Vznik ropy

O původu ropy se mezi badateli dlouho spekulovalo. V průběhu 19. století bylo vysloveno i několik hypotéz o anorganickém původu ropy. Žádná z nich se však pro různé slabiny neprosadila.

Podle nových vědeckých poznatků je nepochybné, že ropa nyní těžená, vznikla již před miliony let z organické hmoty. Na rozdíl od uhlí, jehož mocné podzemní sloje vznikly z organické hmoty pravěkých suchozemských rostlin, hlavním zdrojem organické hmoty pro vznik ropy byl mořský plankton.

Základní matérií planktonu je bohatý soubor zelených rostlinek vznášejících se v mořské vodě, tzv. fytoplankton.

fytoplankton
fytoplankton

Jeho hlavní součástí jsou zelené řasy, rozsivky, obrněnky, kokolitky a jiní mořští bičíkovci. Pod hladinou moří a oceánů absorbuje fytoplankton svým chlorofylem energii slunečního záření a fotosyntézou produkuje z vody a oxidu uhličitého organické látky pro svůj růst. Proces vzniku organické látky (glukózy) z anorganických vstupů (CO2, H2O) vyjadřuje chemická rovnice fotosyntézy:


Vzniklá glukóza je základním stavebním kamenem sacharidů a polysacharidů (škrobu, celulózy) nezbytných pro výstavbu rostlinných těl. Nedocenitelný význam fotosyntézy spočívá také v tom, že je současně jediným zdrojem elementárního kyslíku pro atmosféru.

Fytoplankton se na Zemi začal rozvíjet již v prekambriu a byl v praoceánu první vlaštovkou života. Několik miliard let byl fytoplankton jediným zdrojem organické hmoty na světě, a to až do devonu, kdy začaly organickou hmotu produkovat i suchozemské rostliny.

Vedle fytoplanktonu je součástí mořského planktonu také zooplankton, což je pestré společenstvo korýšků, dírkovců, mřížkovců, drobných mlžů a jiných prvoků a měkkýšů, kteří se společně živí rostlinkami fytoplanktonu.

zooplankton
zooplankton

Třetí neoddělitelnou částí planktonu jsou heterotrofní baktérie specializované na rozklad odumřelých částí planktonu. Bakterie doplňují organickou hmotu planktonu o lipidy, proteiny i polysacharidy.

Při úvahách o vzniku ropy se zprvu zdá nemožné, že by tak obrovské množství ropy, které bylo v minulosti již vytěženo (přes 150 miliard tun), včetně zjištěných zásob dosud ležících pod zemí (přes 120 miliard tun), mohlo vzniknout z tak řídké látky jakou je zelený „závoj“ planktonu vznášející se v mořské vodě. Moderní výzkumy však prokázaly, že rozšíření planktonu v mořích a oceánech je skutečně masové. Fytoplankton má dostatek světla k fotosyntéze až do hloubky 60 – 80 m pod hladinou Stejně jako minulých geologických érách, i v současnosti je plankton v mořské vodě počátkem potravního řetězce pro tamní biosféru a v místech s bohatým výskytem jeho koncentrace přesahuje 1g/m3. Rozsáhlé oblasti mořské vody zaplněné vegetací fytoplanktonu jsou díky zelenému chlorofylu patrné i z družicových snímků Země. Reprodukovaný snímek např. ukazuje rozložení planktonu v Atlantském oceánu. Dobře je patrné, že se vegetace fytoplanktonu shromažďuje v klidnějších příbřežních vodách. Modrozelená barva vyznačuje oblasti běžně zaplněné planktonem. Zelené zbarvení indikuje oblasti s přemnoženým planktonem. Z jiného družicového snímku je zřejmé, že se planktonu daří i ve studených vodách Barentsova moře. V polárních vodách je teplotní rozdíl mezi hladinou a dnem nepatrný a vzestupné mořské proudy tam k povrchu vynášejí pro plankton dostatek potřebných živin (hlavně dusík, fosfor a železo). Bilanční výpočty ukázaly překvapující skutečnost, že mořský fytoplankton produkuje řádově stejné množství organického uhlíku (desítky miliard tun C/rok) jako všechny suchozemské rostliny.

družicové snímky rozložení planktonu v Atlantském oceánu a planktonu v Arktidě v Barentsově moři
družicové snímky rozložení planktonu v Atlantském oceánu
a planktonu v Arktidě v Barentsově moři

Ropa, kterou v současnosti těžíme, vznikla v minulých geologických periodách, kdy bylo rozmístění kontinentů a oceánů na naší planetě odlišné od dnešního. I tehdy se plankton rozrůstal hlavně v údobích klimaticky příznivých (sluneční záření) a v těch vodách, kde byl pro vegetaci planktonu dostatečný přísun anorganických živin a biogenních prvků. Optimální podmínky byly v mělkých mořích, šelfech, příbřežních oblastech a u ústí velkých řek (brakická voda). Poněvadž životní cyklus planktonu trvá jen pár týdnů, čím bujnější byla tehdy vegetace planktonu, tím objemnější byly pozůstatky uhynulých částí, které se nepřetržitě snášely na mořské dno.

poloha kontinentů na naší planetě před 200 miliony let
poloha kontinentů na naší planetě před 200 miliony let

Dlouhá cesta od planktonu k ložiskům ropy začala tehdy, před dávnými časy právě, na mořském dně, kde se vrstvy uhynulého planktonu hromadily. Nejvhodnější podmínky pro fosilizaci organické hmoty byly v sedimentačních pánvích. Tam byly vrstvy organického kalu brzy překryty nánosy písku, jílu a bahna a mohla začít první fáze ve vývoji ropy, zvaná diagenese. Hned zpočátku se podstatná část organického kalu (tzv. sapropelu) na dně moře rozložila bakteriální a chemickou oxidací. Ve větší hloubce (bez přístupu vzduchu) v rozkladu pokračovaly bakterie anaerobní. Jejich redukčním působením se z organické hmoty eliminovala část heteroatomů S, N a O. Z původních hlavních složek organické hmoty - proteinů (bílkovin), lipidů (tuků aj.) a glycidů (sacharidů) zůstala v sedimentu zachována jen malá část těch nejodolnějších komponent (hlavně lipidů) s relativně vysokým obsahem uhlíku a vodíku. Nejvíce organické hmoty se zachovalo v jemnozrnných usazeninách, např. siltech, jílech a jemných karbonátech.

Při sedimentaci zatlačují nové vrstvy svojí vahou spodní vrstvy pod mořské dno. Sedimentace je obecně velmi pomalý proces (50 m za milion let). Klesání vrstev (subsidence) se až desetkrát urychluje, pokud dno sedimentačního prostoru klesá následkem tektonismu, např. při vývoji geosynklinály, tj. zvlnění vrstev zemské kůry do formy koryta. Ke vzniku velkých poklesových struktur docházelo hlavně v kontinentálních šelfech. Velké akumulace sedimentů tam mají mocnost 10 km i více. Při subsidenci vrstev dochází zákonitě k přetvoření jak sedimentu, tak i zachycené organické hmoty. Stlačením (kompakcí) vrstev se zmenšuje mocnost vrstev, vytlačuje se z nich voda a snižuje se pórovitost materiálu. Póry se zmenšují tím více, čím jemnozrnnější je usazenina. Například u písku, s původní pórovitostí kolem 50 %, po kompakci klesne objem póru asi na polovinu. Naproti tomu u čerstvě usazených jílů s pórovitostí 45 % po kompakci porózita klesne pod 10 % objemu, přičemž slehnutí vrstvy jílu je mnohem větší než u písku. Ze všech sedimentů po kompakci v průběhu diagenese vzniknou sedimentární horniny: z písku pískovec, z jílu jílovec až jílovité břidlice apod.

odhalený profil sedimentačních vrstev na Arabském poloostrově
odhalený profil sedimentačních vrstev na Arabském poloostrově

V průběhu diagenese se organogenní sedimenty dostaly podle geotektonických podmínek do hloubky 300 až 1300 m. Organická hmota dispergovaná v sedimentární hornině přitom prošla složitou chemickou přeměnou. Původní molekuly biopolymerů, částečně naoxidované a částečně rozložené v sapropelu, se působením vysokého geostatického tlaku (7 až 30 MPa), teploty max. 50 °C a katalytického účinku okolních hornin navzájem sloučily chaotickou polykondenzací. Výsledkem byl vznik kerogenu, což je vysokomolekulární tuhá nerozpustná organická hmota obsahující kolem 86 % organicky vázaného C. Geochemici rozeznávají tři typy kerogenu: typ I. pocházející hlavně z mořských řas, typ II. pocházející z planktonu s větším podílem bakteriálních zbytků a typ III. obsahující organickou hmotu ze suchozemských rostlin.

Rozhodující fází pro vznik ropy byla další subsidence matečné vrstvy kerogenu do hloubky 2 až 5 km. Geotermální gradient byl v minulých érách zhruba stejný jako současný, tj. 25 – 35 °C/km. Z toho lze odvodit, že kerogen v této fázi vývoje, zvané katagenese, byl vystaven teplotě do cca 180 °C a geostatickému tlaku až 150 MPa. Za těchto podmínek podlehly supermolekuly kerogenu v průběhu katagenese termické degradaci. Z funkčních skupin se odštěpovaly molekuly CO2, H2S a H2O, docházelo k aromatizaci cyklických sloučenin a struktura kerogenu se zjednodušovala praskáním vazeb. Vznikla tak jednodušší látka zvaná bitumen. To je polotuhá směs sloučenin střední molekulové hmotnosti, převážně uhlovodíkového charakteru, rozpustná v toluenu a jiných organických rozpouštědlech. Vedle uhlovodíků obsahuje jen malé množství pryskyřic a asfaltenů.

schéma vývoje ropy
schéma vývoje ropy

V závěrečné fázi katagenese se průměrná molekulová hmotnost bitumenu dále snižovala termickým štepením. Z chemických přeměn převládalo otevírání kruhů cyklických sloučenin a odštěpování fragmentů z uhlovodíkových řetězců. Výsledkem těchto přeměn byla pohyblivá kapalina, lehčí než voda, složená převážně z uhlovodíků, tj. ropa.

Čím déle byla ropa při svém „zrání“ (maturaci) v zóně katagenese vystavena vysoké teplotě, tím více se vytvořilo krátkých uhlovodíkových fragmentů. Tímto mechanismem se současně se vznikem ropy odlučoval z kapalné fáze plyn obsahující převážně methan, tj. zemní plyn. Zprvu se takto tvořil tzv. „mokrý zemní plyn“, tj. směs methanu a vyšších plynných alkanů. V hloubce pod 4 km, kde začíná zóna metagenese, se z ropných uhlovodíků tvořil již převážně samotný methan.

Přeměna bitumenu na kapalnou ropu a zemní plyn závisela jednak na hloubce pohřbení matečné vrstvy, jednak na době, po kterou v určité hloubce setrvala – ta se počítá na miliony let. Oba uvedené faktory se navzájem kompenzují. Stejný stupeň přeměny bitumenu nastává v menší hloubce za delší čas, jako za kratší dobu ve větší hloubce (při vyšší teplotě).

Všechny ropy těžené z významných ložisek a ropy ve zjištěných zásobách vznikly uvedeným způsobem z organické hmoty převážně mořského planktonu (běžnou příměsí jsou zbytky vyšších rostlin, bakterií a jiných organismů). Svědčí o tom nejen stratigrafie ložisek, ale i přítomnost biomarkerů v ropě.

Vývoj ropy nebyl v žádném případě rychlý proces. Nejmladší známé ropy vznikly před 5 až 10 miliony let. Příkladem mohou být ropy z pliocenu, jejichž vznik byl uspíšen vyjímečně velkou rychlosti subsidence (přes 500 m za milion let) a vysokým místním geotermálním gradientem (přes 50 °C/km hloubky). Naproti tomu nejstarší známé ropy vznikly v jurských roponosných vrstvách, jejichž pomalé klesání (5 až 15 m za milion let) pokračovalo přes éru křídy až do spodního tercieru. Jejich vývoj se tak protáhl na více než 100 milionů let.

Popsaná cesta od sapropelu přes kerogen a bitumen k ropě neprobíhala v dávných sedimentech vždy přímým a nerušeným způsobem. V mnoha případech byla subsidence organogenních vrstev přerušena nebo úplně zastavena, neboť v různých údobích pravěká moře zanikala a jinde vznikala, působily různé tektonické pohyby, vrásnění apod. Docházelo také k výzdvihu vrstev. V takových případech se vývoj ropy zastavil. Vrstvy fosilizované organické hmoty ve stádiu kerogenu nebo bitumenu byly na některých místech tektonikou vyneseny až k zemskému povrchu (takže mohly být dobře prostudovány). Rozsáhlá jsou např. ložiska kerogenních břidlic (Oil Shale) v Estonsku, Rusku, Číně, Brazílii a Austrálii. Ložiska bituminózních písků (Tar Sands) jsou také na mnoha místech světa, největší zásoby byly nalezeny v kanadské provincii Alberta.

Přeměna organické hmoty uhynulého planktonu na ropu a zemní plyn, která započala v dávných geologických érách, nikdy nepřestala a probíhá i v současné době. Geologové při zkušebních vrtech často nacházejí organogenní vrstvy v různých stádiích vývoje ropy. Celý proces vzniku ropy mohli proto podrobně zmapovat.

Kontakty


fiogf49gjkf0d
Vysoká škola
chemicko-technologická
Technická 5
166 28 Praha 6 - Dejvice

Ústav technologie ropy a alternativních paliv
Ing. Daniel Maxa, Ph.D.
daniel.maxa@vscht.cz
Odborný garant

fiogf49gjkf0d
Odborným garantem tohoto portálu je Česká národní rada světové rady pro ropu (WPC). Česká národní rada reprezentuje Českou republiku ve Světové radě pro ropu.

WPC


Světová rada pro ropu (World Petroleum Council – WPC) je mezinárodní nevládní organizace, jejíž cílem je prosazování využití vědeckého pokroku, přenosu technologií a posuzování ekonomických, finančních, environmentálních a sociálních vlivů na využívání ropy. Více informací...

Odběr novinek


Přihlásit k odběru novinek
Partner projektu

VŠCHT Praha

VŠCHT Praha

fiogf49gjkf0d
Vysoká škola chemicko-technologická v Praze je největší vzdělávací institucí svého druhu ve střední Evropě. Její témeř 200 letá tradice v kombinaci s progresivními studijními obory a mezinárodním renomé otevírá každému studentovi přístup ke špičkovým technologiím, možnostem zahraničních stáží a je následně vstupenkou k prestižnímu, dobře ohodnocenému uplatnění doma i v zahraničí. Více informací...