Termocronologia aplicada à geologia do petróleo

Por: Deniro Felipe

“Termocronologia”

Afinal, o que é “termocronologia”? Segundo os radicais gregos que formam a palavra seria, literalmente, estudo de (logos) calor (termo) ao longo do tempo (cronos). Na prática, existem várias convenções nomeclativas que evoluíram em torno de variações deste termo.

Atualmente, a termocronologia pode ser descrita como a história térmica de uma rocha, mineral ou terreno geológico. Um termocronômetro corresponde a um sistema radioisotópico consistindo em i) pai radioativo; ii) filho radiogênico ou característica cristalográfica; e iii) o mineral em que se encontram. E, então, a termocronometria descreve a análise, prática ou aplicação de um termocronômetro para entender a termocronologia!

Figura 1 - (A) Topografia do oeste dos Estados Unidos, com área de estudo delineada em preto e apresentação das 149 medidas usadas. (B) A superfície topográfica média dentro da área de estudo. (C) Relevo em torno da superfície média. Fonte: McPhillips & Brandon, 2012.

Traços de fissão

A análise de traço de fissão (FT) tornou-se uma das técnicas mais úteis utilizadas em toda a comunidade geológica na reconstrução da história térmica de rochas de baixa temperatura ao longo do tempo geológico. O método é baseado no acúmulo de traços de dano estreitos – ou seja, traços de fissão – em grãos minerais ricos em urânio, como apatita, zircão, titanita e em vidros naturais, que são formados como resultado do decaimento espontâneo da fissão nuclear de 238U na natureza (Price e Walker 1963; Fleischer et al. 1975).

O tempo que decorre desde que os FT começam a se acumular pode ser estimado determinando-se a densidade dos traços acumulados em determinado material em relação ao seu conteúdo de urânio. O ataque químico é usado para aumentar os FT que se formaram dentro de um mineral, para torná-los facilmente observáveis ​​sob um microscópio óptico comum!

Se uma rocha hospedeira é submetida a temperaturas elevadas, os FT que se formaram até aquele momento são encurtados progressivamente e, eventualmente, apagados – annealing – pela recuperação térmica do dano. A redução no comprimento do FT é uma função do tempo de aquecimento e da temperatura. É importante ressaltar que as trilhas de fissão são parcialmente recozidas em diferentes intervalos de temperatura dentro de diferentes minerais.

Figura 2 - Sistemas isotópicos comumente usados para Geocronologia absoluta e Termocronologia. Para a maioria dos sistemas, essas temperaturas são "temperaturas de fechamento", onde a difusão do elemento radioativo de interesse cessa. Para alguns, como a análise de FT é uma "temperatura de retenção de traço". Para isótopos cosmogênicos é simplesmente um tempo de acumulação. Fonte: Singh et al. 2022.

Aplicações

Termocronômetros de baixa temperatura, tais como traços de fissão em apatita (AFT) têm muitos usos potenciais quando se pensa na compreensão da evolução estrutural e térmica de regiões produtoras de petróleo. A termocronologia de baixa temperatura pode ser utilizada no fornecimento de informações adicionais acerca da evolução térmica de rochas fontes, havendo o potencial de relatar i) a temperatura máxima alcançada; ii) em quanto tempo foi alcançada; e iii) a idade, velocidade e quantidade de resfriamento.

Perfis idade-elevação das rochas do embasamento, quando adjacentes a bacias sedimentares, podem indicar o tempo e a taxa de exumação do protólito das rochas sedimentares, enquanto o mesmo tipo de perfil para poços da bacia sedimentar permite verificar estas características sobre a própria bacia. Caso resfriamento e exumação estejam diretamente relacionados à tectônica, também limitam o tempo da deformação, podendo ter implicações para a migração de hidrocarbonetos e a sua captura.

As histórias térmicas, portanto, podem ser obtidas em rochas do embasamento a partir de perfis de elevação e idade e do seu histórico de exumação. Para bacias sedimentares, considera-se seu histórico de soterramento e inversão – caso ocorra. Nestas bacias, é relevante observar o histórico de preenchimento, assim como o gradiente geotérmico, a diagênese, o fluxo de fluido e eventos térmicos, que permitirão ditar sua história térmica.

A modelagem da história térmica da bacia é influenciada por i) gradiente térmico atual dos poços; ii) história de soterramento; iii) geologia estrutural; iv) procedimento dos sedimentos; v) dados de termocronologia (!!!); e vi) informações sobre inclusões de fluidos – apresentadas a seguir.

Inclusões fluidas

O estudo de inclusões fluidas ricas em hidrocarbonetos, junto à análise de traços de fissão em apatita, proporciona a obtenção de paleotermômetros para a reconstrução da evolução P-T. São consideradas as temperaturas de homogeneização das inclusões – vapor e líquido –, de condensação de vapor e de congelamento dos fluidos.

Figura 3 - Seção de arenito vista no microscópio, representando um grão de quartzo com inclusão fluida, gás e óleo. Fonte: Jelinek 2019.

Estudo de caso

A Bacia de Santos é a maior bacia sedimentar offshore da margem sudeste brasileira e foi originada pela quebra do West Gondwana no Cretáceo Inferior. Um estudo termocronológico foi realizado por análise de AFT de amostras de poços desta bacia e de seu embasamento continental para restringir a história tectônica desta margem. As idades centrais de AFT das amostras de embasamento e poço variam de 21,0 ± 1,8 a 157,0 ± 35,0 Ma e de 6,5 ± 1,1 a 208,0 ± 11,0 Ma, respectivamente.

A partir de modelagem térmica, as amostras do embasamento atingiram as paleotemperaturas máximas durante a separação final de América do Sul e África. O embasamento onshore e a bacia offshore registram um evento termotectônico precoce durante o Cretáceo Superior, ligado ao soerguimento e desnudação da Serra do Mar e da Serra da Mantiqueira.

A maturação da matéria orgânica na bacia offshore está relacionada ao aumento progressivo do gradiente geotérmico devido ao soterramento. A modelagem térmica indica que a janela de geração de óleo começou em 55–25 Ma e continuou até o Plioceno-Pleistoceno, coincidindo com a zona de annealing parcial da apatita.

Amostras do embasamento experimentaram o resfriamento final durante o Cenozóico, com uma quantidade estimada de denudação ligada ao influxo sedimentar na bacia offshore. Um rápido resfriamento durante o Neógeno torna-se evidente e está ligado à reativação ao longo das zonas de cisalhamento pré-cambrianas e alteração do sistema de drenagem do Paraíba do Sul.

Figura 4 - História reconstruída da denudação da margem sudeste brasileira. Os mapas mostram a quantidade inferida e a variação espacial da denudação em diferentes intervalos de tempo. Fonte: Oliveira et al. 2016.

Referências

Andréa Ritter Jelinek. TERMOCRONOLOGIA DE BAIXA TEMPERATURA. IGEO/UFRGS. Março/2019. PDF.

Christie Helouise Engelmann de Oliveira, Andréa Ritter Jelinek, Farid Chemale, José Antônio Cupertino. Thermotectonic history of the southeastern Brazilian margin: Evidence from apatite fission track data of the offshore Santos Basin and continental basement. Tectonophysics. Volume 685, 2016. Pages 21-34, ISSN 0040-1951, https://doi.org/10.1016/j.tecto.2016.07.012.

Devin McPhillips, Mark T. Brandon. Topographic evolution of the Sierra Nevada measured directly by inversion of low-temperature thermochronology. American Journal of Science Feb 2012, 312 (2) 90-116; DOI: 10.2475/02.2012.02

Fleischer RL, Price PB, Walker RM (1975) Nuclear Tracks in Solids: Principles and Applications. University of California Press, Berkeley.

Peter W. Reiners, Todd A. Ehlers, Peter K. Zeitler. Past, Present, and Future of Thermochronology. Reviews in Mineralogy & Geochemistry. Vol. 58, pp 1-18, 2005.

Price PB, Walker RM (1963) Fossil tracks of charged particles in mica and the age of minerals. J Geophys Res 68:4847-4862.

Singh, Paramjeet & Patel, Ramesh & Chaudhary, Shailendra. (2022). Apatite Fission Track Thermochronology: fundamentals, technique and review study from the Garhwal-Kumaun region, NW-Himalaya. Himalayan Geology. 43. 96-110.

Takahiro Tagami, Paul B. O’Sullivan. Fundamentals of Fission-Track Thermochronology. Reviews in Mineralogy & Geochemistry. Vol. 58, pp 19-47, 2005.