حفرة القطران

حفر القطران ، والتي يشار إليها أحيانًا باسم حفر الأسفلت ، هي رواسب أسفلتية كبيرة . تتشكل في وجود البترول ، والذي يتكون عندما تتعرض المادة العضوية المتحللة للضغط تحت الأرض. إذا تسرب هذا النفط الخام إلى الأعلى عبر الكسور أو القنوات أو طبقات الصخور الرسوبية المسامية، فقد يتجمع على السطح. ^[1] تتبخر المكونات الأخف من النفط الخام في الغلاف الجوي، تاركة وراءها أسفلتًا أسودًا ولزجًا. ^[1] غالبًا ما يتم حفر حفر القطران لأنها تحتوي على مجموعات كبيرة من الحفريات. ^[1]

تتكون حفر القطران فوق احتياطيات النفط، وغالبًا ما توجد هذه الرواسب في مصائد مضادة للانحناء . في الواقع، تم العثور على حوالي 80 في المائة من البترول الموجود على الأرض في مصائد مضادة للانحناء. ^[2] والانحناءات المضادة هي طيات في الطبقات الطبقية حيث ينحدر كل نصف من الطية بعيدًا عن القمة. وعادة ما تتطور مثل هذه الهياكل فوق الصدوع الدافعة أو في المناطق التكتونية حيث تنحني الأرض وتنثني. إذا كان الهيكل فوق الطية المقعرة لأسفل (القوس) عبارة عن صخرة غير مسامية أو طبقة مائية ، مثل الصخر الزيتي ، فإنه يُعتبر مصيدة مضادة للانحناء. ^[2] الشكل في هذا القسم هو رسم تخطيطي مقطعي كرتوني يوضح النفط عالقًا في مصيدة مضادة للانحناء. إذا كان هناك صدع أو كسر في الطبقات العلوية فوق احتياطي النفط، فقد يهاجر النفط إلى السطح. هذا ممكن عن طريق هامش الشعيرات ولأن النفط أقل كثافة من الماء. ^[3]

حفر القطران هي برك من الأسفلت. ومع ذلك، في بداية تكوينها، لم تكن دائمًا لزجة وكثيفة. كانت البرك تتكون من النفط الخام الذي نشأ تحت سطح الأرض. النفط الخام هو مزيج من المركبات غير المتجانسة والهيدروكربونات والمعادن والمركبات غير العضوية . ^[4] المركبات غير المتجانسة هي جزيئات عضوية تحتوي على عناصر ليست كربونًا أو هيدروجينًا، بينما تحتوي الهيدروكربونات على الكربون والهيدروجين فقط. [ ^4] النفط الخام أقل لزوجة من الأسفلت لأنه يحتوي على نسبة أعلى من الهيدروكربونات الخفيفة. ^{[5] تشمل الهيدروكربونات الخفيفة} الألكانات التالية : الميثان والإيثان والبروبان والبوتان . ^[6] هذه الجزيئات لها أوزان جزيئية منخفضة جدًا. قد تحتوي الزيوت الخام أيضًا على بعض الشوائب غير _{العضوية} ، مثل CO ₂ و H ₂ S و N ₂ و O 2 . ^[6] على السطح، قد تتبخر هذه الجزيئات الخفيفة من النفط الخام، تاركة وراءها جزيئات أثقل وأكثر لزوجة. يحتوي الأسفلت أو البيتومين عادةً على سلاسل جزيئات هيدروكربونية تحتوي على أكثر من 50 ذرة كربون. ^[5] كلما كانت سلسلة الهيدروكربون أطول، أصبحت أكثر لزوجة، وتزداد نقطة الغليان. ^[5]  

التبخر عملية مهمة في تكوين حفر القطران. يمكن تقليل خزان النفط الخام الخفيف على سطح الأرض بنسبة تصل إلى 75٪ من الحجم الأولي بعد بضعة أيام فقط، وتشكيل الأسفلت كمنتج ناتج. بالنسبة للزيوت الخام المتوسطة، قد يتم تقليل الحجم بنسبة 40٪. ^[7] تتبخر الزيوت الخام بشكل مختلف اعتمادًا على تركيبها الكيميائي. ^[4] التركيب المتوسط ​​لعينة البيتومين بالوزن هو 80.2٪ كربون، 7.5٪ هيدروجين، 7.6٪ أكسجين، 1.7٪ نيتروجين، و 3.0٪ كبريت. ^[2]

تقع حُفر القطران في لا بريا في لوس أنجلوس . يتم الحصول على البترول الذي يُرى على السطح من خزان حقل سولت ليك للنفط والرمال النفطية في تكوينات ريبيتو وبيكو . ^[8] تشكلت رواسب النفط هذه خلال عصر الميوسين عندما تراكمت كائنات العوالق البحرية في حوض المحيط. ^[9]  بمرور الوقت، دفنت الرواسب الكائنات الحية على عمق 300 إلى 1000 متر تحت سطح الأرض، مما عرضها لضغوط عالية. حولت هذه العملية المادة العضوية إلى نفط. صدع الشارع السادس الذي يقطع حقل سولت ليك للنفط هو القناة التي تغذي حُفر القطران في لا بريا. ^[8] هاجر البترول إلى السطح بمرور الوقت، مما أدى إلى احتجاز الحيوانات والنباتات والحفاظ عليها على مدار الخمسين ألف عام الماضية. ^[9]

تقع حفر القطران في كاربينتيريا في متنزه حفر القطران في كاربينتيريا، كاليفورنيا. ومن المتوقع أن تكون حفر القطران هذه قد تشكلت خلال العصر البلستوسيني. وخلال مشروع حفر، تم العثور على 25 نوعًا من النباتات إلى جانب 55 نوعًا من الطيور و26 نوعًا من الثدييات. ^[10]  لا تزال ينابيع القطران تتسرب إلى السطح من خلال الشقوق في الطبقات الطبقية الأساسية من الصخر الزيتي البحري. ^[10]

تقع بحيرة بيناغادي الأسفلتية في أذربيجان ، أو في القوقاز، وهي منطقة تقع بين البحر الأسود وبحر قزوين . تشتهر حفرة القطران هذه بالحفاظ على رؤوس وأجساد أسود الكهوف المتعددة ، وهي ثدييات ازدهرت في العصر البليستوسيني . ^[11] كما تم العثور على جمجمة حصان محفوظة جيدًا في بحيرة بيناغادي الأسفلتية. ويقدر عمرها بحوالي 96-120 ألف عام. وهي معروضة في المتحف الطبيعي التاريخي لأذربيجان في باكو ، أذربيجان . ^[12]

بحيرة بيتش في ترينيداد وتوباغو عبارة عن منخفض كبير يشبه الوعاء مملوء بالبيتومين. يبلغ أقصى عمق للبحيرة 250 قدمًا بمساحة 100 فدان، مما يجعلها أكبر رواسب البيتومين الصلب على وجه الأرض. ^[13] البحيرة باردة وكثيفة بالقرب من الشواطئ، ولها طبقة علوية يمكن المشي عليها. تحت هذا الجلد، يتحرك الأسفلت باستمرار. تصبح البحيرة أكثر ليونة وسخونة تدريجيًا بالقرب من المركز حيث يبدأ البيتومين في الفقاعات. يتكون الغاز المنطلق في منتصف البحيرة إلى حد كبير من الميثان وكمية وفيرة من ثاني أكسيد الكربون. ^[14]

تشكلت بحيرة بيتش منذ آلاف السنين في ظل نشاط تكتوني. أدت الحركة على طول صدع إلى خلق كسر استغل خزانًا للنفط والغاز في أعماق القشرة الأرضية. تسرب النفط والغاز إلى سطح الأرض عبر الكسر بمرور الوقت، مما أدى إلى تكوين بحيرة بيتش. وبسبب هذا التجديد المستمر للنفط والغاز، فإن البحيرة بها تيار طفيف. التيار غير ملحوظ إلى حد كبير لأن الطبقة العليا من بحيرة بيتش صلبة في الغالب. ^[13]

تتميز حفر القطران بالعديد من الحفريات. ويرجع هذا إلى أن الأسفلت السميك واللزج يحبس الحيوانات. ^[15]   وبمجرد أن تخطو الحيوانات في القطران، تصبح غير قادرة على الحركة وتبدأ في الغرق على الفور إذا كان الأسفلت دافئًا ولزجًا بدرجة كافية. وعادة ما تتقدم الحيوانات المفترسة التي ترى هذه الحيوانات العاجزة إلى حفر القطران على أمل الحصول على وجبتها التالية. ونتيجة لذلك، عادة ما يتم العثور على الفرائس أسفل الحيوان المفترس أثناء مشاريع الحفر. ^[15]

إن العظام والأجزاء الصلبة من الحيوانات محفوظة بشكل جيد لأنها تُدفن بسرعة بعد موت الكائن الحي. وتحت السطح، تُغلف الأجزاء الصلبة بالإسفلت، وهي محمية من التغيرات المناخية مثل المطر أو الرياح أو الثلج التي قد تسرع من عمليات التجوية. كما يفتقر الإسفلت إلى الأكسجين والماء، وبالتالي فإن الكائنات الحية المتحللة الرئيسية مثل الفطريات والبكتيريا الهوائية غائبة. ^{[ بحاجة لمصدر ]}

في حفر القطران في لا بريا، تم العثور على أكثر من مليون عظمة منذ عام 1906. تم التعرف على 231 نوعًا من الفقاريات و234 نوعًا من اللافقاريات و159 نوعًا من النباتات. ^[9] أكثر الثدييات الكبيرة شيوعًا الموجودة في حفر القطران في لا بريا هو الذئب الرهيب ، أحد أشهر الحيوانات آكلة اللحوم في عصور ما قبل التاريخ التي عاشت خلال العصر البليستوسيني . ^[16] كانت الحفريات من القطط ذات الأسنان الحادة والذئاب وفيرة أيضًا. ^[9] يتم اكتشاف حفريات إضافية باستمرار من خلال مشاريع التنقيب المستمرة. ^[9]

تم العثور على حياة في عينة من الأسفلت الطبيعي عمرها حوالي 28000 عام في حفر القطران في لا بريا . ^[17] تم اكتشاف مئات الأنواع الجديدة من البكتيريا التي لديها القدرة على الازدهار في بيئات بها القليل من الماء أو الهواء. تحتوي على إنزيمات خاصة يمكنها تكسير الهيدروكربونات ومنتجات البترول الأخرى. ^[17] أصل البكتيريا في حفر الأسفلت الطبيعية هذه غير معروف، ولكن يُعتقد أنها تطورت من الكائنات الحية الدقيقة الموجودة مسبقًا في التربة والتي نجت من حدث تسرب الأسفلت منذ آلاف السنين. كان على الكائنات الحية الدقيقة في التربة التكيف والخضوع للتغيرات الجينية للمساعدة في تحمل البيئة القاسية الجديدة، مما أدى في النهاية إلى ظهور أنواع بكتيرية جديدة. ^[17]

في إحدى الدراسات، كانت البكتيريا السائدة الموجودة في حفر القطران في لا بريا من فئة Gammaproteobacteria في رتبة Chromatiales ، والتي يشار إليها ببساطة باسم  بكتيريا الكبريت الأرجوانية . ^[17] لا تستخدم بكتيريا الكبريت الأرجوانية الماء كعامل اختزال لها ، لذلك لا يتم إنتاج الأكسجين أثناء التنفس . بدلاً من ذلك، فإنها تستخدم الكبريت في شكل كبريتيدات كعامل اختزال لها. كانت البكتيريا الأخرى التي تم اكتشافها في حفر القطران من عائلة Rubrobacteraceae . تشتهر هذه البكتيريا بأنها من أكثر الكائنات الحية مقاومة للإشعاع على هذا الكوكب. ^[17]  

بحيرة بيتش ، وهي حفرة أسفلتية أخرى في ترينيداد وتوباغو ، هي أيضًا موطن لمجتمعات ميكروبية من العتائق والبكتيريا. تم العثور على كائنات دقيقة بكتيرية من رتبتي Burkholderiales و Enterobacteriales ^{تعيش في قطرات بحجم ميكروليتر من الماء المستخرج من البحيرة. [18]} تم الإبلاغ عن الكتلة الحيوية في بحيرة بيتش بما يصل إلى 10 ⁷ خلية لكل جرام من الأسفلت. ^[19] تعيش العديد من هذه الميكروبات على الكبريت أو الحديد أو الميثان أو الهيدروكربونات الأخرى. ^[19] يتم إجراء أبحاث مستمرة في بحيرة بيتش لأنها تحاكي البيئة الموجودة على سطح أكبر أقمار زحل ، تيتان . يوفر اكتشاف الكائنات الحية المتطرفة في بحيرة بيتش نظرة ثاقبة لإمكانيات الحياة الميكروبية في البحيرات الهيدروكربونية الموجودة على تيتان. ^[19]

تتكون حفر القطران عن طريق تجزئة النفط الخام على السطح. تتبخر الهيدروكربونات الأخف وزناً في النفط الخام، والتي تشمل الميثان (CH ₄ ) والإيثان (C ₂ H ₆ ) والبروبان ( C ₃ H ₈ )، تاركة وراءها هيدروكربونات أكبر حجمًا تشكل التركيب الكيميائي للإسفلت. هذا أمر مثير للقلق لأن الميثان والإيثان والبروبان هي إما غازات دفيئة رئيسية و/أو ملوثات كيميائية ضوئية . ^[20] تنبعث من حفر القطران في لا بريا حوالي 500 كجم من الميثان يوميًا. ^[20] الانبعاثات هي الأعلى على طول صدع الشارع السادس، وهو القناة التي تغذي حفر القطران بالنفط الخام من الرواسب الموجودة تحت سطح الأرض. ^[20] كما تم اكتشاف أن الميثان يتبخر من التربة القريبة، مما يؤثر على فسيولوجيا الأعشاب الأصلية. تتمتع حفر القطران في لا بريا بأعلى تدفق للغاز الطبيعي تم قياسه لأي منطقة تسرب برية في الولايات المتحدة. ^[20]  وعلى نطاق عالمي، فإن تقديرات انبعاثات الميثان والكربون _{والهيدروجين من} تسرب الغاز في الصخور الرسوبية تتراوح بين 50-70 تيرا جرام/سنة و2-4 تيرا جرام/سنة على التوالي. وتمثل هذه القيم ما يقرب من نصف انبعاثات الميثان والكربون والهيدروجين العالمية _من احتراق الوقود _{الأحفوري من} صنع الإنسان ، والتي تبلغ ما يقرب من 100-150 تيرا جرام من الميثان _/ سنة و6-8 تيرا جرام من الكربون _{والهيدروجين} / سنة. _[ ^{20] ويمكن أن تساهم هذه} _{الانبعاثات} الهيدروكربونية في التحلل البيولوجي للنفط وتوليد الميثان داخل حفر القطران. ^[20]  

ينبغي أن تؤخذ المصادر الجيولوجية الطبيعية للميثان والهيدروكربونات الأخرى في الاعتبار عند نمذجة الغازات المسببة للانحباس الحراري في الغلاف الجوي. ليست كل مصادر الهيدروكربونات في الغلاف الجوي ناتجة عن انبعاثات من صنع الإنسان. ^[20]

يشكل تسرب الهيدروكربون في المناطق الحضرية أو الصناعية خطرًا جيولوجيًا بسبب الطبيعة المتفجرة للهيدروكربونات. في 24 مارس 1985، مر جيب من غاز الميثان عبر فتحة صغيرة بين بلاطة الأرضية وجدران الأساس لمتجر ملابس روس في لوس أنجلوس ، على بعد ميل واحد فقط شمال حفر القطران في لا بريا. تسبب جيب الميثان هذا في انفجار أدى إلى إصابة 21 شخصًا. ^[21] زاد هذا الحدث من الوعي بالمخاطر المحتملة لجيوب الميثان وتسرب الهيدروكربون في المنطقة. ^[21]

تعد حفر القطران عوامل حفظ ممتازة، ولديها أيضًا القدرة على توفير بيانات نظائر الكربون للأشجار التي سقطت في الأسفلت. يمكن أن يكشف النظر في بيانات نظائر الكربون في الأشجار ما قبل التاريخ عن معلومات حول استجابات النبات لكميات مختلفة من ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي القديم . ^[22] تم استعادة عينات من أشجار العرعر من العصر الجليدي الأخير من حفر القطران في لا بريا، وكشفت أن نسبة ثاني أكسيد الكربون بين الخلايا والغلاف الجوي _كانت متشابهة بين الأشجار الجليدية والحديثة. نظرًا لأن كمية ثاني أكسيد الكربون خلال العصر الجليدي الأخير كانت بين 180 و 200 جزء في المليون (409.8 جزء في المليون اليوم)، ^[23] كان هناك كمية أقل من الكربون المتاح لعملية التمثيل الضوئي . كان على أشجار العرعر تعزيز امتصاص ثاني أكسيد الكربون _للبقاء على قيد الحياة في ظل ظروف الكربون المحدودة. من المرجح أن تكون موصلية الثغور للأشجار ومتطلبات البلاستيدات الخضراء لثاني أكسيد الكربون _أعلى خلال هذه الفترة لزيادة استهلاكها للكربون. ^[22] عند الانتقال إلى فترة ما بين الجليدية التالية، انخفضت موصلية الثغور لدى أشجار العرعر واحتياج البلاستيدات الخضراء لثاني أكسيد الكربون _نتيجة لارتفاع درجات الحرارة وتركيزات ثاني أكسيد الكربون الأعلى _في الغلاف الجوي. تُرى هذه الاستجابة لمستويات الكربون المتقلبة في النباتات بمرور الوقت. على سبيل المثال، لوحظت زيادة موصلية الثغور في نباتات الكربون 3 الحديثة المزروعة في بيئات منخفضة ثاني أكسيد الكربون. _[ ^22] يُفترض أيضًا أن المناخ الأكثر رطوبة خلال فترة الجليدية الأخيرة ربما زاد من توفر النيتروجين للنباتات، مما أدى بالتالي إلى زيادة تركيز النيتروجين في الأوراق. ربما أدى هذا التغيير إلى زيادة قدرات أشجار العرعر على التمثيل الضوئي. ^[22]

تم العثور على جثة امرأة من حفر القطران في لا بريا عام 1914. ولم يتم الحفاظ إلا على الجمجمة وأجزاء من الهيكل العظمي، وقد تم تحديد وفاتها منذ حوالي 9000 عام. ^[24]   كان عمرها بين 18 و24 عامًا عند الوفاة، وكان طولها 4 أقدام و8 إلى 10 بوصات. ^[24] هذه هي الحالة الوحيدة المبلغ عنها لبقايا بشرية تم العثور عليها داخل حفر القطران. ^[25]

لمدة آلاف السنين، استخدم الأمريكيون الأصليون القطران من حفر القطران في لا بريا كمادة لاصقة ورابطة. ^[1] وكانوا يستخدمونه كحشوة مقاومة للماء لتبطين قواربهم وسلالهم. وعندما وصل الأوروبيون إلى حفر القطران، بدأوا في استخراج القطران واستخدامه في مواد التسقيف في المدن القريبة. ^[1]