Богатый питательными веществами пепел от огромной вспышки вулканических извержений в конце правления динозавров положил начало цепи событий, которые привели к образованию месторождений сланцевого газа и нефти от Техаса до Монтаны.
Таков вывод нового исследования геологов Университета Райса, опубликованного на этой неделе в онлайн-журнале Scientific Reports издательства Nature.
«Одна из особенностей этих сланцевых отложений заключается в том, что они встречаются в определенные периоды истории Земли, и один из них - меловой период, то есть примерно время динозавров», - сказал ведущий автор исследования Син-Тай. Ли, профессор и заведующий кафедрой наук о Земле, окружающей среде и планетах Райс. «Это было от 90 до 100 миллионов лет назад, то есть примерно в то же время, когда произошло массовое извержение дуговых вулканов на территории, которая сегодня является тихоокеанским краем западной части Соединенных Штатов».
Достижения в области горизонтального бурения и гидравлического разрыва пласта за последние 20 лет привели к энергетическому буму в США в отношении «нетрадиционных» месторождений, категории, которая включает сланцевый газ и «плотную» нефть, найденные на сланцевых месторождениях, таких как меловой Игл-Форд и Моури и более старые, такие как Барнетт и Баккен.
«Эти типы природного газа и нефти находятся в крошечных, крошечных порах, диаметр которых варьируется от нескольких миллионных долей метра до нескольких тысячных долей метра», - сказал Ли.«Залежи расположены в узких полосах, к которым можно получить доступ только с помощью горизонтального бурения, а нефть и газ заперты в этих маленьких карманах и доступны только с помощью таких методов, как гидроразрыв пласта».
Ли сказал, что всегда были намеки на связь между древними извержениями вулканов и нетрадиционными сланцевыми углеводородами. Во время экскурсий в Западный Техас он и студенты Райс заметили сотни слоев пепла в обнаженных скалах мелового периода, когда большая часть западной части Северной Америки находилась под мелководьем океана.
Одна из таких поездок состоялась в 2014 году, когда коллеги Ли и Райс также изучали, как вспышка дуговых вулканов мелового периода вдоль Тихоокеанского побережья США повлияла на климат Земли за счет усиленного вулканического производства углекислого газа.
«Мы видели слои пепла и раньше, но на этом участке мы увидели, что их много, и это заставило нас задуматься», - сказал Ли. Ли, аспирант Хехе Цзян и студенты Райс Элли Роней, Джексон Стайлз и Мэтью Нил решили исследовать залежи пепла в сотрудничестве с Даниэлем Минисини, коллегой из Shell Oil, который проделал обширную работу по количественному определению точного количества пластов пепла.
"Это почти непрерывно", сказал Ли. «По крайней мере каждые 10 000 лет появляется слой пепла».
Ли сказал, что команда определила, что пепел образовался в результате сотен извержений, которые длились около 10 миллионов лет. Слои были перенесены на несколько сотен миль к востоку от их вулканического источника в Калифорнии. Пепел отложился на морском дне после того, как его унесло шлейфами, которые поднялись на много миль в атмосферу и дрейфовали над океаном. Ли и студенты проанализировали образцы слоев золы на геохимических объектах в Райсе.
«Их химический состав не был похож на тот, который был бы, когда они покинули вулкан», - сказал он. «Большая часть исходного фосфора, железа и кремнезема отсутствовала».
Это навело на мысль об океанических «мертвых зонах», которые часто образуются сегодня вблизи устьев рек. Излишнее удобрение ферм перекачивает в эти реки большие объемы фосфора. Когда он попадает в океан, фитопланктон поглощает питательные вещества и размножается так быстро, что вытягивает весь доступный кислород из воды, оставляя «мертвую» область без рыбы и других организмов.
Ли подозревал, что шлейфы пепла мелового периода могли вызвать аналогичный эффект. Чтобы определить, мог ли пепел содержать достаточно питательных веществ, Ли и его команда использовали микроэлементы, такие как цирконий и титан, чтобы сопоставить слои пепла с их вулканическими источниками. Сравнив образцы породы из этих источников с истощенным пеплом, команда смогла рассчитать, сколько фосфора, железа и кремнезема пропало..
«Обычно органические вещества не откладываются на дне толщи воды, потому что другие живые существа съедают их до того, как они опустятся на дно», - сказал Ли.«Мы обнаружили, что количество фосфора, поступающего в океан из этого вулканического пепла, примерно в 10 раз превышает количество всего фосфора, поступающего сегодня во все океаны мира. путь вниз к осадку."
Сочетание пеплопада и мертвой зоны океана сконцентрировало достаточно углерода для образования углеводородов.
«Чтобы создать месторождение углеводородов, представляющее экономическую ценность, вы должны его сконцентрировать», - сказал Ли. «В данном случае он стал концентрированным, потому что пепел стимулировал биологическую продуктивность, и именно туда направлялся органический углерод».
Ли сказал, что залежи сланцевого газа и плотной нефти не обнаружены в слоях пепла, но, похоже, связаны с ними. Поскольку слои настолько тонкие, они не обнаруживаются при сейсмическом сканировании, которое энергетические компании используют для поиска нетрадиционных месторождений. По словам Ли, открытие того, что сотни близко расположенных слоев пепла могут быть контрольным признаком нетрадиционных месторождений, может позволить отраслевым геологам искать объемные свойства слоев пепла, которые будут обнаружены при сканировании.
"Есть также последствия для природы морской среды", сказал он. «Сегодня фосфор также является ограничивающим питательным веществом для океанов, но попадание фосфора и железа в океан из этих вулканов имеет серьезные палеоэкологические и экологические последствия».
Хотя в опубликованном исследовании особое внимание уделялось меловому периоду и Северной Америке, Ли сказал, что вспышки дуговых вулканов в другое время и в других местах на Земле также могут быть ответственны за другие сланцевые месторождения, богатые углеводородами.
"Я подозреваю, что они могли", сказал он. «Месторождение Вака Муэрта в Аргентине относится к тому же возрасту и находилось за той же дугой, что и то, что мы изучали. Сведения о горных породах становятся все более неполными по мере того, как вы уходите в прошлое, но с точки зрения других американских сланцев, месторождение Марцеллус в Пенсильвании было заложен более 400 миллионов лет назад в ордовике, и он также связан с пеплом."