PETROL JEOLOJİSİ

1. PETROL JEOLOJİSİ KONU-2 PETROLÜN KÖKENİ, OLUŞUMU ve GÖÇMESİ

2. PETROLÜN KÖKENİ Petrol, jeolojik devirlerde oluşmuş bir fosil yakıttır. Binlerce (belki de milyonlarac) yıl süren işlevler sonucunda oluşan petrol oluştuktan sonra ya da oluşum esnasında bulunduğu yeri terkederek göçer, ancak göçemeyeceği ortamlarda sıkışıp kalabilir. Petrolün oluşumunu araştırmak için kökenini anlamak gereklidir. Petrolün kökeni için iki teori öne sürülmüştür

3. PETROLÜN KÖKENİ • İNORGANİK KÖKEN TEORİSİ • ORGANİK KÖKEN TEORİSİ

4. PETROL HAKKINDAKİ JEOLOJİK GERÇEKLER • Petrol genellikle çökel kayalar içerisinde bulunur. • En petrollü kayalar sığ denizel çökellerdir • Petrolü içerisinde bulunduran çökel kayalar geçirimsiz kayalarla örtülmüş ya da çevrelenmişlerdir. • Bu durum petrolün oluşumu için sığ denizel çökel kayaların ve çökelme işlevlerinin araştırılması gerektiğini ortaya koymaktadır

5. PETROL HAKKINDAKİ KİMYASAL GERÇEKLER • Yaşlı doğal ham petrol ile bugün sığ derinliklerde oluşmakta olan petrol arasında karbon zincirleri açısından farklılıklar vardır (Petrol zaman içerisinde olgunlaşmaktadır) • Yaşlı ham petrolün %50 den fazlası hafif hidrokarbonlardır (Hafif petrol yüksek API, düşük yoğunluklu petroldür). Modern petrolde bu durum ender olarak görülür (Petrol zaman içerisinde kimyasal değişime uğramaktadır) • Genç petrolün optik özelliklerinden bazıları biyosentetik olarak oluşturulan petrolün özelliklerine benzemektedir. • Genç petrollerde bulunan bazı kompleks moleküller bugün modern organik maddeler içerisinde de oluşmaktadır (Genç ve yaşlı petroller arasında benzerlikler vardır)

6. KÖKEN SORUNU:PETROL ORGANİK Mİ İNORGANİK Mİ?

7. İNORGANİK KÖKEN TEORİLERİ • İlk olarak Berthelot (1866) tarafından ortaya atılan ve Mendele’ev (1877 ve 1902) tarafından desteklenen bir teoriye göre petrol inorganik kökenlidir. • Laboratuarda metan, asetilen ve benzol gibi maddeleri elde eden kimyagerler doğadaki petrolün de yeraltında canlı etkinliği olmaksızın doğal kimyasal reaksiyonlar ve volkanik olaylarla oluştuğunu ileri sürmüşlerdir. • 20. Yüzyılın başında bazı bilim adamları petrolün magmadan oluştuğunu düşünmüşlerdir.

8. Mendele’ev, mantodaki Demir Karbid’in yeraltına sızan sularla kimyasal reaksiyona girerek metan ve hidrokarbonları oluşturduğunu ileri sürmüştür. Bu görüş bazı araştırmacılar tarafından hala savunulmaktadır. Bu görüş doğru ise petrolün magmatik kayalarla ilişkili olması gerekecektir. • Rusya’da alkali intrüsif kayalar içerisinde, Norveç’te dolerit daykları içerisinde, Ege’de volkanikler içinde ve bazı magmatik ve metamorfik kayaların boşlukları içerisinde petrole rastlanmışsa da yapılan araştırmalarla bunların çökel kayalar içerisinde oluştuktan sonra magmatik kayalar içerisine göç ettiği anlaşılmıştır. Petrolün seyrek de olsa magmatik kayalar içerisinde bulunması onun magmatik kökenli olduğu anlamına gelmez.

9. Peyve (1956) ve Subbottin (1966) büyük ve derin faylardan çıkan hidrokarbon gazlarının mantodan çıkıp kabuk içerisinde depolandıklarını ve sıvı petrole dönüştüklerini ileri sürmüşlerdir. Bu görüş doğru olsaydı son derece derin sondajlar açarak sonsuz petrol kaynaklarına ulaşmak mümkün olacaktı. Ayrıca petrolün büyük ölçüde çökel havzalarda bulunması bu görüşle açıklanamamktadır. • Bu örnekleri arttırmak mümkündür. Ancak bugün petrolün organik maddelerin olgunlaşması (matürasyonu) ile oluştuğu genel olarak kabul edilmektedir.

10. İNORGANİK KÖKEN TEORİSİNİ ÇÜRÜTEN VERİLER • Petrol içerisinde yaygın oalrak bulunan porfirin, piridin ve klorofil gibi maddeleri inorganik yolla elde etmek imkansızdır. • Petrolde bulunan çok karbonlu hidrokarbonların metanın polimerizasyonu yolu ile doğal olarak nasıl oluşabileceği açıklanamamaktadır. • Petrolde bulunan polarize ışığı saptırma özelliği kuvars ve zinober dışında hiçbir inorganik maddede yoktur. Bu iki istisna dışında bu durum sadece organik maddelere has bir özelliktir. • Petrol yataklarının çoğu magmatik faaliyet alanlarından uzakta ve çökel kayalar içerisinde bulunmaktadır. Öyleyse petrol oluşması için volkanizmaya ihtiyaç yoktur. Aksine volkanizmanın yarattığı aşırı sıcak petrolü yoketmekte ya da aşırı olgunlaşmasına yolaçmaktadır. • Yerkabuğunun derinliklerine doğru petrol artmamakta, aksine petrol genç örtü kayaları içerisinde daha yaygın olarak bulunmaktadır.

11. SONUÇ PETROLÜN KÖKENİ İNORGANİK DEĞİLDİR

12. ORGANİK KÖKEN TEORİLERİ • Bazı kimyagerler laboratuarda organik maddeleri ısıtarak ve damıtarak petrol benzeri hidrokarbonlar elde etmişler ve buna dayanarak petrolün organik kökenli olduğunu ileri sürmüşlerdir. • Organik köken teorisine göre petrol karasal veya denizel bitkilerden ya da hayvanlardan oluşmaktadır.

13. BİTKİSEL KÖKEN • KARASAL BİTKİLER • Kömürden petrol elde edilmesi ve bataklıklardaki metan gazı nedeniyle petrolün karasal bitki kökenli olabileceği ileri sürülmüştür. Ancak petrol sahalarında genellikle kömür olmaması, kireçtaşlarında karasal bitkilerden türemiş petrol bulunmaması, linyitten türeyen zift ile petrol arasında kimyasal farklılıkların olması petrolün oluşumunda karasal bitkilerin etkisi olmadığını göstermektedir. • DENİZEL BİTKİLER • Denizel bitkiler ile denizel çökeller arasında kökensel bir ilişki kurulabilir. Bunların en önemlileri yosun ve diyatomlardır.

14. HAYVANSAL KÖKEN • Balık ve diğer hayvanların distilasyonu sonucu petrol ile aynı kimyasal özellikler bulunmuştur. • Bazı araştırıcılar petrolün hem hayvansal hem de bitkisel kökenli (Biyomas kökenli) olduğunu kabul etmektedirler.

15. ORGANİK KÖKEN TEORİSİNİ DESTEKLEYEN VERİLER • Organik kökenli bir madde olan porfirin petrol içerisinde yaygın olarak bulunmaktadır. • Petrolün flüoresans özelliği organik kökeni işaret etmektedir. Bu özellik petrol içerisindeki organik kökenli kolesterol maddesinden kaynaklanmaktadır. • Ham petrol içerisinde bol miktarda mikroorganik madde vardır • Yosun küllerinin I, Br, P ve Amonyum tuzu miktarları ile ham petrolün eser elementleri arasında benzerlikler vardır. • Meksika körfezindeki modern çökellerde çökellerle yaşıt petrol oluşumları saptanmıştır.

16. SONUÇ PETROLÜN KÖKENİ ORGANİKTİR

17. YERYÜZÜNDE MODERN ORGANİK İŞLEVLER • Yeryüzündeki toplam C miktarı 2,65*1020 gramdır. Bunun %82 si kayaçlar içerisinde %18 i ise organik karbon olarak kömür, petrol ve doğal gaz içerisindedir. • Fotosentez yolu ile inorganik karbon hidrokarbonlara dönüştürülmektedir. • 6CO2 + 12 H2O = C6H12O6 + 6H20 + 6O2 formülünde fotosentez ile açığa çıkan glikoz çok daha kompleks karbon bileşiklerinin başlangıç noktasıdır. Bu kompleks bileşimlerden biri olan polisakkaridler bitkilerde ve bunları yiyen hayvanların bünyelerinde bulunur. Bu hayvanların ölümü halinde organik madde okside olur, CO2 ve suya dönüşür.

18. DOĞADAKİ KARBON DÖNGÜSÜ

19. DENİZ ve OKYANUSLARDA ORGANİK ÜRETİM ve İŞLEVLER • Karalarda olduğu gibi denizlerde de organik maddeler esas olarak fotosentez ile oluşturulurlar. • Denizlerde fotosentez yapan bitkiler fitoplanktonlar ve bentonik alglerdir. • Bunların üretkenlikleri fiziksel ve kimyasal parametrelere bağlıdır. • Fiziksel parametrelerin en önemlileri ışık ve sıcaklıktır. • Kimyasal parametrelerin en önemlileri sudaki fosfat ve nitrat miktarıdır.

20. ORGANİK MADDENİN KORUNMASI Organik maddenin korunmasına en uygun ortamlar içerisinde hızlı çökelim olan ve anaerobik (oksijensiz) taban koşullarına sahip ortamlardır. Su içerisinde stratifikasyon (tabakalanma) olan yerler de organik madde korunması açısından önemlidir.

21. ORGANİK MADDENİN EN İYİ KORUNDUĞU ORTAMLAR • Göller • Engelli havzalar • Kıta sahanlıkları • Okyanus havzaları

22. TATLI SU GÖLLERİ • Tabakalı bir su yapısı vardır. Üstte sıcak, altta ise soğuk ve yoğun su vardır. Hayat üstte yoğundur. • Fotosentez ve oksitlenme etkindir. Alttaki oksijen kullanım sonucu biter ve sıcaklık farkından dolayı su sirkülasyonu kesilir. Alt kısımda karanlık nedeniyle fotosentez olmaz. • Doğu Afrika göllerinde güzel örnekleri vardır.

23. ENGELLİ HAVZALAR • Bu tür havzalarda bilhassa kurak iklimlerde tuzluluk farkı nedeniyle tabakalı bir su yapısı gelişir. • Taze deniz suyu havzaya girdikten sonra buharlaşma yolu ile ağırlaşıp dibe çöker. Bu ağır su engel nedeniyle açık denize gidemez. Böylece üstte daima normal tuzlu su, altta ise çok tuzlu su bulunur. • Karadeniz bu tür havzaya iyi bir örnektir.

24. KITA SAHANLIĞI • Organik üretim yüzeyde fazladır. • 200-1500 metre derinlikte oksijen miktarı azalır, buna bağlı olarak üretim de düşer.

25. OKYANUS HAVZALARI Günümüz okyanus havzalarında anoksik bir ortam yoktur. Ancak geçmişteki havzalarda derinlik, derin okyanus akıntılarının neden olduğu tabakalaşma ve global anoksik olaylar bu bölgelerde de organik maddenin korunmasına neden olmuş olabilirler.

26. KARALARDA ORGANİK ÜRETİM VE KORUNMA • Karalarda organik üretim ve korunma su ortamından çok farklıdır. Karalarda oksijen miktarı sabittir. Önemli değişkenler su ve büyüme süresidir. Bu süre de sıcaklık ve günışığı süresi ile denetlenir. Bu nedenle kutuplarda organik üretimi çok azdır. • Karalarda organik madde üretimi ve korunması açısından en önemli bölgeler sıcaklığı 15 0C yi geçmeyen bataklıklardır.

27. PETROLÜN OLUŞUMUNDA DOĞAL KOŞULLAR • Petrol genellikle denizel, seyrek olarak da karasal çökeller içerisinde bulunur. • Bütün petrollerin kimyasal yapısı küçük farklılıklar dışında aynıdır. • Petrol Prekambriyen’den Pleistosen’e kadar her yaşta kaya içerisinde bulunabilir. Yani petrol oluştuktan sonra milyonlarca yıl korunabilir. • Petrol içerisinde porfirin maddesinin bulunması oluşum ve göç esnasında sıcaklığın 200 0C yi geçmediğini gösterir. Kapanlardaki sıcaklık da 100 0C yi geçmemektedir.

28. Porfirin’in varlığı organik maddenin oksijensiz bir ortamda kaldığını belirtmektedir. • Petrol kapanlarında basıncın 1 ile 700 atm arasında değişmesi petrolün fiziksel ve kimyasal özelliklerinin basınç değişimlerine duyarlı olmadığını göstermektedir. • Petrol, içerisinde bulunduğu ortamda oluşabildiği gibi çok uzaklardan göç edip gelmiş olabilir. • Petrolün oluşumu için 15.000, bir kapanda toplanması için ise en az 1.000.000 yıl gerekli olduğu tahmin edilmektedir.

29. KEROJENİN OLUŞUMU • Denizel canlılar öldükten sonra büyük bir kısmı diğer canlılara yem olur ya da dibe çökerek bakterilerin etkisinde kalır. Dipte sular oksijence zengin ise organik maddeler oksitlenip su ile karbondioksite dönüşürler. Oksitlenmeden su dibine ulaşan ve üzerleri çökellerle örtülen organik maddeler ise gömülmeye başlar. Gömülen organik madde giderek artan basınç ve sıcaklık etkisi altına girer ve 3 önemli safha geçirir: • DİYAJENEZ • KATAJENEZ • METAJENEZ

30. DİYAJENEZ • Yüzey koşullarına yakın sıcaklık ve basınç koşullarında ve sığ derinliklerde meydana gelir. Biyojenik bozunma ve biyojenik olmayan reaksiyonları içerir. • Bu olaylar sonucunda organik maddeden metan, karbondioksit ve su açığa çıkartılarak organik maddeKEROJEN adı verilen kompleks bir hidrokarbona dönüştürülür. • Diyajenez, organik madde içerisindeki oksijenin eksiltilmesi veya yokedilmesidir. Bu esnada hidrojen-karbon oranı ise önemli bir değişime uğramamaktadır.

31. KATAJENEZ • Gömülme devam ettikçe daha derinde, daha fazla sıcaklık ve basınç altında katajenez gelişir. • Katajenez esnasında kerojenden önce petrol, daha sonra doğal gaz ayrılır. • Bu olay ile kerojendeki Hidrojen/Karbon oranı düşerken Oksijen/Karbon oranında önemli bir değişme olmaz.

32. METAJENEZ • Metamorfizma koşullarına yakın sıcaklık ve basınç koşullarında gelişir. • Kerojenden son hidrokarbonlar da atılır ki bu genellikle metandır. • Hidrojen/Karbon oranı giderek azalır, sonuçta sadece Karbon kalır ve bu da Grafit oluşturur.

33. ORGANİK MADDENİN DİYAJENEZİ • Su altı bir çökelme ortamında, havza tabanındaki çökel-su sınırında pH ve Eh koşulları organik madde diyajenezi açısından çok önemlidir. Bu koşullar bakterilerin önemli rol oynadıkları kimyasal reaksiyonlarla belirlenir. • Eğer normal havalanan bir ortam sözkonusu ise su sirkülasyonu nedeniyle oksijenli ve oksijeni tüketilmiş sular sürekli olarak birbirlerine karışırlar. • Tabakalı bir yapıya sahip sularda ise bu tür bir karışma olmaz. Bu durumda oksijenli (+Eh) zon üstte, oksijensiz indirgeme (redüksiyon) zonu (-Eh) ise altta yeralır. • İndirgeme zonunda anaerobik bakteriler (Desulfovibrio) sülfat iyonlarından oksijeni uzaklaştırır ve serbest sülfür (kükürt) oluştururlar. Oksijenli (yükseltgen) zondaki bazı bakteriler (Thiobacillus) ise sülfürü yeniden okside ederler.

34. KİMYASAL REAKSİYONLARA BİRKAÇ ÖRNEK SO4 S + 2O2 reaksiyonu bulunulan ortama ve bakteri cinsine göre değişir. İndirgen ortamda kükürt Fe (OH2) ile birleşerek piriti oluşturur. Fe (OH2) +2S FeS2 + H2O Ortamda sülfat iyonları organik madde ile reaksiyona girerek hidrojen sülfür de oluşturabilir SO4 + 2CH2O 2HCO3 + H2S Organik madde

35. Diyajenez esnasında gelişen biyolojik bozunmanın ilk evresi oksidasyondur. Oksidasyon sonucu su, karbondioksit, nitrat ve fosfat oluşur. Basitleştirilmiş bir reaksiyon şöyle gelişir: (CH2O)106 (NH3)16 H3PO4 + 138 O2 106 CO2 + 16 NHO3 + H3PO4 +122 H2O İkinci evredenitrat indirgenir (CH2O)106 (NH3)16 H3PO4 + 94.4 NHO3 106 CO2 + 55.2 N2 +177.2 H2O +H3PO4 Bu işlevi sülfatın indirgenmesi takip eder ve bunun sonucunda hidrojen sülfür ve amonyak meydana gelir (CH2O)106 (NH3)16 H3PO4 + 52 SO4-2 106 HCO3- + 53 H2S + 16 NH3 +H3PO4 Tüm bu reaksiyonlar son derece basitleştirilmiştir. nitrat fosfat

36. Organik madde protein, karbonhidrat, lipid ve ligninden oluşmaktadır. Bunlardan protein en dengesiz, lignin ise en dengeli ve duraylı bileşendir. Diyajenez esnasında bunlar mikropların enzimleri ile başka maddelere dönüştürülürler. Örneğin Karbonhidratlar (selüloz) bozunarak metan ve karbondioksite dönüşür. (C6H1005)n CO2 + CH4 Benzer şekillerde diğer organik maddelerin bozunması ile de metan üretilir. Benzer reaksiyonlarla proteinlerden aminoasit ve peptidler, lipidlerden gliserol ve diğer yağlı asitler, ligninden ise fenol ve aromatik asitler üretilir. selüloz metan

37. Yukarıda belirtilen değişiklikler çökel birikiminin birkaç metrelik üst kesiminde meydana gelir. Ancak üstte çökel birikip gömülme arttıkça fiziksel ve kimyasal ortam koşulları da değişmeye başlar. • Derinlik arttıkça sıkılaşma (kompaksiyon) da artar. 300 m derinlikte killerin porozitesi %80 den %30-40 a düşer. İçerisindeki gözenek suyu ve biyojenik su atılır. Bu sular içerisinde karbondioksit, metan, hidrojensülfür ve diğer bozunmuş organik madde artıkları (Hümik Asit) vardır. • Bunların yanısıra inorganik reaksiyonlar sonucunda pirit, siderit vb gibi diyajenetik mineraller gelişir. Karbonat çimentolanması gözlenir.

38. Derinlik daha da arttıkça sıcaklık önem kazanır. Biyojenik reaksiyonlar durur, inorganik reaksiyonlar hızlanır. Bu reaksiyonlarla kalan su, karbondioksit ve metan da atılarak sonuçta KEROJEN oluşturulur.

39. KEROJEN KEROJEN, çökel kayalar içerisinde bulunan, su ve alkali solventler içerisinde ergimeyen organik bileşiklere verilen bir isimdir. Doğadaki en yaygın organik madde şeklidir. Kimyasal açıdan ise kerojen çok atomlu bağlarla birbirine bağlanmış kondanse benzen halkalarından oluşan makro-moleküler bir komplekstir.

40. KEROJENİN KİMYASAL ÖZELLİKLERİ • Kerojen çökeller içerisinde saçılmış halde bulunan organik bir maddedir. Petrol çözücülerde çözülmemesi ile bitümden ayırt edilir. • Kimyasal özellikleri ve içerdikleri organik madde çeşidi bakımından 3 tip kerojen vardır:

41. 1. TİP KEROJEN • Alg kökenlidir. • Hidrojen miktarı oksijene oranla en zengin olan kerojendir (H/O =1,2-1,7) • Egemen bileşeni lipiddir.

42. 2. TİP KEROJEN • Liptinik kerojen adı ile de bilinir • H/C oranı fazladır • Organik madde cinsi alg, zooplankton ve fitoplanktondur

43. 3. TİP KEROJEN • Hümik kerojen adı ile de bilinir • H/C oranı düşüktür • Gelişmiş ağaçsı bitkilerin ligninlerinden oluşur • Diyajenezin ileri aşamalarında kömür oluştururlar • Gazlar da bunlardan oluşabilir

44. KEROJENİN OLGUNLAŞMASI • Kerojen katajenez sırasında olgunlaşarak petrol oluşturur. • Olgunlaşma derecesine bağlı olarak önce ham petrol(60-120 0C) daha sonra da gaz (120-225 0C) oluşur. • Kerojen aşırı olgunlaşırsa (225 0C nin üstünde) bu defa hiçbiri oluşmaz, kerojen grafite döner. • Olgunlaşmayı kontrol eden faktörler sıcaklık, zaman ve basınçtır.

45. OLGUNLAŞMA (MATURASYON) NASIL ÖLÇÜLÜR ? Petrol aramalarında olgunlaşmanın bilinmesi son derece önemlidir. Bunun için petrolün içerisinde bulunduğu çökellerin geçmişte maruz kaldığı sıcaklığın bilinmesi lazımdır. Jeolojik geçmişteki sıcaklığı ölçmek için çeşitli paleotermometreler vardır.

46. PALEOTERMOMETRELER 1-KİMYASAL PALEOTERMOMETRELER A-ORGANİK PALEOTERMOMETRELER -Karbon oranı -Elektron dönme rezonansı -Piroliz B- İNORGANİK PALEOTERMOMETRELER -Kil minerallerinin diyajenezi -Sıvı inklüzyonları 2- BİYOLOJİK PALEOTERMOMETRELER -Polen renkleri -Vitrinit refleksiyonu

47. KARBON ORANI YÖNTEMİ • Organik madde olgunlaştıkça organik karbon CO2 şeklinde kaybolur. Yani kerojen olgunlaştıkça gidici organik karbon miktarı azalır, kalıcı sabit karbon miktarı göreceli olarak artar. Bu metodda toplam organik karbon miktarı (CT) ile kalıntı (rezidüel) karbon (CR) oranı karşılaştırılarak olgunlaşma miktarı belirlenir. • Kalıntı karbon 900 0C ısıtılan (piroliz) kerojenden arta kalan karbondur.

48. ELEKTRON DÖNME REZONANSI (ESR) YÖNTEMİ Kerojenin atomik fraksiyonları serbest elektron içerirler. Bu elektronların sayısı ve dağılımı benzen halkalarının sayısı ve dağılımı ile ilgilidir. Bu elektron karakteristikleri kerojenin olgunluğuna bağlı olarak değişir. Bu yöntemde kerojendeki elektronların sayısı, dalga boyları vb. özellikleri ölçülerek olgunluk hakkında bilgi edinilir.

49. PİROLİZ YÖNTEMİ • Anakaya veya kerojenin ısıtılması esasına dayanır.Isınma sonucu çıkan hidrokarbon gazlarının miktarı ölçülür. • 200-300 0C de numune içerisindeki serbest hidrokarbonlar gaz haline gelir (S1). Isınma arttıkça kerojenden hidrokarbonlar atılır (S2). Piroliz esnasında dışarı atılan CO2 ve H2O ise S3 olarak adlandırılır. Bu üç değer hesaplanarak formüller yardımı ile kerojenin olgunlaşması bulunur.

50. KİL MİNERALLERİNİN DİYAJENEZİ YÖNTEMİ • Yeni çökelen killer kaynak alanına bağlı olarak smektit (montmorillonit), illit ve kaolin bulundurabilir. Gömülme ile bu mineraller sularını atar ve mineralojik değişime uğrarlar. • Örneğin petrol oluşumu sıcaklığında (80-120 0C) smektit illite dönüşür. Sıcaklık petrol üretimi için en üst limite geldiğinde kaolin ve illit mikaya dönüşür. Eğer ortamda ferromagnezyen mineraller zengin ise bu killer klorite dönüşür. Böylece bu kil minerallerinin türüne bakılarak numunenin olgunlaşması hakkında bilgi edinilir.