석유는 어디에서 오는가?

[이매진]

석유는 어디에서 오는가?

https://www.dnr.louisiana.gov/assets/TAD/education/BGBB/3/origin.html

Origin

석유는 어디에서 오는가?
일반적으로 지하의 거대한 웅덩이에서 발견되는 이유는 무엇입니까?
그것은 우리가 발견한 큰 웅덩이에서 형성되었습니까, 아니면 외부의 자연력으로 인해 거기에 모였습니까?

원산지라는 쌍둥이 문제와 석유의 이동 및 축적에 관한 정확한 세부 사항은 아직 완전히 밝혀지지 않았습니다. 분석 화학과 지구 화학의 최근 발전으로 지식과 이해가 향상되었지만 해결해야 할 문제가 남아 있습니다. 오일 풀은 원료, 축적, 변형, 이동 및 지질학적 시간의 5단계 이벤트 시퀀스의 최종 제품입니다. 축적과 변형이 일어나는 방식을 더 잘 이해하면 전체 과정을 명확히 하는 데 도움이 될 것입니다. 그러나 복잡한 점은 석유가 동종 계열로 발생하는 많은 탄화수소의 복잡한 혼합물이라는 것입니다. 이것은 아마도 1차 소스 재료의 변화와 다음과 같은 형성 중 후속 공정 때문일 것입니다.촉매 작용 , 중합 , 압력 및 온도 변화. 석유의 성분이 결합하여 복잡한 혼합물을 형성하지만,

원소 화학 분석은 10~15%의 수소와 82~87%의 탄소를 나타냅니다.

석유의 기원에 관한 모든 이론은 지질학적 관찰과 화학적 관찰이라는 두 가지 관찰 결과를 설명해야 합니다. 지질 관측은 주요 축적물입니다.

1. 퇴적암 에서 발생
   

   
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2. 변성되지 않은 해양(얕고 깊은 물) 및 대륙 퇴적물 의 특징이며 ,
3. 다른 다공성 물질로부터 완전히 캡슐화된 다공성 물질에서 발생합니다.

토착 탄화수소의 흔적은 화성암과 변성암, 그리고 콘드라이트 운석 에서도 발견됩니다 . 화학적 관찰은 다음과 같습니다.

1. 원유(짝수 탄소 사슬)는 얕은 환경에서 형성된 최근의 탄화수소(홀수 탄소 사슬)와 다릅니다.
2. 원유는 경질 탄화수소가 50% 이상인 반면 경질 탄화수소는 최근 품종에 드물거나 없습니다.

무기물 가설: 기원에 대한 두 가지 이론이 있습니다: 유기물( 바이오닉 ) 또는 무기물( 비바이오닉 ). 초기 이론은 전 세계적으로 석유가 광범위하게 매장되어 있다는 것이 명백해졌을 때 무기 기원을 가정했습니다. 러시아인이자 원소 주기율표의 아버지인 Dmitri Mendele'ev(1877)는 지구 깊숙한 곳의 금속 탄화물이 고온에서 물과 반응하여 아세틸렌(C 2 H 2 )을 형성한 후 응축되어 더 무거운 탄화수소를 형성 한다고 추론 했습니다 . 이 반응은 실험실에서 쉽게 재현됩니다. 다른 가설(Berthelot, 1860, Mendele'ev, 1902)은 아세틸렌 이론을 수정한 것입니다. 그들은 맨틀 이FeC 2 + 2H 2 O = CH 4 + FeO 2 문제는 맨틀에 탄화철이 존재한다는 증거가 부족하다는 점입니다. 이러한 이론을 뿌리깊은 지상파 가설 이라고 합니다 .

우주 기원을 제안한 Sokoloff(1890)에 의해 또 다른 무기 가설이 제안되었습니다. 그의 이론은 태양계가 형성된 원래의 성운 물질에서 비로 침전된 다음 지구 내부에서 표면 암석으로 분출된 탄화수소 중 하나였습니다. 이 이론과 이와 유사한 다른 이론을 외계 가설이라고 합니다 .

20세기 변종과 다른 사람들의 무기 기원 방식에 대한 새로운 관심은 두 가지 발견으로 인해 발생했습니다. 탄소질 콘드라이트(운석)의 존재와 메탄을 포함하는 대기가 토성, 타이탄, 목성과 같은 일부 천체에 존재한다는 발견입니다. 메탄의 유일한 알려진 공급원은 무기 반응을 통해서입니다. 지구의 원래 대기에는 메탄, 암모니아, 수소, 수증기가 포함되어 있다고 가정했습니다. 이 광화학 반응(UV 방사로 인한)에 더해 그 결과 생명의 전구체를 포함하여 다양한 발달 중인 프리바이오틱 화합물의 숙주가 되었을 수 있는 기름진 밀랍 표면층이 생성됩니다.

탄소질 콘드라이트(carbonaceous chondrites)라고 불리는 일종의 운석의 발견(Mueller, 1963)은 또한 유기 화합물을 생성하는 무기 메커니즘에 대한 새로운 관심을 불러일으켰습니다. 콘드라이트 운석은 6% 이상의 유기물(흑연 제외)과 아미노산을 포함한 다양한 탄화수소를 함유하고 있습니다. 무기 기원의 주된 근거는 탄화수소 메탄, 에탄, 아세틸렌 및 벤젠이 반복적으로 무기 기원에서 만들어졌다는 것입니다. 예를 들어 러시아의 콜라 반도(Petersil'ye, 1962)에서 기체 및 액체 탄화수소(90% 메탄, 미량의 에탄, 프로판, 이소부탄)를 포함하는 응결된 마그마가 발견되었습니다. 파라핀계 탄화수소는 다른 화성암에서도 발견되었습니다(Evans, Morton 및 Cooper, 1964).

그러나 무기 가설에는 문제가 있습니다. 첫째, 콘드라이트 운석에 있는 유기 물질의 출처가 진정한 무기 기원의 결과인지 또는 유기적으로 생성된 원래의 모 물질에 있는지를 보여주는 직접적인 증거가 없습니다. 유사한 추론이 다른 천체에도 적용됩니다. 둘째, 무기물 과정이 자연에서 발생했다는 현장 증거는 없지만 유기물 기원에 대한 증거는 늘어나고 있습니다. 셋째, 무기 기원이 탄화수소 생성의 주요 방법론이라면 화산, 응고된 마그마 및 기타 화성암에서 다량의 탄화수소가 배출되어야 합니다. 메탄(CH 4) 가장 일반적인. 볼륨은 일반적으로 1% 미만이지만 최대 15%가 기록되었습니다. 그러나 큰 웅덩이에는 화성암이 없습니다. 상업적 퇴적물이 발생하는 경우 퇴적물이 침범했거나 퇴적물에 의해 덮힌 화성암에 있습니다. 즉, 탄화수소는 아마도 퇴적층에서 형성되어 화성 물질로 이동했을 것입니다(나중에 트랩에 대해 논의할 때 자세히 설명).

결론: 토착 마그마 오일의 의심할 여지가 없는 사례입니다. 그러나 발생은 드물고 축적된 오일(풀)의 양은 매우 적습니다. 기타 문제가 되는 문제: 상업적 축적물은 퇴적 분지로 제한되고, 석유 누출 및 축적물은 화성암 및 변성암에는 없으며, 가스 크로마토그래피는 셰일의 유기물을 인접한 풀에서 발견되는 유기물에 지문으로 표시할 수 있습니다. 따라서 현재의 이론은 대부분의 석유가 유기 물질의 열적 성숙에 의해 형성된다고 주장합니다. 유기 기원은 석유와 가스의 방대한 매장량(웅덩이)을 생성했습니다.

유기적 가설(Organic Hypothesis): 유기적 개발 가설을 뒷받침하는 몇 가지 설득력 있는 이유가 있습니다. 무엇보다도 탄소-수소-유기물 연결입니다. 탄소와 수소는 식물과 동물 모두 유기 물질의 주요 구성 요소입니다. 또한 탄소, 수소, 탄화수소는 식물과 동물의 생명 과정에서 지속적으로 생성됩니다. 탄화수소 및 관련 화합물이 많은 생명체 유기체는 거의 또는 전혀 변화 없이 퇴적물에 퇴적됩니다.

두 번째는 석유 저장소의 화학적 특성을 다루는 관찰이었습니다. 질소와 포르피린(식물의 엽록소 유도체, 동물의 혈액 유도체)은 모든 유기물 에서 발견됩니다 . 그들은 또한 많은 석유에서 발견됩니다. 포르피린의 존재는 또한 포르피린이 호기성 조건에서 쉽고 빠르게 산화되고 분해되기 때문에 혐기성 조건 이 형성 과정 초기에 발생했음을 의미합니다 . 또한 낮은 산소 함량은 환원 환경을 의미합니다. 따라서 석유는 혐기성 및 환원성 환경에서 유래했을 가능성이 높습니다.

세 번째는 물리적 특성을 다루는 관찰이었습니다. 거의 모든 석유는 주로 해양 기원의 퇴적물에서 발생합니다. 비해양 퇴적물에 포함된 석유는 아마도 근처에 위치한 해양 자원 물질에서 이 지역으로 이동했을 것입니다. 더욱이 더 깊은 석유 저장소의 온도는 거의 300oF ( 141oC ) 를 초과하지 않습니다 . 그러나 포르피린은 이 온도 이상에서는 파괴되기 때문에 온도가 392oF(200oC) 를 넘지 않습니다 . 따라서 석유의 기원은 저온 현상일 가능성이 큽니다.

마지막으로 시간 요구 사항은 100만 년 미만일 수 있습니다. 이것은 Pliocene 퇴적물에서 더 최근에 발견된 오일을 기반으로 합니다. 

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그러나 지구의 물리적 조건은 지질 학적 과거와 다를 수 있으므로 액체 석유를 개발하는 데 훨씬 더 많은 시간이 걸렸을 수 있습니다.

유기 가설 - 요약. 유기물 이론은 석유 및 가스 산업이 완전히 발전하기 시작하고 지질학자들이 새로운 퇴적물을 탐색하면서 세기의 전환기에 받아들여진 이론이 되었습니다. 간단히 말해서, 유기 이론은 석유와 가스의 형성에 필요한 탄소와 수소가 지질학적 과거 동안 지구에 살았던 초기 해양 생물 형태(주로 해양 플랑크톤)에서 유래했다고 주장합니다. 플랑크톤은 미세 하지만 바다에는 플랑크톤이 너무 많아 바다 생물의 95% 이상이 플랑크톤입니다. 태양의 에너지는 플랑크톤과 다른 형태의 해양 생물을 포함한 모든 생명체에 에너지를 제공합니다( 그림 1 ).

이러한 초기 생명체가 죽었을 때, 그들의 잔해는 침식과 퇴적 과정에 의해 포획되었습니다( 그림 2 ). 

유기물이 풍부한 진흙과 실트의 연속적인 층은 유기물이 풍부한 퇴적물의 이전 층을 덮었고 시간이 지남에 따라 이전 생물의 화석 유적이 풍부한 해저에 층을 만들었습니다 ( 그림 3 ). 열적 성숙 과정(부패, 열, 압력)은 천천히 유기물을 오일과 가스로 전환시켰습니다. 지질학적 시간(수백만 년)을 추가하면 유기물이 풍부한 퇴적물이 

암석층으로 전환되었습니다. 지질학적 시간을 더 추가하면 지층이 변형되고 구부러지고 부서지고 융기됩니다. 액체 석유는 구멍이 뚫린 암석을 통해 위쪽으로 흐르다가 갇히게 되어 더 이상 흐를 수 없게 되었습니다. 

현재 탐사 중인 석유 및 가스( 그림 4 ). 그러나 최종 제품(석유, 가스)에서 발견되는 탄화수소의 화학은 우리가 생명체에서 발견하는 것과 다소 다릅니다. 따라서 변화, 변형은 유기물 잔해의 퇴적과 최종 제품의 생성 사이에 발생합니다. 석유(석유, 가스) 생성의 기본 공식은 다음과 같습니다.

석유 최종 제품 = ([원료 + 축적 + 변환 + 마이그레이션] + 지질학적 시간)

우리는 석유의 기원에 대한 두 가지 주요 가설에 대해 시간을 보냈습니다. 이제 위에서 언급한 수식의 요소를 자세히 살펴보겠습니다. 이 섹션에서는 결국 "석유"가 되는 원재료를 살펴보겠습니다. 다른 페이지에서는 석유가 어떻게 한 곳에서 다른 곳으로 이동(이동)한 다음 큰 웅덩이로 형성되는지(축적) 살펴볼 것입니다.

원재료: 일반화된 개념은 석유가 일반적으로 해양과 같은 특정 수성 침전 순환의 자연적 구성 요소이며 변성 작용과 같은 생성을 위한 비정상적인 환경이 필요하지 않다는 것입니다. 이 일반화된 개념은 3가지 생화학적 증거로 강화됩니다.

1. 오일의 실험적 합성은 유기 시약으로 시작해야 합니다.
2. 기름에 대한 상세한 분석을 통해 기름에서도 발견되는 지문을 구성하는 유기화합물인 바이오마커의 존재를 밝혀내고,
3. 탄소 동위원소는 13C 및 12C 입니다. 13C : 12C 비율은 어떤 종류의 유기 물질에서 발견되는 비율과 거의 비슷하며 마그마나 무기 공급원에서는 발견되지 않습니다 .

탄화수소 및 관련 화합물이 많은 생명체 그리고 이와 동일한 탄화수소가 거의 또는 전혀 변화 없이 퇴적물에 퇴적됩니다. 사실상 모든 셰일과 탄산염은 3가지 일반 유형의 퍼진 유기물을 포함합니다.

1. 저장 암석에서 발견되는 원유의 더 무거운 부분과 조성 및 형태가 유사한 용해성 액체 탄화수소,
2. 원유의 아스팔트 성분과 조성 및 형태가 유사한 용해성 아스팔트
3. 석유 형성에 기여하는 불용성 케로겐. 케로겐은 대부분의 비저류 퇴적물 유기물의 벌크(85-95%)를 구성하는 열역청질 유기물이기 때문에 중요한 구성요소입니다. 두 가지 유형이 있습니다. 석유 형성에는 기여하지 않지만 운하 석탄(불순한 품종)과 갈탄 퇴적물(루이지애나에는 둘 다 있음)에 기여하는 석탄 유형입니다. 다른 유형은 석유 형성에 기여하는 오일 유형입니다.

주요 원료는 어류와 미세한 해양 생물입니다. 일부 물고기 종은 50% 이상의 기름을 함유하고 있으며 오르도비스기 이후로 세계에서 알려진 모든 기름 퇴적물을 설명하기에 충분한 물고기가 있었습니다. 더욱이 화석화된 어류는 근원암으로 여겨지는 퇴적층에서 흔하다. 그러나 물고기는 넥토닉 동물이며 헤엄칩니다. 죽으면 해저로 가라앉는다. 화석 기록은 다른 저서 생물을 동반한 물고기로 가득 차 있습니다. 그러나 후자의 존재는 작동 중인 부패 과정이 진행 중이고 청소부가 존재할 것임을 의미하는 산소화된 물을 의미합니다. 이것은 유기물이 대량으로 축적되는 것을 방지합니다. 그리고 실제로 화석화된 물고기는 뼈대에 불과합니다. 따라서 물고기가 아니라면 무엇이 남습니까?

미세한 해양 생물인 플랑크톤은 모든 탄화수소의 주요 공급원으로 간주됩니다. 플랑크톤에는 두 가지 유형이 있습니다. 식물성 플랑크톤은 가장 중요하며 대부분의 해양 플랑크톤을 구성합니다. 체적으로 가장 풍부한 것은 규산질 단세포 식물인 규조류입니다. 규조류는 식물기 후반에 세포 구조에 축적되는 미세한 기름 방울을 포함합니다. 플랑크톤의 다른 유형은 Zooplankton입니다. 유공충(Foraminifera)과 방산충(Radiolaria)은 어린 기름을 함유한 지층에서 가장 널리 대표되는 화석으로 요각류가 가장 많습니다. 현대 동물성 플랑크톤에는 미세한 기름 방울도 포함되어 있습니다. 기름 방울의 원인은 불확실합니다. 그들은 동물의 부패 과정에서 형성되거나 식품 저장고일 수 있습니다. 또는 수명 주기 초기에 부유 메커니즘으로 개발되어 물의 밀도를 줄일 수 있습니다. 이유가 무엇이든 대부분의 증거는 플랑크톤 수생 생물, 동물성 플랑크톤 및 식물성 플랑크톤이 오일 및 습성 가스 형성의 주요 공급원 물질임을 지지합니다.

플랑크톤(Phytoplankton, Zooplankton)은 지방산을 합성하여 기름을 만듭니다. 지방산은 동물성 지방과 동식물 기름의 필수 성분입니다. 이러한 산의 일반식은 C n H 2n + 2 COOH 또는 C n H 2n O 2 이며 알려진 가장 큰 장쇄 분자 공급원을 형성합니다. 이것은 지방산의 분자 구조가 원유의 분자 구조와 유사하기 때문에 중요합니다. 파라핀 또는 메탄 계열은 일반식 C n H 2n+ 2 를 갖는 직쇄 탄화수소이며, 나프텐 계열은 일반식 C n H 2n 을 갖는 탄소 고리 화합물을 갖습니다..

석유를 구성하는 원료가 해양 플랑크톤이라면, 어떻게 그렇게 많은 양의 플랑크톤이 전 세계의 큰 웅덩이에 모였을까요? 수영장은 어떻게 형성되었나요? 다음 섹션에서는 석유의 이동과 축적에 대해 살펴보겠습니다.

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출처:

"석유의 지질학" Steven Cooperman, Ph.D.

"석유 탐사 및 생산의 이해", 국가 에너지 재단, 학생 활동 가이드

"The Upstream: A Guide to Petroleum Exploration and Production," Exxon Corporation 정보 브로셔

NORTH, FK, 1985, Petroleum Geology : Allen & Unwin, Inc., 매사추세츠주 윈체스터.