Evaluating the hydrocarbon production potential of Shemshak's formation Shale in Shahrud's Dehmolla area, using Rock-Eval Device

في أعماق ما تحت سطح الأرض، تعمل طبقات الصخور كأرشيفات قديمة، تحفظ بقايا النباتات والحيوانات التي عاشت قبل ملايين السنين. فعندما تُدفن هذه البقايا العضوية في أعماق كافية وتتعرض لحرارة وضغط شديدين عبر فترات زمنية شاسعة، تتحول إلى مصادر الطاقة التي نعتمد عليها اليوم: النفط والغاز الطبيعي. يدرس الجيولوجيون هذه الصخور لمعرفة ما إذا كانت تحتوي على مادة عضوية كافية لتوليد الوقود، وما نوع الوقود الذي قد تنتجه، وإلى أي مدى تقدمت عملية التحول هذه. هذا المجال من الدراسة، المعروف باسم الكيمياء الجيولوجية العضوية، يسمح للعلماء بقراءة التوقيعات الكيميائية المحاصرة داخل الحجر لإعادة بناء تاريخ تكوين الطاقة. وفي المناطق التي يتوفر فيها الفحم والصخر الزيتي بكثرة، مثل سلسلة جبال البرز في إيران، يعد فهم هذه الطبقات تحت الأرض أمراً حاسماً لتحديد ما إذا كانت تحتوي على احتياطيات كبيرة من الهيدروكربونات أو ما إذا كانت المادة العضوية قد تحولت ببساطة إلى صخر خامل.

في منطقة دهمولا، الواقعة جنوب غرب مدينة شاهرود في إيران، ركز الباحثون اهتمامهم على طبقة جيولوجية محددة تسمى تكوين شمشک. يشتهر هذا التكوين باحتوائه على رواسب غنية بالفحم من العصر الجوراسي، وهو زمن غطت فيه الغابات الشاسعة مساحات شاسعة من اليابسة. وللتحقيق في إمكانات هذه الصخور لتوليد الهيدروكربونات، جمع فريق من العلماء من جامعة شاهرود وجامعة أمير كبير للتكنولوجيا عينات من الأرض. وقد جمعوا عشرين قطعة متميزة من الصخور، بما في ذلك الصخر الزيتي الأسود، والصخر الزيتي الأخضر، والفحم، والحجر الرملي، والتي تمثل الأنواع المختلفة من المواد الموجودة في هذا التكوين. كان الهدف ليس فقط تحديد كمية الكربون العضوي الموجودة، بل أيضاً جودة ذلك الكربون وما إذا كانت الصخور قد تعرضت لحرارة كافية لإطلاق النفط أو الغاز.

لتحليل هذه العينات، استخدم الفريق جهازاً متخصصاً يسمى جهاز "روك إيفال" للتحلل الحراري (Rock-Eval pyrolysis). تعمل هذه الآلة عن طريق تسخين عينة صخرية صغيرة في بيئة محكومة، حيث تقوم أساساً بـ "طهي" العينة لإطلاق الغازات والسوائل المحاصرة بداخلها. ومع ارتفاع درجة الحرارة، تقيس الآلة كمية الهيدروكربونات الحرة الموجودة بالفعل في الصخر، وكمية الهيدروكربونات التي يمكن إطلاقها عن طريق التسخين، وكمية ثاني أكسيد الكربون الناتج عن احتراق المادة العضوية. ومن خلال قياس هذه المخرجات المحددة، استطاع العلماء حساب إجمالي كمية الكربون العضوي في الصخر وتحديد نوع المادة العضوية التي يحتويها. وتعد هذه العملية طريقة معيارية تستخدمها شركات النفط في جميع أنحاء العالم لتقييم ما إذا كان التكوين الصخري مصدراً حيوياً للطاقة.

كشفت النتائج عن طيف واسع من الإمكانات داخل تكوين شمشک. فقد تباينت كمية الكربون العضوي في العينات بشكل كبير، حيث تراوحت من نسبة منخفضة جداً بلغت 0.08 بالمائة إلى نسبة عالية للغاية بلغت 23.24 بالمائة. وهذا التباين يعني أن الصخور وقعت في فئات مختلفة من الجودة؛ إذ احتوت عينات الصخر الزيتي الأخضر والحجر الرملي على القليل جداً من المواد العضوية، مما يصنفها كمصادر ضعيفة لإنتاج الطاقة. في المقابل، كانت عينات الصخر الزيتي الأسود والفحم غنية بالكربون العضوي، حيث وصلت بعضها إلى مستويات تشير إلى إمكانات ممتازة لتوليد الهيدروكربونات. وكان نوع المادة العضوية الموجودة في الصخور مشتقاً بشكل أساسي من النباتات البرية، وهو أمر نموذجي للبيئات الغنية بالفحم. وتُصنف هذه المادة العضوية على أنها "كيروجين" من النوع الثالث (Type III) والنوع الرابع (Type IV)، وهي أنواع معروفة عموماً بقدرتها على إنتاج الغاز الطبيعي بدلاً من النفط السائل.

كما بحثت الدراسة في النضج الحراري للصخور، والذي يشير إلى مقدار الحرارة والضغط اللذين تعرضت لهما عبر الزمن الجيولوجي. وأظهرت البيانات أن الصخور في هذه المنطقة قد وصلت إلى مرحلة من النضج تتراوح بين "ناضجة" إلى "فائقة النضج". وكانت العينات الأكثر قتامة، لا سيها الصخور الزيتية السوداء والفحم، قد خضعت لأشد عمليات التسخين. ويشير هذا المستوى العالي من النضج إلى أن هذه الصخور قد تجاوزت المرحلة التي تولد فيها النفط السائل وانتقلت إلى المنطقة التي تنتج فيها الغاز الجاف. وفي الواقع، أشارت معظم العينات إلى أن المادة العضوية قد تحولت إلى غاز، حيث أظهرت بعض العينات علامات على دخول مرحلة "الميتاجينيسيس" (metagenesis)، حيث يبدأ حتى الغاز في التحلل. كما أكد وجود مستويات عالية من الأكسجين ومستويات منخفضة من الهيدروجين في المادة العضوية أن هذه الصخور تشكلت في بيئات عالية الأكسدة، غالباً على اليابسة بدلاً من المحيطات العميقة الفقيرة بالأكسجين.

في الختام، أكد التحقيق أن تكوين شمشک في منطقة دهمولا يحمل وعوداً كبيرة للغاز الطبيعي، وتحديداً ضمن طبقات الصخر الزيتي الأسود والفحم. وبينما تقدم الصخور الزيتية الخضراء والحجر الرملي في نفس التكوين قيمة ضئيلة كمصادر للطاقة، فإن الأجزاء الغنية بالفحم تمتلك الثراء العضوي والتاريخ الحراري اللازمين لتوليد كميات كبيرة من الغاز الجاف. وتشير النتائج إلى أن هذه الصخور قد أتمت بالفعل عملية تحويل المادة النباتية القديمة إلى غاز، مما يجعلها هدفاً حيوياً لاستكشاف الطاقة في المستقبل في هذه المنطقة من جبال البرز.