.
• الشكل أدناه يمثل تشكُّلَ الفحم الحجري التي غطت المستنقعات الضحلة مساحاتٍ واسعةً من سطح الأرض.

                                                  

حيث عندما ماتت النباتات فيها تحللت جزئيا بفعل البكتيريا في الماء، ثم دُفِنت تحت طبقات من الرسوبيات، وقد أدى هذا إلى بقاء المواد المتحللة بعيدةً عن الأكسجين، ومع مرور الوقت وتراكُم الطبقات الرسوبية فوقها ازدادت درجة الحرارة والضغط المؤثر عليها، وبالتدريج تحولت إلى أنواع مختلفة من الفحم الحجري اعتمادًا على مقدار درجة الحرارة والضغط التي تعرضت لها. ومن أنواع الفحم الحجري الخُثُّ، والفحم البتيوميني.

 

أتحقق: أوضح كيف يتشكل الفحم الحجري؟

عند موت النباتات في بعض المناطق مثل المستنقعات فإنها تدفن تحت طبقات رسوبية ومع الزمن تزداد سماكة هذه الطبقات مما يؤدي إلى زيادة درجة الحرارة والضغط المؤثر  على تلك النباتات وبالتدريج تتحول  إلى أنواع مختلفة من الفحم الحجري اعتمادا على مقدار درجة الحرارة والضغط التي تتعرض لها.

تشكُّل النفط والغاز الطبيعي Formation of Oil and Natural Gas

• توجَدُ نظريتان رئيستان توضحان آلية تشكُّل النفط والغاز الطبيعي من مادته الأم وهي:

1- النظرية غير العضوية ذات الأصل غير العضوي : وهي نظرية تفترِض أن المواد الهيدروكربونية تتشكل في الستار.

2- النظرية العضوية ذات الأصل العضوي :والتي تفترض أن المواد الهيدروكربونية تتشكّل من بقايا الكائنات الحية.

• يوجَدُ تبايُنٌ بين العلماء في وجهات النظر، ولكن معظمهم يتفقون على أن النفط والغاز الطبيعي هما من أصل عضوي.

 

نظرية الأصل غير العضوي Inorganic Origin Theory

• يفترِض العديد من العلماء أن المواد الهيدروكربونية المكوِّنة للنفط والغاز الطبيعي تتولد في الستار، وليس تحلّل المادة العضوية، وأن الأرض تحتوي على كميات ضخمة من النفط والغاز الطبيعي، حيث افترضوا أن الميثان والمواد الهيدروكربونية الأخرى تتكون نتيجة تفاعلات مختلفة تحدُث في الستار العلوي، ثم تهاجِر تلك المواد خلال الصدوع العميقة إلى صخور القشرة الأرضية وهناك يتشكل كلّ من النفط والغاز الطبيعي في أنواع الصخور المختلفة ( النارية أو الرسوبية أو المتحولة).

                                                                                   

• وأثبت العلماء المؤيدون صحة فرضيتهم من انبعاث غاز الميثان من البراكين، ومن اكتشاف وجود غاز الميثان في بعض كواكب المجموعة الشمسية الأخرى مثلِ كوكبَي المشتري وزُحل.

 

أفكر: لماذا عدَّ العلماء أن وجود غاز الميثان في بعض كواكب المجموعة الشمسية دليلٌ على أن النفط والغاز الطبيعي الموجود في الأرض أصله غير عضوي؟

وذلك لأن الكواكب التي وجد الميثان فيها مثل كوكبي المريخ وزحل لا توجد فيها أية أدلة على وجود كائنات حية عاشت فيها، وهذا يدل على أن الميثان الموجود فيها لم يتشكل بطريقة الأصل العضوي، وبما أن كواكب المجموعة الشمسية بحسب النظرية السديمية تشكلت بنفس الكيفية فهذا يشير إلى أن وجود الميثان في باطن الأرض يمكن أن يكون قد تشكل أيضًا بطريقة غير عضوية بحسب نظرية الأصل غير العضوي.

• يرفُض معظم العلماء هذه النظرية مبررين ذلك أن الميثان الذي يتشكل في ستار الأرض يكون مُشتَّتا ولا يُنتَج بكميات ذات قيمة اقتصادية. وفسروا أنّ سبب تكوّن النفط غير العضوي بكميات كبيرة اقتصادية ناتِجٌ عن اندفاع الماغما في صخور رسوبية غنية بالمواد الهيدروكربونية، مثل صخر الغَضار ما أدى إلى تكوّن النفط والغاز الطبيعي بكميات كبيرة، ومثالٌ على ذلك النفط المتكوّن في روسيا. 

 

أبحثُ:ما هي المناطق التي اكتُشِف فيها النفط والغاز الطبيعي غيرُ العضويِّ في العالم؟ أبحث عن تلك المناطق، ثم أكتب تقريرا قصيرا حول إحداها موضّحًا سبب اعتبار النفط المتشكّل ذا أصل غيرِ عضويّ.

تم اكتشاف النفط غير العضوي وغاز الميثان في كل من روسيا وأوكرانيا وبحسب النظرية الروسية  الأوكرانية للنفط، فإن العلماء يقترحون أن الميثان الموجود في روسيا أو أوكرانيا أصله غير عضوي وقد تشكل في أعماق كبيرة في الستار، ثم هاجر نحو السطح من خلال الشقوق والصدوع. وقد وجد غاز الميثان في أعماق الأحواض النفطية المكتشفة في صخور القاعدة المتبلورة. وقد تم تطوير أكثر من 80 حقلاً للنفط والغاز في تلك المنطقة وفي مناطق أذربيجان وسيبيريا وجميعها يوجد النفط فيها في صخور
القاعدة المتبلورة وتفترض هذه النظرية أيضا على أن النفط لن ينفذ بسبب تشكله الدائم المستمر.

 

نظرية الأصل العضوي Organic Origin Theory

• تفترِض هذه النظرية أن النفط والغاز الطبيعي قد تشكّلا من بقايا كائنات حية مِجهرية مثل العوالق النباتية والحيوانية، التي عاشت في المحيطات أو البحار، إذ سقطت تلك الكائنات الحية بعد موتها في قاع البحر  ودُفِنت تحت طبقات مختلفة من الصخور الرسوبية مثل الصخور الطينية. وبسبب نقصِ الأكسجين فإنها لم تتحلل بشكل كامل، وتراكمت في الطبقة الرسوبية التي أصبحت غنيّة بالمواد العضوية. ومع مرور الوقت ازداد الضغط ودرجة الحرارة ما أدى إلى نضوج المادة العضوية، وبلوغِها مرحلة النفط أو الغاز الطبيعي. ويتواجد النفط والغاز الطبيعي غالبًا مع بعضهما بعضا في الصخور الرسوبية.
• تُسمّى الصخورُ التي تحتوي على كميات كافية من المواد العضوية، والتي يمكن أن يتولد ويتحرر منها ما يكفي من المواد الهيدروكربونية لتكوين تراكم اقتصادي من النفط أو الغاز الطبيعي صخرَ المصدر Source Rock ومن أمثلتها صخورُ الغَضار والصخور الطينية.
• بينما تُسمّى المادّةُ العضوية الصُّلبة التي تتراكم في صخور المصدر الكيروجين Kerogen ، يتكوّن الكيروجين من الكربون والهيدروجين والأكسجين، مع كميات قليلة من النيتروجين والكبريت، ويُعَدُّ الكيروجينُ مادّةً غيرَ قابلة للذّوبان في المذيبات العضوية العادية والمنتشرة في الرسوبيات مثل ثاني كبريتيد الكربون ( CS2 )،
• يَعتمِدُ تحوُّلُ الكيروجين إلى نفط أو غاز طبيعي على مقدار كلٍّ من درجة الحرارة والضغط والفترة الزمنية اللازمة لتشكُّلِه.
• يُصَنَّفُ الكيروجين بحسْبِ أصله، أو درجة نُضجه إلى أنواع مختلفة

• ويمثل الشكل أدناه آلية تشكّل النفط والغاز الطبيعي.

                                                          

أتتبع مراحل تشكل النفط واستخراجه.

تترسب بقايا الكائنات الحية المجهرية في قاع المحيط، ثم تزداد درجات الحرارة والضغط المؤثر عليها فتتحول المواد العضوية إلى نفط، ثم يهاجر النفط للأعلى أو بشكل جانبي، حتى يتم اختزانه في مصيدة ويبقى مختزنًا حتى يستخرج.

 

هجرة النفط والغاز الطبيعي Migration of Oil and Natural Gas

• يهاجر النفط والغاز الطبيعي من مكان تشكّلِهما في صخور  المصدر أفقيّا ورأسيّا إلى صخورٍ ذاتِ نفاذية عالية تُسمّى الصخورَ الخازنةَ Reservoir Rocks.
• من الأمثلة على الصخور الخازنة الصخور الجيرية والصخور الرملية.
• قد يستغرق النفط والغاز الطبيعي ملايين السنين ليُهاجِرا على بُعدِ عدة كيلومترات للأعلى،
• تُقسَم هجرةُ النفط والغاز الطبيعي إلى نوعين:

1- هجرة أولية Primary Migration :

•  تمثل الهجرةُ الأولية هجرةَ النفط والغاز الطبيعي من صخر المصدر إلى الصخور الخازنة بسبب الضغوط الواقعة عليه

2- هجرة ثانوية Secondary Migration :

• تمثل الهجرة الثانوية الحركات التي تحدُث للنفط والغاز الطبيعي في الصخور الخازنة لهما بسبب اختلاف الكثافة بين مكوّنات الصخور الخازنة .
• تعتبر قوة الطّفوِ القوّةَ الدافعة الرئيسة لهجرة النفط، حيث يطفو النفط فوق الماء الموجود في مسامات الصخر، ولا يذوب فيه لأن كثافة النفط أقلُّ من كثافة الماء.
• عندما يتحرك الماء يدفع معه النفط الذي يطفو على سطحه، ولا ينتقل النفط كقطراتٍ صغيرةً منفصلة، ولكنه تحرك كسلسلة متصلة من النفط، حيث تمتلئ معظم المسامات بالنفط بدلً من الماء.
• أما الغاز الطبيعي مثلُ الميثان، فإنه يهاجر مُذابًا في الماء.
• ينتُجُ الماء الموجود في مسامات صخور المصدر من عدة مصادر منها: تحلُّلُ المادة العضوية وارتِشاحُ الماء من سطح الأرض .
• يستمر النفط والغاز الطبيعي في الهجرة حتى يصلا إلى المِصيدة.

 

أتحقق: أقارن بين هجرة النفط الأولية وهجرة النفط الثانوية.

تمثل الهجرة الأولية هجرة النفط والغاز الطبيعي من صخر المصدر إلى الصخور الخازنة بسبب الضغط الواقع عليهما. بينما تمثل الهجرة الثانوية الحركات التي تحدث للنفط والغاز الطبيعي في الصخور الخازنة لهما بسبب اختلاف الكثافة بين مكونات الصخور الخازنة.

 

التجربة 1: نمذجة هجرة النفط الثانوية

يُستَخرَجُ النفطُ من أماكنَ تختلف عن تلك التي تَشكَّل فيها. فكيف يهاجر النفط خلال مسامات الصخور الرسوبية؟ وكيف يتجمّع في المِصيدة؟

المواد والأدوات:

زيت، مِخبار مدرَّج سعة 150mL، رمل، حصًى صغيرة، ماء.

إرشادات السلامة:

- غَسْلُ اليديْنِ جيّدا بالماء والصابون بعد إجراء التجربة .
- الحذَرُ عند وضعِ المكوّنات داخلَ المخبار المدرَّج.

خطوات العمل:

1. أسكبُ 25mL من الزيت في المِخبار المدرَّج.
2. أضيف بالتدريج كمية من الرمل فوق الزيت في المِخبار المدرَّج حتى ارتفاع 60mL.
3.  أصنعُ طبقة مكوَّنة من الحصى فوق الرمل من خال إضافة حصًى صغيرةٍ حتى ارتفاعٍ يصل إلى 90mL . 
4. أسكبُ الماء في المِخبار المدرَّج إلى ارتفاع 120mL. 
5. أراقِبُ المِخبار المدرَّج لمدة 5min وأسجِّل ملاحظاتي.

التحليل والاستنتاج
1. أتتبّع: ماذا حصل للزيت والماء في المِخبار المدرَّج؟

عند إضافة الرمل على الزيت فإن الرمل يحل محل الزيت ويرتفع ليملأ الفراغات بين حبيبات الرمل ومن ثم بين حبيبات الحصى عند إضافته، وعند إضافة الماء فإن الماء ينزل للأسفل ويتحرك الزيت للأعلى ليستقر فوق الماء.

2. أحدّد: ماذا يمثّل كلٌّ من الزيت والرمل والحصى؟

يمثل الزيت النفط الخام، بينما يمثل الرمل والحصى الطبقات الخازنة.

3. أفسِّر سلوك الزيت عند إضافة الماء في المِخبار المدرَّج.

يتحرك الزيت للأعلى بسبب قلة كثافته نسبة إلى كثافة الماء.

4. أستنتج سلوك النفط والغاز الطبيعي في المصيدة .

يتحرك النفط والغاز الطبيعي للأعلى في المصيدة بسبب قلة كثافتيهما، ويستقر الغاز الطبيعي فوق النفط في المصيدة لأن كثافته أقل من النفط.

 

مصائد النفط والغاز الطبيعي  Oil and Natural Gas Traps

• يتحرّكُ النفط والغاز الطبيعي في أثناء الهجرة عبر مسامات الصخور حتى يصلا إلى الصخور الخازنة، ويمكِنُ أن يصلا إلى سطح الأرض.
•  بعض الصخور غيرِ المنفِّذة أو قليلةِ النفاذية مثل صخر الأردواز أو الغَضار  تعمل على منع تلك المواد من الاستمرار في حركتها. وتُسمّى تلك الصخورُ بصخر الغطاء Cap Rock .
• يُسمّى التركيبُ الجيولوجيّ الذي يتكوّن من الصخور الخازنة وصخر الغطاء والتي يُحتَجَزُ النفطُ والغاز الطبيعي فيها ويُمنَعُ من الهجرة المِصيدةَ Trap .
• تُصنَّفُ المصائدُ الحاوية على النفط والغاز الطبيعي بحسْب آلية تشكُّلِها إلى:

 

1- المصائد التركيبية Structural Traps

                                            

• تُعَدُّ المصائدُ التركيبية من أكثر المصائد النفطية انتشارًا.
• تتشكّل من التراكيب الجيولوجية الناتجةِ عن العمليات التكتونية التي تؤدي إلى تشوُّه الصخور.
• من هذه التراكيب الطيّاتُ والصّدوعُ التي يؤدي تشكُّلُهما إلى احتجاز النفط والغاز الطبيعي فيها.

 

2- المصائد الاختراقية Diapiric Traps

• هي مصائدُ تتشكّلُ نتيجة تحرّكِ رسوبيات للأعلى بسبب قلة كثافتها نسبةً للصخور التي تعلوها.
• من الأمثلة عليها القِبابُ المِلحيّةُ، ويتميز الملح الصخري بنقصان كثافته بزيادة العمق، لذلك تتشكل القِباب الملحية عندما يصل الملح الصخري إلى أعماق تزيد فيها درجة الحرارة على 300^oCحيث تصبح كثافته قليلة نسبة إلى الرسوبيات التي تعلوه ويسلك عند هذه الدرجة سلوكَ الموائع؛ فتندفع الكتلُ الملحية للأعلى مشكِّلَةً شكلَ القبّة. وتعمل القِباب الملحية على احتجاز النفط والغاز الطبيعي ومنع حركتهما بشكلٍ مشابهٍ للمصائد التركيبية وذلك لأن الطبقة الملحية غير منفذة. 

                                                   

 

3- المصائد الطبقية Stratigraphic Traps

تتشكّلُ المصائدُ الطبقية بسبب الاختلاف في خصائص الصخور، ويمكن أن ينتُجَ الاختلافُ في خصائص الصخور في أثناء الترسيب أو بعد عملية الترسيب. فمثلا يمكن أن تنشأ المصائد الطبقية بسبب تضاؤل سماكة طبقة من صخورٍ ذاتِ مسامية ونفاذية كبيرة مثل الصخر الرملي من أحد الجوانب، بحيث تُدمَجُ مثلا في طبقة صخر الغَضار غير المنفِّذة.  ثم يتم اختزان النفط والغاز الطبيعي في الطبقة المسامية ذاتِ النفاذية الكبيرة داخلَ المِصيدة.

                                                  

4 - المصائد المركّبة Combination Traps

العديد من مصائد النفط والغاز الطبيعي لا توجَدُ بشكل منفرد، ولكنها تكون نتيجة دمجِ نوعين أو أكثر من المصائد مع بعض وتسمى المصائد التي تتكون من أكثرَ من نوع المصائدَ المركَّبةَ ومعظم المصائد المركبة تتكون من دمج المصائد التركيبية والمصائد الطبقية.

 

أتحقّق: أذكر خصيصَتين تتميز بهما معظم مصائد النفط والغاز الطبيعي.

وجود صخور غير منفذة في الأعلى تمنع النفط والغاز الطبيعي من الحركة للأعلى. ووجود صخور منفذه وذات مسامية يتجمع فيها النفط والغاز الطبيعي.