El petróleo se ha formado en mayor o menor grado en todas las formaciones marinas antiguas. Siendo líquido puede moverse o emigrar con el gas que lo acompaña hasta quedar atrapado en alguna estructura geológica apropiada, como un anticlinal cubierto por estratos impermeables, o una trampa debida a una falla. Cuando el petróleo sube a fallas o grietas, resulta lo que se llama un manadero, y los aceites volátiles y el gas escapan, dejando por lo general una masa asfáltica. Las rocas que contienen el petróleo suelen ser arenas o areniscas porosas, pero en algunos casos son calizas porosas.
El petróleo se forma bajo la superficie terrestre por la descomposición de organismos marinos.
Los restos de animales minúsculos que viven en el mar, y en menor medida, los de organismos terrestres arrastrados al mar por los ríos o los de plantas que crecen en los fondos marinos, se mezclan con las finas arenas y limos que caen al fondo de las cuencas marinas tranquilas. Estos depósitos, ricos en materiales orgánicos se convierten en rocas generadoras de crudo. El proceso comenzó hace muchos millones de años, cuando surgieron los organismos vivos en grandes cantidades, y continúa hasta el presente. Los sedimentos se van haciendo más espesos y se hunden en el suelo marino bajo su propio peso. A medida que se van acumulando depósitos adicionales, la presión sobre los situados más bajos se multiplican por varios miles, y la temperatura aumenta en varios cientos de grados. El cieno y la arena se endurecen y se convierten en esquistos y arenisca; los carbonatos precipitados y los restos de caparazones se convierten en caliza, y los tejidos blandos de los organismos muertos se transforman en petróleo y gas natural.
Una vez formado el petróleo, éste fluye hacia arriba a través de la corteza terrestre porque su densidad es menor que la de las salmueras que saturan los intersticios de los esquistos, arenas y rocas de carbonato que constituyen dicha corteza. El petróleo y el gas natural ascienden a través de los poros microscópicos de los sedimentos situados por encima. Con frecuencia acaban encontrando un esquisto impermeable o una capa de roca densa: el petróleo queda atrapado, formando un depósito. Sin embargo, una parte significativa del petróleo no se topa con rocas impermeables, sino que brota en la superficie terrestre o en el fondo del océano. Entre los depósitos superficiales también figuran los lagos bituminosos y las filtraciones de gas natural.
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