1. El gas natural no está en cuevas, sino en los espacios de la roca almacén
La imagen de grandes huecos subterráneos es común, pero engañosa. En la explicación del AIST, la roca que almacena gas natural y petróleo se llama roca almacén. Esta roca, como la arenisca, tiene muchos espacios vacíos. El gas no se acumula en una gran cavidad, sino que se reúne presionado dentro de estos espacios [1]. Una analogía útil podría ser una esponja llena de agua, aunque la roca almacén real es dura y no cambia de forma al ser presionada. En el subsuelo, la disposición básica es que el agua, el petróleo y el gas se superponen en ese orden, de abajo hacia arriba. Sin embargo, los límites entre estos tres no siempre están claramente definidos; hay zonas donde se mezclan gradualmente [1]. Entonces, ¿de qué estaba hecho originalmente el gas que está presionado en la roca?
2. De dónde viene el gas natural: restos de seres vivos antiguos y calor excesivo
Según la Administración de Información de Energía de EE. UU. (EIA), hace millones o cientos de millones de años, los restos de plantas y animales (como las diatomeas) se acumularon en capas gruesas. Al quedar enterrados profundamente bajo más estratos, recibieron presión y calor. Parte de ese material, rico en carbono e hidrógeno, se convirtió en carbón, otra parte en petróleo y otra en gas natural [2]. La roca sedimentaria rica en materia orgánica se llama roca madre. Dentro de ella, una sustancia llamada querógeno madura con el calor geológico para formar petróleo. Pero si la temperatura terrestre sube demasiado, el petróleo se transforma en gas [1]. Cuanto más profundo está el subsuelo, más aumenta la temperatura. En promedio cerca de Japón, la temperatura sube unos 3 °C cada 100 metros, lo que significa que el agua subterránea a 1000 metros de profundidad está unos 30 °C más caliente que cerca de la superficie. Esto es un promedio y varía según el lugar [1]. El gas recién formado no permanece en la roca madre; en la siguiente sección veremos cómo se mueve.
3. Cómo el gas sube y queda atrapado bajo una roca que lo retiene
El movimiento del petróleo y el gas desde la roca madre hacia la roca almacén se llama migración primaria. La migración secundaria es el ascenso dentro de la roca almacén hasta llegar al lugar de acumulación. La fuerza principal de esta segunda migración es la flotabilidad debido a la diferencia de densidad con el agua. El gas, más ligero que el agua, asciende a través de los espacios de la roca [1]. A veces, también intervienen flujos causados por diferencias de presión del agua [1]. Para que el gas se acumule sin escapar, se necesita una roca impermeable que actúe como techo. Un ejemplo típico es una estructura anticlinal (una forma de montaña creada por el pliegue de las capas geológicas) cubierta por una roca impermeable llamada sello o tapa, que actúa como la cúpula de un domo [1]. También hay lugares formados por fallas o discontinuidades en las capas (discordancias) [1]. Los documentos de la EIA también describen cómo el gas, tras migrar a la arenisca, se detiene bajo capas impermeables que lo cubren [3]. Sin embargo, esto describe una "tendencia a subir"; no todo el gas sube necesariamente. ¿Qué pasa con el gas que no llega a bajo estas rocas techo?
4. Por qué parte del gas no sube hasta el techo y permanece dentro de la roca
Los documentos de la EIA clasifican los tipos de acumulación de gas. El gas que migra desde una roca madre como la lutita hacia la arenisca superior y se detiene bajo capas impermeables se considera convencional. En contraste, los recursos no convencionales incluyen tres ejemplos: el gas de esquisto que permanece dentro de la lutita, el gas de arenisca compacta (tight gas) que migró a la arenisca pero tiene dificultad para subir debido a la baja permeabilidad de la roca, y el metano de capa de carbón generado durante el proceso de formación del carbón [3]. En el subsuelo de Japón, se conoce una forma de acumulación ligeramente diferente a estas. La siguiente sección trata sobre Chiba.
5. El gas natural de Chiba: disuelto en agua marina antigua del subsuelo
En la llanura de Kujukuri, en la prefectura de Chiba, se conocían desde hace mucho tiempo lugares donde el gas natural brotaba naturalmente. Usando esto como pista, se perforaron pozos y se desarrollaron minas de gas natural para extraer metano y yodo contenidos en agua fósil marina [4]. Este tipo se llama gas natural soluble en agua. Su componente principal, el metano, fue producido por microbios que descomponen los sedimentos marinos y está disuelto en aguas saladas profundas (brines). Los campos de gas de la región de Kanto, Miyazaki y Niigata son ejemplos representativos [1]. El campo de gas del sur de Kanto se encuentra principalmente en el grupo de estratos Kazusa [4]. Estos brines son ricos en yodo [1]. Según los materiales del Ministerio de Medio Ambiente, se determinó que el hundimiento del suelo en la prefectura de Chiba se debió principalmente a la extracción de esta agua fósil (salmuera de gas natural). En 1973 se estableció un acuerdo de regulación y la cantidad extraída ha disminuido [5]. Se dice que el metano del gas soluble en agua es producido por microbios. ¿Qué tipo de seres vivos son esos microbios?
6. Cultivo de bacterias que producen metano en sedimentos del fondo del mar
En investigaciones del AIST y otras instituciones, se obtuvieron 10 cepas (7 géneros, 8 especies) de bacterias metanógenas vivas de sedimentos del fondo marino de la fosa de Nankai, que contienen hidratos de metano, a una profundidad de agua de aproximadamente 1000 metros. Se informó que el cultivo tardó unos 5 años [6]. Se cree que los hidratos de metano de la fosa de Nankai provienen del metano generado por la actividad microbiana [6]. Al comparar lo anterior, hay dos caminos para la formación de gas, aunque ambos tengan seres vivos como origen: uno donde la materia orgánica se transforma por calor y otro donde los microbios descomponen los sedimentos [1][6]. Se explica que el gas soluble en agua de Chiba proviene principalmente del segundo camino. Sin embargo, este cultivo se refiere a las bacterias de la fosa de Nankai, no a un estudio de las bacterias que produjeron el gas de Chiba. Un artículo del AIST de 2022 señala que Japón importa más del 95 % de su gas natural como gas natural licuado (LNG) desde el extranjero [6]. Conocer cómo se acumulan los gases en el subsuelo nacional es un material para pensar en los recursos que tenemos bajo nuestros pies.
7. Un experimento con arena y agua para ver burbujas de aire en los espacios entre granos
Para experimentar, vierte agua suavemente sobre arena seca en un vaso. Verás burbujas subir desde los espacios entre los granos de arena. Se cree que esto ocurre porque había aire atrapado en los espacios de la arena. El hecho de que el aire o el agua entre en los espacios de la arena es similar a cómo el gas o el agua entran en los espacios de la roca almacén. Sin embargo, la roca almacén real es una roca dura y es diferente de la arena. Si quieres saber más, lee la explicación sobre petróleo y gas natural en la sección "Noticias Geológicas" de la página web del Instituto de Ciencia y Tecnología de la Tierra y Recursos de Japón. Esta es la fuente principal de la sección 1 de este artículo. También están disponibles materiales públicos sobre el medio ambiente y la geología de la prefectura de Chiba.