Öl und Gas

Was ist ein Salzstock?



Salzsäulen, die durch darüberliegende Sedimenteinheiten eindringen.

Mittleres Jura-Salz: Dieser Querschnitt zeigt Felsen des East Texas Basin zwischen der Grenze zwischen Oklahoma und Texas (links) und der Küste des Golfs von Mexiko (rechts). Die violette Gesteinseinheit ist das Salz des Mittleren Jura, eine Gesteinseinheit, die unter Druck fließen kann. Das Salz wird von Tausenden von Fuß Sedimenten überlagert, die einen enormen Druck auf die Oberfläche des Salzes ausüben und es zum Fließen bringen. Das Salz ist an zahlreichen Stellen nach oben in darüber liegende Sedimente eingedrungen. Dies hat kleine Hügel oder gewaltige Salzsäulen hervorgebracht, die Tausende von Fuß hoch sein können. Die Salzsäulen und kleineren Hügel werden "Salzstöcke" genannt. USGS Bild 1.

Salzstock: Karikatur eines Salzstocks, der die Durchbohrung durch zwei Gesteinsblöcke und die Verformung des Gesteinsblocks unmittelbar darüber zeigt. Das Wachstum der Kuppel wird durch die Wanderung von Salz aus der Umgebung in die Kuppel erreicht. Das Salz wandert in den Dom, weil es durch das Gewicht der darüber liegenden Sedimente zusammengedrückt wird.

Was ist ein Salzstock?

Ein Salzstock ist ein Hügel oder eine Salzsäule, die nach oben in darüber liegende Sedimente eingedrungen ist. Salzstöcke können sich in einem Sedimentbecken bilden, in dem eine dicke Salzschicht von jüngeren Sedimenten mit erheblicher Dicke bedeckt ist. Wo es die Bedingungen erlauben, können sich Salzstöcke über die Salzschicht erheben, aus der sie zu wachsen begonnen haben. Ein Beispiel ist in der Abbildung dargestellt.

In der Abbildung oben auf der Seite war die Purple Rock Unit (Js) ursprünglich eine Salzschicht. Es ist die Salzquelle für mehrere Salzsäulen und mehrere kleinere Salzberge, die in übereinanderliegende Einheiten eingedrungen sind.

Die Entwicklung von Salzstöcken kann Gesteinsblöcke in Fallen verwandeln, die Öl und Erdgas enthalten. Sie werden oft als Salz- und Schwefelquellen abgebaut. Die Undurchlässigkeit des Salzes kann sie zu wichtigen Standorten für die unterirdische Lagerung oder die unterirdische Entsorgung gefährlicher Abfälle machen.

Die Verformung von Salz unter Druck

Im Gegensatz zu den meisten anderen Arten von Sedimenten kann Salz seine Form und Fließfähigkeit ändern, wenn es ausreichend Druck ausgesetzt wird. Um einen Salzstock zu entwickeln, muss der Druck auf das Salz hoch genug sein, damit es in die darüber liegenden Sedimente eindringen kann. Der Druck muss groß genug sein, um mehrere Hindernisse zu überwinden. Dazu gehören das Gewicht der darüber liegenden Schichten, die Stärke der darüber liegenden Schichten, die Reibungskräfte und die der Anhebung widerstehende Schwerkraft.

Zwei Druckquellen, die Salzstöcke erzeugt haben, sind der Abwärtsdruck des darüberliegenden Sediments und der Seitendruck der tektonischen Bewegung.

Wenn sich im darüber liegenden Sediment ein Bereich mit Schwäche oder Instabilität entwickelt, kann Salz unter ausreichendem Druck eindringen. Die Schwäche kann durch Dehnungsfrakturen, eine sich entwickelnde Antiklinik, einen Schubfehler oder ein Tal verursacht werden, das oben in die Erdoberfläche erodiert ist.

Sobald das Salz zu fließen beginnt, kann es fortgesetzt werden, solange der Druck auf das Salz hoch genug ist, um die Widerstandskräfte zu überwinden. Der Fluss stoppt, wenn das Salz auf eine Höhe angestiegen ist, bei der Gleichgewichtsbedingungen vorliegen.

Das "Dichte-Missverständnis"

Viele Erklärungen von Salzstöcken legen nahe, dass die geringere Dichte des Salzes im Vergleich zur Dichte der darüber liegenden Gesteinseinheiten die treibende Kraft der Salzstockbildung ist. Das ist ein Irrtum.

Zum Zeitpunkt der Ablagerung sind klastische Sedimente oberhalb des Salzes nicht verdichtet, enthalten einen Porenraum mit einem schwachen Schweregrad und haben eine geringere Dichte als das Salz. Ihre Dichte übersteigt nicht die Dichte des Salzes, bis sie tief eingegraben, fest verdichtet und teilweise lithifiziert sind. Bis dahin sind sie keine weichen Sedimente mehr. Sie sind kompetente Gesteinseinheiten, die das Eindringen von Salz behindern können.

Gewicht gegen Dichte: Luft hat eine fast vernachlässigbare Dichte. Eine Säule mit atmosphärischer Luft wiegt jedoch genug, um eine Säule mit extrem dichtem Quecksilber fast einen Meter über eine Glasvakuumröhre zu befördern.

Wie Dichte irrelevant sein kann

Ein Quecksilberbarometer zeigt, wie irrelevant die Dichte sein kann. 1643 füllte Evangelista Torricelli eine einseitig verschlossene Glasröhre mit Quecksilber. Dann stellte er es aufrecht in ein Becken mit Quecksilber und hielt ein Ende unter Wasser. Nachdem das Rohr aufrecht stand, sorgte das Gewicht der Atmosphäre auf der Oberfläche des Quecksilbers für genügend Druck, um eine fast einen Meter hohe Quecksilbersäule zu tragen. Das Quecksilber würde in der Röhre steigen und fallen, wenn sich der Druck der Atmosphäre änderte.

Bei einem Quecksilberbarometer ist der Dichteunterschied zwischen dem Quecksilber in der Röhre und der Dichte der Umgebungsluft enorm. Das Gewicht der Atmosphäre ist jedoch hoch genug, um die Quecksilbersäule zu stützen.

Im Falle eines Salzstocks können Tausende von Fuß Sediment, die auf eine geografisch ausgedehnte Salzanlage gedrückt werden, genug Energie liefern, um einen Salzstock zu erzeugen.

Arktische Salzstöcke: Ein Satellitenbild von zwei Salzstöcken, die auf der Oberfläche von Melville Island im Norden Kanadas ausgebrochen sind. Die Kuppeln sind die runden weißen Merkmale, die von grauem Stein umgeben sind. Sie sind jeweils etwa 2 Meilen breit. Die Insel ist von Meereis umgeben. In kalten und trockenen Klimazonen kann Salz an der Oberfläche verbleiben. Bild von der NASA 4. Bild vergrößern.

Wie groß sind Salzstöcke?

Salzstöcke können sehr große Strukturen sein. Die Salzkerne reichen von 1/2 Meile bis 5 Meilen Durchmesser. Die Muttergesteinseinheiten, die als Salzquelle dienen, sind normalerweise mehrere hundert bis einige tausend Fuß dick. Die Salzstöcke steigen aus Tiefen zwischen 500 und 6000 Fuß (oder mehr) unter der Oberfläche 2 auf. Sie erreichen die Oberfläche normalerweise nicht. In diesem Fall könnte sich ein Salzgletscher bilden.

Salzstöcke im Golf von Mexiko: Eine Reliefkarte des Bodens des Golfs von Mexiko vor der südöstlichen Küste von Louisiana. Rote und orange Farben stehen für seichtes Wasser; Blau steht für tieferes Wasser. Die runden Flat-Top-Strukturen sind der Oberflächenausdruck von unterirdischen Salzstöcken. Bild aus dem NOAA Okeanos Explorer-Programm. Bild vergrößern.

Die erste Entdeckung des Salzstocköls

Salzstöcke waren so gut wie unbekannt, bis 1900 auf dem Spindletop Hill in der Nähe von Beaumont, Texas, eine explorative Ölquelle gebohrt und 1901 fertiggestellt wurde. Spindletop war ein niedriger Hügel mit einem Relief von etwa 15 Fuß, auf dem ein Besucher Schwefelquellen und Erdgasquellen finden konnte.

In einer Tiefe von etwa 1000 Fuß drang der Brunnen in ein unter Druck stehendes Ölreservoir ein, das die Bohrwerkzeuge aus dem Brunnen blies und das umliegende Land mit Rohöl überschüttete, bis der Brunnen unter Kontrolle gebracht werden konnte. Die anfängliche Förderung aus dem Bohrloch betrug über 100.000 Barrel Rohöl pro Tag - eine höhere Ausbeute als jemals zuvor.

Die Entdeckung von Spindletop entzündete eine Bohrwelle auf ähnlichen Strukturen an der Golfküste. Einige dieser Brunnen schlugen Öl an. Diese Entdeckungen haben Geologen motiviert, sich über die Strukturen zu informieren, in denen sich so große Mengen Öl befanden 3.

Die sorgfältige Kartierung von Bohrlochdaten unter der Oberfläche und später die Verwendung von seismischen Untersuchungen ermöglichten es den Geologen, die Form von Salzstöcken zu entdecken, Hypothesen zu ihrer Entstehung zu entwickeln und ihre Rolle bei der Erdölexploration zu verstehen.

Salzstock des Persischen Golfs: Sir Bani Yas Island im Persischen Golf an der Westküste der Vereinigten Arabischen Emirate. Die Insel ist ein Hügel, der von einem aufragenden Salzstock emporgeschoben wird. Die Kuppel ist durch die Oberfläche der Insel gebrochen, und der runde Kern der Kuppel ist in der Mitte der Insel zu sehen. Bild vom NASA Earth Observatory 5. Klicken für größeres Bild.

Wirtschaftliche Bedeutung von Salzstöcken

Salzstöcke dienen als Erdöl- und Erdgasspeicher, Schwefelquellen, Salzquellen, unterirdische Lagerstätten für Erdöl und Erdgas sowie Deponien für gefährliche Abfälle.

Öl- und Erdgasbehälter

Salzstöcke sind für die Erdölindustrie von großer Bedeutung. Wenn ein Salzstock wächst, wird der Kappenstein darüber nach oben gewölbt. Dieses Deckgestein kann als Öl- oder Erdgasspeicher dienen.

Wenn eine Kuppel wächst, werden die Felsen, in die sie eindringt, an den Seiten der Kuppel nach oben gewölbt (siehe beide Abbildungen oben auf dieser Seite). Dieser Aufwärtsbogen lässt Öl und Erdgas zum Salzstock wandern, wo es sich in einer strukturellen Falle ansammeln kann.

Das aufsteigende Salz kann ebenfalls Störungen verursachen. Manchmal ermöglichen diese Fehler, dass eine durchlässige Gesteinseinheit gegen eine undurchlässige Gesteinseinheit abgedichtet wird. Diese Struktur kann auch als Öl- und Gasreservoir dienen. Ein einzelner Salzstock kann viele zugehörige Reservoire in verschiedenen Tiefen und an verschiedenen Stellen rund um den Stock haben.

Seismic Survey: Ein frühes seismisches Profil eines Salzstocks aus einer Schiffsvermessung. Es zeigt einen zentralen Salzkern mit einer Breite von 1 1/2 Meilen und Gesteinsschichten, die durch die Aufwärtsbewegung des Salzes deformiert wurden. Erdbebenbild geändert nach Parke D. Snavely, United States Geological Survey.

Eine Schwefelquelle

Salzstöcke werden manchmal von einem Deckgestein überzogen, das erhebliche Mengen an elementarem Schwefel enthält. Der Schwefel kommt als kristallines Material vor, das Risse und intergranulare Poren füllt und in einigen Fällen das Deckgestein ersetzt. Es wird angenommen, dass sich der Schwefel durch Bakterienaktivität aus Anhydrit und Gips gebildet hat, die mit dem Salz verbunden sind.

Einige Salzstöcke haben genug Schwefel im Deckgestein, dass es wirtschaftlich gewonnen werden kann. Es wird gewonnen, indem ein Brunnen in den Schwefel gebohrt und überhitztes Wasser und Luft in den Brunnen gepumpt werden. Das überhitzte Wasser ist heiß genug, um den Schwefel zu schmelzen. Die heiße Luft wandelt den geschmolzenen Schwefel in einen Schaum um, der schwimmfähig genug ist, um einen Brunnen an die Oberfläche zu bringen.

Heute fällt der größte Teil des Schwefels als Nebenprodukt bei der Erdölraffination und Erdgasverarbeitung an. Die Herstellung von Schwefel aus Salzstöcken ist im Allgemeinen mit aus Erdöl und Erdgas hergestelltem Schwefel nicht kostengünstig.

Salzgewinnung

Einige Salzstöcke wurden im Untertagebau abgebaut. Diese Minen produzieren Salz, das von der chemischen Industrie als Rohstoff und als Salz für die Behandlung schneebedeckter Autobahnen verwendet wird.

Einige Salzstöcke wurden durch Lösung abgebaut. Heißes Wasser wird über einen Brunnen in das Salz gepumpt. Das Wasser löst das Salz auf und wird durch Produktionsbrunnen wieder an die Oberfläche gebracht. An der Oberfläche wird das Wasser verdampft, um das Salz wiederzugewinnen, oder das Salzwasser wird in einem chemischen Prozess verwendet.

Informationen zum Salzstock
1 Geologische Modelle und Bewertung unentdeckter konventioneller und kontinuierlicher Öl- und Gasressourcen: Austin Chalk aus der oberen Kreidezeit, US-Golfküste; Krystal Pearson, United States Geological Survey, Bericht über wissenschaftliche Untersuchungen 2012-5159, 2012.
2 Salzkavernen und ihre Verwendung zur Entsorgung von Ölfeldabfällen: Broschüre des National Petroleum Technology Office, Argonne National Laboratory, 1999.
3 Spindletop: The Original Salt Dome: Artikel von Michel T. Halbouty, veröffentlicht auf der Website WorldEnergySource.com, 2009.
4 Salzstöcke auf Melville Island: Jesse Allen, NASA Earth Observatory, Bild des Tages, 27. August 2006.
5 Sir Bani Yas Island, Vereinigte Arabische Emirate: Astronautenfoto von der Internationalen Raumstation, NASA Earth Observatory, Bild des Tages vom 15. März 2010.

Unterirdische Lagerbehälter

Einige der in Salzstöcken entstandenen Minen wurden sorgfältig versiegelt und dann als Lagerstätten für Öl, Erdgas und Wasserstoff verwendet.

Salzstöcke in den USA und Russland dienen auch als nationale Speicher für staatliche Heliumgasreserven. Salz ist die einzige Gesteinsart, deren Durchlässigkeit so gering ist, dass es die winzigen Heliumatome aufnehmen kann.

Müllentsorgung

Salz ist ein undurchlässiges Gestein, das in der Lage ist, Brüche zu fließen und abzudichten, die sich darin entwickeln könnten. Aus diesem Grund wurden Salzstöcke als Deponien für gefährliche Abfälle genutzt. Künstliche Kavernen in Salzstöcken wurden in den USA und anderen Ländern als Endlager für Ölfeldbohrabfälle und andere Arten gefährlicher Abfälle verwendet. Sie wurden auch für die Entsorgung von hochrangigen nuklearen Abfällen in Betracht gezogen, aber kein Standort in den USA hat diese Art von Abfällen erhalten.

US-Salzvorkommen: Lage von Salzlagerstätten und Salzstockbecken in den Vereinigten Staaten. Die große kontinuierliche Lagerstätte entlang der Golfküste, die die drei Salzstockbecken enthält, wird vom Louann-Salz unterlegt. Karte von Geology.com mit Standortdaten des Argonne National Laboratory 2.

Wo kommen Salzstöcke vor?

Salzstöcke können in Sedimentbecken auftreten, in denen dicke Salzablagerungen von mindestens 500 Fuß anderer Arten von Sedimenten begraben wurden. Eine der größten Salzstockregionen der Welt ist der Golf von Mexiko. Über 500 Salzstöcke wurden an Land und unter dem Meeresboden des Golfs von Mexiko entdeckt. Sie stammen aus dem Louann-Salz, einem unterirdischen Gestein, das in der gesamten Region seitlich beständig ist. Eine Karte in der rechten Spalte dieser Seite zeigt den Standort von Salzlagerstätten in den USA und drei Salzstockfeldern. In Angola, Brasilien, Kanada, Gabun, Deutschland, dem Iran und dem Irak wurden ebenfalls große Salzfelder entdeckt.