Dawno temu w oceanie
Kiedy powstawały skały łupkowe, w których zamknięty jest cenny gaz? I czy zawsze miejscem ich narodzenia były oceany?
Wraz z rosnącą popularnością gazu łupkowego w Polsce wzrasta dostęp do informacji, zarówno tych związanych z aspektami ekonomicznymi jego wydobycia, jak i dotyczących geologicznych aspektów jego występowania.
Informacje w większości koncentrują się na polskich złożach tego surowca. Obserwować można tendencję do utożsamiania gazu w łupkach z ciemnymi, bogatymi w graptolity łupkami ordowiku i syluru, które powstawały w morzu około 485 do 420 milionów lat temu. Tak jest w przypadku polskich łupków zawierających gaz ziemny.
Jednak do powstania złóż gazu w łupkach mogło i może dochodzić w różnych okresach czasu geologicznego. Warunki niezbędne do jego powstania mogły również zostać spełnione w innych środowiskach wodnych, na przykład w jeziorach.
Jakie to warunki? Co musi się stać, żeby doszło do powstania gazu ziemnego i w jaki sposób zostaje on uwięziony w strukturze skały łupkowej? Temat przybliża animacja "Od morza do złoża. Jak powstał gaz łupkowy?", jednak prześledźmy tę historię od początku...
Błękitne paliwo z nie-błękitnych wód
Historia gazu ziemnego zaczyna się w górnej, naświetlonej strefie zbiorników wodnych. To tu właśnie żyją niewielkie, jednokomórkowe organizmy roślinne nazywane fitoplanktonem. Jak wszystkie prowadzące fotosyntezę organizmy, tak i ich życie uzależnione jest od dostawy podstawowych pierwiastków takich jak fosfor, azot czy żelazo. Ich źródłem mogą być zarówno spływające do zbiorników wodnych rzeki, jak i prądy wstępujące (upwelling), wynoszące bogate w pierwiastki wody z dna, w górne, przypowierzchniowe strefy wody.
Znaczne wzbogacenie naświetlonej (fotycznej) strefy wód we wspomniane pierwiastki prowadzi do zwiększonego tempa rozmnażania i gwałtownego rozwoju tych małych organizmów. Pojawiają się one wtedy masowo, tworząc ogromne, znacznie zmniejszające przejrzystość wód nagromadzenia nazywane zakwitami. Znamy to zjawisko choćby z rodzimego Bałtyku, gdzie często prowadzi ono do sezonowego zamykania naszych plaż.
Organizmy te, po obumarciu, opadają na dno zbiornika. Te ogromne ilości martwych szczątków organicznych poddane zostają procesom rozkładu.
Początkowo w procesie tym wykorzystywany jest rozpuszczony w wodach przydennych tlen. Jego ilość przy dnie zbiornika bywa jednak ograniczona. Uzależniona jest bowiem od stopnia wymiany wód przydennych na świeże, dobrze natlenione wody z powierzchni oraz od jego zużycia podczas rozkładu opadających na dno szczątków organizmów.
Masowa śmierć fitoplanktonu powoduje dostawę ogromnych ilości materii organicznej, co przy słabej wymianie wód, prowadzi do szybkiego wyczerpywania się zasobów tlenu przy dnie zbiornika. Coraz większą rolę w procesie rozkładu odgrywać zaczynają bakterie beztlenowe. To właśnie one i produkty ich metabolizmu odgrywają kluczową rolę w procesie przemian martwej materii organicznej w substancję, z której w przyszłości może powstać gaz.
Jednak, aby tak się stało coś jeszcze musi się wydarzyć. Na powstałe cmentarzysko muszą opaść najdrobniejsze, unoszone przez prądy wodne minerały, z których na dnie powstaną muły oraz iły. Są tak drobne, że gdy opadną na dno, tworzą prawie nieprzepuszczalną warstwę, całkowicie izolującą martwe szczątki organiczne wraz z żerującymi na nich bakteriami, od wpływów środowiska zewnętrznego. W takim zamkniętym, naturalnym laboratorium powstają substancje gotowe do przeobrażenia się w gaz. Aby mogły stać się błękitnym paliwem, musi się jednak jeszcze coś wydarzyć...
Podróż do wnętrza Ziemi
Początkowo niewielkie miąższości nowo złożonych osadów powodują jedynie całkowitą izolację pogrzebanej pod nimi warstwy materii organicznej. Dogodne do rozwoju bakterii beztlenowych warunki powodują, że w pozornie martwym środowisku toczy się aktywne życie. Jego przejawem są między innymi produkty przemiany materii beztlenowców, takie jak biogaz często nazywany również biometanem. Nie jest to jednak ten sam gaz, którego poszukujemy w skałach. Aby powstał gaz ziemny muszą minąć nie lata, a miliony lat, podczas których odkładające się powyżej naszej warstwy organicznej osady, dosłownie wepchną ją swoim ciężarem w głąb Ziemi.
Prawdziwa przemiana może się rozpocząć dopiero, gdy przygotowana wcześniej przez procesy metaboliczne bakterii substancja organiczna, zostanie poddana oddziaływaniu odpowiednich temperatur oraz ciśnień. Aby proces się rozpoczął warstwa materii organicznej musi zostać pogrzebana na głębokości 2 kilometrów pod powierzchnią ziemi, gdzie temperatura osiągnie około 60 ºC.
W takich warunkach substancja organiczna zaczyna się przekształcać, na początek przyjmując postać żółtobrunatnej, lżejszej od wody cieczy: ropy naftowej. Dzieje się tak, aż do osiągnięcia głębokości 4 kilometrów pod powierzchnią ziemi, gdzie przy temperaturach przekraczających 120ºC zaczyna powstawać substancja lotna - gaz ziemny. Proces zostanie przerwany, jeśli zawierające materię organiczną skały zostaną pogrążone jeszcze głębiej, gdzie na głębokościach powyżej 5 kilometrów ogromne ciśnienia i temperatury przekraczające 150ºC doprowadzą do zniszczenia zawartej w skale substancji organicznej.
Przez cały ten czas, gdy wzbogacona w materię organiczną skała znajduje się w strefie powstawania gazu (tzw. okno gazowe), poddawana jest oddziaływaniu ciśnień wynikających z masy naciskających na nią osadów.
Ciśnienie to powoduje, że lotny gaz wypychany jest z wolnych przestrzeni skały, w której powstał. Zgodnie z rożnicą malejących ku górze ciśnień, gaz rozpocznie swoją powrotną wędrówkę ku powierzchni ziemi.
autor: Katarzyna Dybkowska
