Jak geolodzy odtwarzają środowisko powstawania skał łupkowych?
Jednym z podstawowych zadań stawianych przed geologami podczas poszukiwań gazu łupkowego jest praca przy rdzeniach wiertniczych. Jest to często jedyna sposobność, żeby „dotknąć” skały, która w naturalnym środowisku występuje najczęściej bardzo głęboko, nawet na głębokości 3–4 km. W Polsce skały te występują na powierzchni w bardzo ograniczonym zakresie, tylko w Górach Świętokrzyskich i w Sudetach.
Pierwszą czynnością, jaką wykonuje się na materiale skalnym jest detaliczna analiza sedymentologiczna, mająca na celu odtworzenie środowiska, w jakim składowany był drobny osad, zachowany do dzisiaj jako łupek.
Sedymentolodzy opisują szczegółowo (w skali centymetrowej), litologię oglądanych skał, struktury sedymentacyjne w nich występujące – ślady toczenia ziarenek piasku, zmarszczki falowe lub prądowe, teksturę (grubość ziarna, wysortowanie materiału), ślady działalności zwierząt, a nawet kolor.
Na podstawie tych informacji geolodzy wydzielają litofacje, czyli skały charakteryzujące się pewnym zespołem cech, które wskazują, że zostały one utworzone w wyniku jednego procesu depozycyjnego.
Dzięki temu można już na etapie wstępnych analiz wyznaczyć, które skały powstawały na przykład w spokojnych warunkach z ograniczonym dostępem tlenu i charakteryzują się wysoką zawartością minerałów ilastych i materii organicznej, a które dużą zawartością krzemionki i mniejszą ilością materii organicznej. Wydzielone litofacje można połączyć w zespoły litofacji, a te w systemy depozycyjne, które z kolei obrazują relacje czasowe i przestrzenne procesów gromadzenia materiału ziarnowego.
Odtwarzane jest całe środowisko sedymentacji osadu w basenie sedymentacyjnym, dzięki czemu uzyskuje się informacje, na jakich głębokościach osad został złożony, w wyniku działania jakich procesów sedymentacyjnych oraz jakim przemianom podlegał.
Poprzez zestawienie danych z wielu otworów oraz przy wsparciu innych metod badawczych (geofizyki otworowej, sejsmiki) można interpretować zarówno horyzontalne, jak i pionowe zmiany w litologii i charakterystyce skał. Takie interpretacje można wykonywać w obrębie całego basenu sedymentacyjnego, tworząc np. mapy litofacjalno-paleomiąższościowe, które obrazują, jaka była dystrybucja poszczególnych facji oraz jak zmieniał się w czasie cały zbiornik morski.
W jaki sposób powstały skały łupkowe i jaki ma to wpływ na powstanie w nich gazu?
W przypadku ciemnych łupków mówimy najczęściej o morskich osadach składowanych na szelfie, skłonie kontynentalnym czy równiach oceanicznych. Osadzają się one głównie w wyniku wypadania cząstek z toni wodnej lub działalności prądowej (toczenia cząstek po dnie). W kontekście poszukiwań węglowodorów w łupkach bardzo ważne jest przetrwanie materii organicznej w osadzie. Jest to możliwe w przypadku, gdy strefy przydenne są niedotlenione lub wręcz beztlenowe. To właśnie nieutlenione siarczki i materia organiczna nadają ciemną, czasami wręcz czarną, barwę skałom.
Rozpoznanie dystrybucji facji jest istotne również w skali lokalnej, zwłaszcza w kontekście poszukiwania tak zwanych „sweet spotów”, czyli miejsc o największym potencjale węglowodorowym. Mimo że interwały bogate w substancję organiczną mogą być bardzo miąższe i mieć duże rozprzestrzenienie, to często wykazują znaczną zmienność pionową, zwłaszcza pod kątem zawartości węgla organicznego (TOC – total organic carbon), który jest kluczowym parametrem przy poszukiwaniach węglowodorów.
Pionowa zmienność wiąże się z różnorodnością procesów i warunków, w jakich skały łupkowe powstają. Zasobność materii organicznej w osadzie na etapie jej powstawania jest warunkowana trzema procesami: produkcją, niszczeniem i rozpraszaniem.
Intensywność poszczególnych procesów jest różna w zależności od miejsca, w którym osad jest deponowany. Bliżej wybrzeża morza produkcja materii organicznej jest dość wysoka, ale równie wysoki jest stopień jej rozproszenia, wynikającego z większej dostawy materiału z lądu oraz niszczenia przez faunę zamieszkującą dobrze natlenione dno zbiornika.
W strefach głębszych produkcja materii organicznej jest znacznie niższa, jednak procesy zaburzające ją są również słabsze. W efekcie, obecnie zachowanej materii organicznej utworzonej w strefach głębokomorskich może być więcej niż w strefach płytszych.
Znalezienie optymalnej strefy współwystępowania procesów produkcji, niszczenia i rozproszenia materii organicznej oznacza znalezienie skał, które mają dzisiaj najwyższą wartość TOC, a zatem są najbardziej perspektywiczne w kontekście poszukiwań węglowodorów, w tym węglowodorów niekonwencjonalnych.
autorzy: Joanna Roszkowska-Remin, Teresa Podhalańska
