Zawartość materii organicznej w łupkach gazonośnych
Rozpoznanie zawartości materii organicznej w skale jest jednym z kluczowych etapów badania skał łupkowych. Do podstawowych pojęć obrazujących właściwości skał łupkowych należą materia organiczna i węgiel organiczny.
Materię organiczną można zdefiniować przede wszystkim jako związki organiczne pochodzące bezpośrednio lub pośrednio od komórek i tkanek organizmów żywych. W przypadku skał łupkowych mamy najczęściej do czynienia z planktonem roślinnym, tj. fitoplanktonem, natomiast w przypadku innych skał będących źródłem surowców energetycznych, jak np. węgiel, dominującym typem materii organicznej jest materia pochodzenia lądowego wywodząca się z drzew, krzewów, paproci i liści. Mineralne części szkieletowe, takie jak fragmenty kości i skorupki, nie są zaliczane do materii organicznej.
Zawartość materii organicznej przedstawia się jako procentowy udział całkowitego węgla organicznego w skale, w skrócie TOC (total organic carbon).
Przyjęto, że skała łupkowa, żeby mogła stać się celem podstawowych badań geologów naftowych, powinna zawierać więcej niż 1% wagowy TOC, bardziej pożądana jest zawartość rzędu 2% i więcej, jak np. w dewońsko-karbońskich łupkach New Albany Shale, występujących na obszarze południowej Indiany (USA), czy dolnojurajskich łupkach Yorkshire w Anglii. Wartości TOC w ordowicko-sylurskich łupkach Polski niekiedy przekraczają 2%.
Materia organiczna występująca w skałach łupkowych wywodzi się przede wszystkim z miejscowej (autochtonicznej) produkcji organicznej, czyli z masowych zakwitów fitoplanktonu, które zachodzą w powierzchniowych wodach mórz i oceanów, gdzie organizmy autotroficzne, takie jak bakterie i glony, wykorzystują powszechnie zjawisko fotosyntezy. W wyniku tego procesu organizmy autotroficzne przekształcają rozpuszczony węgiel nieorganiczny i składniki pokarmowe w materię organiczną.
Zakwit fitoplanktonu jest uzależniony od dostawy składników pokarmowych, tzw. nutrientów, których dystrybucja w środowisku oceanicznym jest bardzo zróżnicowana i zależy przede wszystkim od przebiegu prądów oceanicznych oraz występowania ujść rzek, które są największym dostawcą nutrientów z obszarów lądowych do oceanu. Wskutek tego łupki o najwyższej zawartości materii organicznej najczęściej powstają w płytkich morzach szelfowych sąsiadujących z dobrze rozwiniętymi systemami deltowymi.
Materia organiczna, która opadła na dno morskie, staje się podstawą bentosowego łańcucha pokarmowego. Największa konsumpcja materii organicznej ma miejsce na powierzchni osadu, gdzie występują żywiące się nią organizmy. Udowodniono, że nawet pod stosunkowo produktywną warstwą wody około 98% materii organicznej zawartej w osadach powierzchniowych ulega rozkładowi w wyniku aktywności życiowej organizmów mułożernych.
Aktywność tych organizmów jest z kolei kontrolowana przez stopień natlenienia środowiska dennego. Wraz z wyczerpywaniem się tlenu w środowisku organizmy mułożerne migrują do środowisk cechujących się wyższym stopniem natlenienia. Dalsze zmniejszanie się zawartości tlenu w wodach dennych powoduje, że materia organiczna gromadząca się na dnie morskim ma coraz większe szanse przetrwania w wyniku braku aktywności fauny bentosowej i tlenowych organizmów rozkładających. Niewielka część materii organicznej, która przetrwa degradację, ma szansę zachowania się w głębszych partiach kolumny osadu i przejścia do geologicznego obiegu węgla, przyczyniając się w określonych warunkach do generowania węglowodorów i tworzenia złóż ropy naftowej i gazu ziemnego.
Rozpoznanie zawartości materii organicznej w skale jest jednym z kluczowych etapów badania skał łupkowych. Jednak, żeby otrzymać parametr TOC, należy posłużyć się dość zaawansowanymi technikami badawczymi.
Dominującą metodą badawczą, która może dostarczyć informacji o zawartości, pochodzeniu i dojrzałości materii organicznej występującej w skale jest analiza pirolityczna, przeprowadzana przy użyciu aparatu Rock Eval. W dużym skrócie analiza ta polega na termicznym rozkładzie rozdrobnionej próbki skały (ok. 100 mg) w piecu w atmosferze azotu. Próbka jest podgrzewana do temperatury 850°C, a proces ten jest sterowany programatorem temperatury, który zapewnia jej stały wzrost.
Podczas pirolizy tzw. lotne węglowodory obecne w skale są uwalniane już w temperaturze poniżej 350°C, a ich ilość jest wyrażana jako parametr S1. Dalszy termiczny rozkład próbki do temperatury około 650°C powoduje pirolizę najbardziej trwałych frakcji materii organicznej i ponowne uwolnienie węglowodorów, którym współtowarzyszą dwutlenek i tlenek węgla z rozkładu materii organicznej i mineralnej oraz nieproduktywnej materii organicznej. Wyniki te są przedstawiane odpowiednio, jako parametr S2, S3 i S4. Dalszy wzrost temperatury do 850°C powoduje uwolnienie dwutlenku węgla z węglanów, tj. S5.
Otrzymane wyniki zostają następnie przeliczone na zawartość organicznego węgla produktywnego, nieproduktywnego i całkowitego (TOC) oraz mineralnego.
Poza oznaczeniem TOC, analiza pirolityczna umożliwia oznaczenie innych parametrów pomocnych przy określaniu typu materii organicznej, stopnia jej dojrzałości i pochodzenia oraz właściwości skał wykorzystywanych w poszukiwaniach złóż ropy naftowej i gazu ziemnego. Jednym z ważniejszych parametrów jest tzw. temperatura maksymalna, wykorzystywana do oszacowania stopnia dojrzałości materii organicznej. Kolejnym ważnym parametrem są indeks wodorowy i tlenowy, które określają typ i pochodzenie materii organicznej zawartej w skale.
Najbardziej perspektywiczne skały łupkowe na obszarze Polski, które mogą zawierać niekonwencjonalne złoża ropy i gazu, występują w trzech basenach sedymentacyjnych: bałtyckim, podlaskim i lubelskim oraz reprezentują ordowicko-sylurski interwał stratygraficzny.
W basenie bałtyckim wartości TOC są bardzo zróżnicowane i mieszczą się w przedziale 0,5–11,0% wagowych, co sugeruje współwystępowanie łupków ubogich oraz wzbogaconych w materię organiczną. Najwyższe wartości TOC w tym basenie rozpoznano w utworach ordowiku i syluru występujących na obszarze Zatoki Gdańskiej. W basenie podlaskim rozkład zawartości materii organicznej oscyluje od wartości niskich (0,6%) do bardzo wysokich (20,0%). Najbardziej na południowy wschód wysunięty basen lubelski charakteryzuje się niższymi wartościami TOC, w zakresie 0,5–4,5%.
autor: Przemysław Karcz
