Hoe aardolie ontstaat uit oud organisch materiaal in gesteente

Wie aardolie oppompt, haalt een vloeistof uit poriën en scheuren diep in de aardkorst. Die olie is daar niet plotseling ontstaan: de vorming begon met kleine organismen en sediment, en vergde langdurige geologische processen. Of er uiteindelijk olie wordt gevormd en waar die terechtkomt, hangt onder meer af van het soort organisch materiaal, de begraving, de temperatuur en de opbouw van het gesteente.

Welk materiaal vormt de basis voor aardolie?

Het verhaal begint met organismen die in zeeën en meren leven. Vooral microscopisch kleine algen en plankton zijn belangrijk in veel oliehoudende sedimentaire bekkens. Na hun dood zinken resten naar de bodem. Daar mengen ze zich met klei, slib en ander fijn materiaal. Aardolie ontstaat dus niet doordat grote dieren massaal begraven raken, maar uit organisch materiaal dat zich onder gunstige omstandigheden ophoopt.

De meeste resten verdwijnen voordat ze olie kunnen vormen. Zuurstof, aaseters en micro-organismen breken organisch materiaal af; daarbij keren stoffen terug naar het milieu. Alleen een deel blijft voldoende bewaard. Dat gebeurt makkelijker wanneer de bodem zuurstofarm is en sediment de resten snel bedekt. De Open University beschrijft hoe zuurstofarme omstandigheden afbraak beperken en organisch rijke sedimenten kunnen achterlaten. Zo’n sedimentlaag is nog geen aardolie: daarvoor zijn verdere begraving en omzetting nodig.

Hoe veranderen sediment en resten in een bronsteen?

Nieuwe lagen sediment bedekken oudere lagen. Naarmate meer materiaal zich ophoopt, worden de onderste lagen dieper begraven en samengedrukt. In de loop van de geologische tijd verhardt het sediment tot gesteente. Als daarin genoeg organisch materiaal bewaard is gebleven, kan het een bronsteen worden: het gesteente waarin olie en gas uit organisch materiaal worden gevormd.

Bij de eerste veranderingen wordt het oorspronkelijke materiaal chemisch omgezet. Een belangrijk tussenproduct is kerogeen: vaste, complexe organische stof die in het gesteente verspreid zit en niet oplost in gewone oplosmiddelen. Kerogeen is dus geen vloeibare ruwe olie. De precieze samenstelling doet ertoe: verschillende soorten organisch materiaal hebben niet hetzelfde vermogen om olie of gas te vormen.

Welke rol spelen temperatuur en tijd?

Diepte alleen bepaalt niet of olie ontstaat. Begraving brengt gesteente doorgaans in een warmere omgeving, maar de temperatuur op een bepaalde diepte varieert met de plaatselijke geologie. Ook telt hoe lang het gesteente aan die warmte is blootgesteld. Warmte drijft reacties aan die kerogeen omzetten in vloeibare en gasvormige koolwaterstoffen; druk door het bovenliggende gesteente speelt mee in de geologische omstandigheden, maar druk alleen maakt geen olie.

De term ‘olievenster’ duidt op een temperatuurbereik waarin vloeibare olie kan ontstaan. Het is geen overal identieke grens. De Open University noemt ongeveer 50 °C als temperatuur waarbij olievorming kan beginnen en beschrijft ongeveer 60 tot 150 °C als omstandigheden die gunstig kunnen zijn. Een andere geologische bron, het Ocean Drilling Program, plaatst kwantitatief belangrijke thermische vorming van olie vooral bij ongeveer 90 tot 150 °C. Het verschil onderstreept dat de uitkomst afhangt van onder meer het kerogeen, de tijd en de lokale geschiedenis van het bekken.

Ook dieptegetallen moeten als voorbeelden worden gelezen, niet als vaste dieptemeter. Het Ocean Drilling Program noemt voor zijn genoemde temperatuurbereik diepten van ongeveer 2.500 tot 5.000 meter bij gemiddelde geothermische gradiënten. Zo’n gradiënt beschrijft hoe de temperatuur doorgaans toeneemt met diepte. Omdat die toename plaatselijk verschilt, kan hetzelfde temperatuurbereik elders op een andere diepte liggen.

Waarom ontstaat soms gas in plaats van olie?

Bij verdere verhitting verandert de samenstelling van het gevormde materiaal. Olie kan bij hogere temperaturen verder uiteenvallen in kleinere koolwaterstoffen, waaronder bestanddelen van aardgas. Als de bronsteen niet warm genoeg werd, kan het organische materiaal daarentegen onrijp blijven en weinig olie opleveren. Daarom vertelt de huidige diepte op zichzelf niet het hele verhaal: geologen onderzoeken ook hoe diep het gesteente in het verleden lag en welke temperaturen het toen bereikte.

Tijd en temperatuur werken samen. In een USGS-rapport over thermische rijping staat dat voor stabilisatie van kerogeen bij de maximale temperatuur in de besproken context 1 tot 10 miljoen jaar nodig kan zijn. Het rapport beschrijft daarnaast een brede fase van petroleumvorming van ongeveer 50 tot 200 °C. Die waarden zijn geen universele receptuur voor elke olievoorraad; ze laten juist zien waarom geologen de thermische geschiedenis van een specifiek gesteente reconstrueren.

Hoe komt de olie uit de bronsteen terecht?

Wanneer koolwaterstoffen ontstaan, kunnen ze uit de bronsteen wegtrekken en door poreuze of gescheurde gesteentelagen migreren. Poriën zijn kleine open ruimtes tussen mineraalkorrels; ze maken een gesteente mogelijk doorlaatbaar. Een gesteente waarin olie zich kan ophopen heet reservoirgesteente. Het is geen ondergrondse holte of meer, maar een vaste laag met vloeistof in poriën en scheuren.

Migratie kan doorgaan totdat een weinig doorlatende laag de weg afsluit. Zo’n afsluitende laag kan de vloeistoffen tegenhouden. Een geschikte combinatie van bronsteen, migratieroute, reservoirgesteente en afsluiting is nodig voor een ophoping die geologen als een petroleumreservoir kunnen aanwijzen. Als olie naar het oppervlak ontsnapt of onderweg niet wordt vastgehouden, ontstaat er geen grote ondergrondse voorraad.

Wat vertellen cijfers over de vorming?

Enkele getallen helpen het proces te plaatsen, zolang ze niet als vaste natuurregels worden gelezen:

• Ongeveer 50 °C is een genoemde ondergrens waarbij olievorming kan beginnen; omstandigheden rond 60 tot 150 °C kunnen gunstig zijn.
• Een andere bron noemt ongeveer 90 tot 150 °C voor thermische olieproductie die kwantitatief belangrijk wordt.
• Bij gemiddelde geothermische gradiënten koppelt die bron dit aan ongeveer 2.500 tot 5.000 meter diepte.
• Voor het stabiliseren van kerogeen op maximale temperatuur noemt een USGS-rapport 1 tot 10 miljoen jaar in de behandelde context.
• Datzelfde rapport beschrijft een brede petroleumvormingsfase van ongeveer 50 tot 200 °C, van olievorming tot de drempel van droge gasvorming.

Deze waarden komen uit verschillende bronnen en hebben niet precies hetzelfde bereik of doel. Ze zijn daarom niet te combineren tot één universeel schema. Een geoloog beoordeelt een olievoorkomen aan de hand van de plaatselijke gesteentelagen, organische samenstelling, begravingsgeschiedenis en temperatuurontwikkeling.

De vorming van aardolie raakt daarmee aan zowel sedimenten als de langzame verandering van de aardkorst. Meer over die geologische processen staat bij veranderingen in de aarde.