كتب مشكلتي

النفط هو وقود أحفوري يعود أصله إلى مستحاثّات عضوية عتيقة مثل العوالق الحيوانية والطحالب. بعد فنائها وترسّبها وتجمّع كمّيات كبيرة منها في قعر البحر طُمرت تلك البقايا بالوحل والغِرْيَن والصلصال في مناطق المياه الراكدة. يكون تركيز الأكسجين تقريباً في طبقة عمقها 1 متر تحت هذه الرسوبيات أقلّ من 0.1 مغ/ل، وبذلك تعدّ تلك الطبقات فقيرةً بالأكسجين بشكل يمنع حدوث التحلّل الهوائي فيتشكّل في البداية طين لزج حمئ؛ وتبقى أثناءها درجات الحرارة ثابتة في المراحل الأولى. مع ترسّب الطبقات وتكدّسها فوق بعضها لمئات الآلاف من السنين يبدأ الضغط ودرجة الحرارة بالازدياد في المناطق السفلى، ممّا يدفع إلى حدوث عملية تحوّل في المواد العضوية (تدعى عملية النشأة المابعدية) إلى مادّة شمعية تعرف باسم كيروجين، وهي نفسها الموجودة في الصخر الزيتي (السجيل الزيتي) في عدّة مناطق من العالم، والتي تتحوّل بالمعالجة الحرارية إلى هيدروكربونات سائلة وغازية بعملية تسمى النشأة التقهقرية.

ظهرت عدّة نظريات لتفسير تشكّل النفط، وكان العالم الروسي ميخائيل لومونوسوف رائداً في هذا المجال، إذ وضع نظريته عن تشكّل النفط في أواسط القرن الثامن عشر وعرضها آنذاك على الأكاديمية الروسية للعلوم.

مراحل التحلّل الحيوي

يتشكّل النفط من التحلّل الحراري للهيدروكربونات في طبقات الأرض السفلى في عدد من التفاعلات الماصّة للحرارة. تمرّ تلك العمليات بأطوار ومراحل وهي:

التحلّل اللاهوائي (الطور الأول من النشأة المابعدية)

في غياب كمّية كافية من الأكسجين تكون البكتريا الهوائية غير قادرة على تحليل المواد العضوية المنطمرة تحت سطح الرسوبيات أو الماء؛ إلّا أنّ البكتريا اللاهوائية تكون قادرة على فعل ذلك بحيث تتحلّل المواد العضوية عن طريق عدّة تفاعلات كيميائية. من تلك التفاعلات الكيميائية الممكنة هناك تفاعل الاختزال، حيث تختزل الأملاح الموجودة مثل الكبريتات (السلفات) أو النترات إلى غازات كبريتيد الهيدروجين (H₂S) والنيتروجين (N₂) على الترتيب. من التفاعلات الأخرى للبكتريا الهوائية تفاعل الحلمهة (التحلّل المائي)؛ حيث تتحلّل بواسطته السكّريات المتعدّدة والبروتينات إلى سكّريات أحادية وأحماض أمينية على الترتيب. تخضع تلك المواد الأوّلية الناتجة ضمن الشروط الخالية من الأكسجين إلى تفاعلات لاحقة، خاصّةً بوجود الإنزيمات. فعلى سبيل المثال، تتفاعل الأحماض الأمينية لاحقاً عن طريق تفاعل نزع أمين تأكسدي إلى أحماض إيمينية، والتي بدورها تتفاعل لاحقاً إلى الأمونيا وأحماض α-كيتو (ألفا-كيتو). أمّا السكّريات الأحادية فتتحلّل بدورها إلى ثنائي أكسيد الكربون (CO₂) والميثان (CH₄). في ظرف تلك الشروط اللاهوائية والقيم المتزايدة من الضغط ودرجة الحرارة تتفاعل الأحماض الأمينية والسكّريات الأحادية والفينولات والألدهيدات إلى منتجات أحماض الفولفيك؛ في حين أنّ الدهون والشموع لا يطرأ عليها تحلّل مائي كبير تحت تلك الشروط المعتدلة نسبياً.

تشكّل الكيروجين (الطور الثاني من النشأة المابعدية)

يكون لبعض المركّبات الفينولية الناشئة من التفاعلات السابقة تأثير مبيد وقاتل للبكتريا، ممّا يكبح من أثر البكتريا اللاهوائية في أعماق أدنى من 10 أمتار تحت سطح الرسوبيات أو الماء. تحوي تركيبة المواد في تلك الأعماق على مزيج من أحماض الفولفيك ومن الدهون والشموع المتفاعلة جزئياً، بالإضافة إلى الليغنين المحوّر بشكل طفيف، وكذلك بعض الراتنجات (ريزينات) والهيدروكربونات الأخرى. مع ازدياد العمق تزداد قيم الضغط ودرجة الحرارة كما هو مذكور، ممّا يدفع بالنهاية إلى تشكّل الكيروجين، وذلك بأسلوب غير واضح بالكامل بسبب تعقّد الظروف المحيطة وتنوّع المواد المتفاعلة، إذ يمكن حدوث تفاعلات كيميائية تتضمّن تفاعلات تشبيك بشكل مماثل لحدٍّ ما لتفاعلات تشكّل راتنج يوريا-فورمالدهيد. تدعى العملية الكاملة لتشكّل الكيروجين بدايةً من عمليات التحلّل اللاهوائي باسم النشأة المابعدية، والتي تتضمّن في معناها نشأة وتشكّل الكيروجين من عمليات تحوّل للمواد العضوية بالتحلّل أولاً ثم بالاتحاد اللاحق. هناك ثلاثة أنماط معروفة من الكيروجين مصنّفة حسب نوع الدقائق البنيوية المكوّنة، وهي النمط الأول I (الطحالبي) والنمط الثاني II (الفحمي) والنمط الثالث III (الدبالي).

تحوّل الكيروجين إلى وقود أحفوري (النشأة التقهقرية)

يمثّل الكيروجين منتصف المسافة بنيوياً بين المواد العضوية المكوّنة وبين الناتج من الوقود الأحفوري؛ إذ من الممكن أن يتعرّض الكيروجين إلى الأكسجين ممّا يؤدّي إلى تفكّكه، أو أن يطمر تحت القشرة الأرضية لأعماق أكبر حيث تتوفّر الشروط للتحوّل البطيء إلى وقود أحفوري في عملية تسمى النشأة التقهقرية. تحدث العملية الأخيرة في أعماق الأرض وتتضمّن تفاعلات إعادة ترتيب جذرية للكيروجين في عملية بطيئة للغاية تصل إلى مئات الآلاف أو ملايين السنين. هناك نمطان من النواتج النهائية لتفاعلات النشأة التقهقرية الجذرية، وهما أ) نواتج ذات نسبة هيدروجين/كربون (H/C) منخفصة (وهي مركّبات مؤلّفة من حلقات سداسية مندمجة مثل الأنثراسين وما شابهه) وب) نواتج ذات نسبة هيدروجين/كربون (H/C) مرتفعة (مثل الميثان وما شابهه). أي أنّ النواتج إمّا أن تكون غنية بالكربون أو غنية بالهيدروجين.

تكون آلية عملية النشأة التقهقرية مشابهة إلى حدٍ ما لآلية التحلّل الحراري، رغم أنّ الأولى تحدث عند درجات حرارة منخفضة نسبياً. يطلق الجيولوجيون على المجال من درجة الحرارة الذي يتشكّل فيه النفط في جوف الأرض باسم «نافذة النفط»؛ وهي تتراوح عملياً ما بين 60 °س إلى حوالي 120-130 °س؛ والتي يبقى دونها النفط محتجزاً في بنية الكيروجين؛ أمّا الأعلى منها فيكون فيها معدّل تشكّل النفط ضئيلاً، إذ من الممكن أن يتحوّل فيها الكيروجين عند درجات حرارة بين 170 و200 °س إلى غاز طبيعي بعملية تكسير حراري، وفي بعض الأحيان يمكن للكيروجين أن يهاجر من الطبقات العميقة إلى الطبقات الأقرب لسطح الأرض، كما هو الحال في نفط أثاباسكا الرملي.

تختلف الحرارة حسب تدرّج الحرارة الأرضية، وهناك عدّة مصادر للحرارة تحت سطح الأرض، منها التحلل الإشعاعي لمواد القشرة الأرضية مثل البوتاسيوم-40 والثوريوم-232 واليورانيوم-235؛ كما تلعب الصهارة الأرضية دوراً في تسخين بعض المناطق في جوف الأرض. تكون قيم الضغط في باطن الأرض مرتفعة، وعادةً ما يتشكّل النفط في أعماق تحت سطح الأرض تصل ما بين 2 إلى 4 كم.

أصل غير حيوي للنفط

ظهرت في روسيا أواسط القرن التاسع عشر نظرية تقول إن تشكّل النفط لم يكن بسبب التحلّل العضوي للمستحاثات الأحفورية، إنّما تشكّل طبيعياً في باطن الأرض في طبقة الوشاح، وأنّ الفوالق نتيجة حركة الصفيحات تحت الأرضية هي المسؤولة عن صعود النفط إلى القشرة الأرضية؛ ومن أبرز من دافع عن هذه النظرية كلّ من الروسي نيكولاي كودريافتسيف والأمريكي توماس غولد. ذهب غولد في نظريته أنّ غاز الميثان فقط هو الذي تشكّل في طبقة الوشاح، وأنّه بعد هجرته إلى القشرة الأرضية تحوّل إلى الألكانات العليا (نظرية الغاز العميق)؛ أمّا الباحثون الروس فافترضوا أنّه حتى الألكانات العليا قد تشكّلت في أعماق الأرض.

تستند هذه النظرية على حقيقة وجود بعض المركّبات العضوية المعقّدة في نيازك الكوندريت، بالإضافة إلى وجود بعض الكمّيات من الألكانات القصيرة الغازية في الصخر فوق المافي؛ ممّا يعزّز من الافتراض القائل بأنّ جوف الأرض يسود فيه وسط مختزل يساعد على تشكّل الهيدروكربونات بشكل عام. كما تمكّنت مجموعة بحث روسية من الحصول على بعض الألكانات العليا انطلاقاً من تعريض الميثان لضغوط مرتفعة؛ في حين بيّنت أخرى أن تحوّل السكّريات، وهي من المكوّنات الأساسية للكتلة الحيوية، إلى سلاسل ألكانية طويلة هي عملية غير مفضّلة وفق قوانين الديناميكا الحرارية.

تعدّ هذه النظرية خلافية، ويقف ضدّها عددٌ من الشواهد والأدلة الجيولوجية والجيوكيميائية؛ إلّا أنّها وجدت من يدافع عنها، خاصّة مع العثور على المصادر النفطية ذات الأصل غير الحيوي، رغم شحّها وعدم ربحية الاستخراج اقتصادياً.