Obsah
- Co je Shale?
- Použití Shale
- Konvenční ropa a zemní plyn
- Netradiční ropa a zemní plyn
- Shale zvyklý na výrobu jílu
- Shale zvyklý na výrobu cementu
- Ropná břidlice
- Složení břidlice
- Barvy břidlice
- Černá a šedá břidlice
- Červená, hnědá a žlutá břidlice
- Zelená břidlice
- Hydraulické vlastnosti břidlice
- Technické vlastnosti půd břidlic
- Expanzivní půdy
- Stabilita svahu
- Prostředí ukládání břidlic
Shale: Břidlice se rozpadá na tenké kousky s ostrými hranami. Vyskytuje se v široké škále barev, které zahrnují červenou, hnědou, zelenou, šedou a černou. Je to nejběžnější sedimentární hornina a nachází se v sedimentárních pánvích po celém světě.
Co je Shale?
Břidlice je jemnozrnná sedimentární hornina, která se vytváří z zhutňování bahna a jílovitých minerálních částic, které běžně nazýváme „blátem“. Tato kompozice umísťuje břidlici do kategorie sedimentárních hornin známých jako „bahenní kameny“. Břidlice se liší od ostatních bahenních kamenů, protože je štěpná a laminovaná. "Laminated" znamená, že skála je tvořena mnoha tenkými vrstvami. "Štěpitelný" znamená, že se skála snadno rozdělí na tenké kousky podél laminací.
Použití Shale
Některé břidlice mají zvláštní vlastnosti, díky nimž jsou důležitými zdroji. Černé břidlice obsahují organický materiál, který se někdy štěpí za vzniku zemního plynu nebo oleje. Jiné břidlice mohou být rozdrceny a smíchány s vodou za vzniku jílů, které mohou být zpracovány na řadu užitečných předmětů.
Konvenční nádrž na ropu a zemní plyn: Tento obrázek ukazuje „antiklinální past“, která obsahuje ropu a zemní plyn. Jednotky šedé skály jsou nepropustné břidlice. V těchto břidlicových jednotkách se tvoří ropa a zemní plyn a poté migrují nahoru. Část oleje a plynu se zachytí do žlutého pískovce a vytvoří nádrž na naftu a plyn. Jedná se o „konvenční“ nádrž - to znamená, že ropa a plyn mohou protékat pórovitým prostorem pískovce a být produkovány ze studny.
Konvenční ropa a zemní plyn
Černé organické břidlice jsou zdrojovou horninou pro většinu světově nejdůležitějších ložisek ropy a zemního plynu. Tyto břidlice získají svou černou barvu z malých částic organické hmoty, které byly uloženy v bahně, ze kterého se břidlice tvořila. Když bylo bláto pohřbeno a ohříváno v zemi, část organického materiálu byla přeměněna na ropu a zemní plyn.
Ropa a zemní plyn migrovaly z břidlice a vzhůru přes sedimentovou hmotu kvůli jejich nízké hustotě. Ropa a plyn byly často uvězněny v pórových prostorech nadložní skalní jednotky, jako je pískovec (viz ilustrace). Tyto typy ložisek ropy a plynu jsou známé jako „konvenční nádrže“, protože tekutiny mohou snadno protékat póry skály a do extrakční studny.
Ačkoli vrtání může extrahovat velké množství ropy a zemního plynu z horniny nádrže, hodně z toho zůstane uvězněný uvnitř břidlice. Tento olej a plyn je velmi obtížné odstranit, protože je zachycen v malém prostoru pórů nebo adsorbován na jílové minerální částice, které tvoří břidlici.
Netradiční ropná a plynová nádrž: Tento obrázek ilustruje nové technologie, které umožňují rozvoj nekonvenčních polí ropy a zemního plynu. V těchto plynových polích jsou ropa a plyn drženy v břidlici nebo jiné skalní jednotce, která je nepropustná. K výrobě této ropy nebo plynu jsou zapotřebí speciální technologie. Jedním z nich je horizontální vrtání, ve kterém je svislá studna odkloněna od horizontální, takže pronikne na velkou vzdálenost rezervoárové horniny. Druhým je hydraulické štěpení. Touto technikou se část jamky utěsní a voda se čerpá, aby se vytvořil tlak, který je dostatečně vysoký, aby zlomil okolní horninu. Výsledkem je vysoce zlomená nádrž proniknutá dlouhou délkou vrtu.
Netradiční ropa a zemní plyn
Na konci 90. let vyvinuly společnosti zabývající se těžbou zemního plynu nové metody pro uvolňování ropy a zemního plynu, které jsou zachyceny v malém prostoru pórů břidlic. Tento objev byl významný, protože odemkl některé z největších ložisek zemního plynu na světě.
Barnettská břidlice v Texasu byla prvním hlavním polem zemního plynu vyvinutým ve skále břidlicové nádrže. Produkce plynu z Barnett Shale byla výzvou. Prostory pórů v břidlici jsou tak malé, že plyn má potíže s pohybem břidlic a do studny. Vrtačky zjistily, že by mohly zvýšit propustnost břidlice čerpáním vody dolů ze studny pod tlakem, který byl dostatečně vysoký na to, aby se břidlice lomila. Tyto zlomeniny uvolnily část plynu z pórových prostorů a umožnily, aby tento plyn proudil do studny. Tato technika je známá jako „hydraulické štěpení“ nebo „hydrofracing“.
Vrtačky se také naučily, jak vrtat dolů na úroveň břidlice a otočit studnu o 90 stupňů, aby vrtaly vodorovně skrz břidlicovou skalní jednotku. Toto vytvořilo studnu s velmi dlouhou „výplatní zónou“ skrz rezervoárovou skálu (viz ilustrace). Tato metoda se nazývá „horizontální vrtání“.
Horizontální vrtání a hydraulické štěpení způsobily revoluci technologie vrtání a vydláždily cestu pro rozvoj několika obřích polí zemního plynu. Patří mezi ně Marcellus Shale v Appalachians, Haynesville Shale v Louisianě a Fayetteville Shale v Arkansasu. Tyto obrovské břidlicové nádrže mají dostatek zemního plynu, aby sloužily všem potřebám Spojených států po dobu dvaceti a více let.
Břidlice v cihel a dlaždice: Břidlice se používá jako surovina pro výrobu mnoha typů cihel, dlaždic, dýmek, keramiky a dalších vyráběných výrobků. Cihla a dlaždice jsou některé z nejrozšířenějších a nejžádanějších materiálů pro stavbu domů, zdí, ulic a komerčních struktur. Autorské právo na obrázky iStockphoto / Guy Elliott.
Shale zvyklý na výrobu jílu
Každý má kontakt s produkty vyrobenými z břidlice. Pokud žijete v cihlovém domě, jedete po cihlové silnici, bydlíte v domě se střechou z dlaždic, nebo necháte rostliny v květináčích „terra cotta“, máte každodenní kontakt s předměty, které byly pravděpodobně vyrobeny z břidlice.
Před mnoha lety byly stejné položky vyrobeny z přírodní hlíny. Nicméně, těžké použití vyčerpalo většinu z malých ložisek jílu. Výrobci, kteří potřebovali nový zdroj surovin, brzy zjistili, že smíchání jemně mleté břidlice s vodou by vytvořilo hlínu, která často měla podobné nebo lepší vlastnosti. Dnes je většina předmětů, které byly kdysi vyrobeny z přírodního jílu, nahrazena téměř totožnými předměty vyrobenými z jílu vyrobeného smícháním jemně rozemleté břidlice s vodou.
Skalní a minerální soupravy: Pořiďte si skalní, minerální nebo fosilní sadu, abyste se dozvěděli více o materiálech Země. Nejlepší způsob, jak se dozvědět o horninách, je mít k dispozici vzorky pro testování a vyšetření.
Shale zvyklý na výrobu cementu
Cement je další běžný materiál, který se často vyrábí z břidlic. Při výrobě cementu se rozdrcený vápenec a břidlice zahřívají na teplotu, která je dostatečně vysoká, aby se vypařila veškerá voda a rozložil se na oxid vápenatý a oxid uhličitý. Oxid uhličitý se ztrácí jako emise, ale oxid vápenatý v kombinaci se zahřátou břidlicí vytváří prášek, který ztvrdne, pokud se smíchá s vodou a nechá se vyschnout. Cement se používá k výrobě betonu a mnoha dalších produktů pro stavebnictví.
Olejová břidlice: Hornina, která obsahuje významné množství organického materiálu ve formě pevného kerogenu. Až 1/3 horniny může být pevný organický materiál. Tento vzorek má průměr přibližně čtyři palce (deset centimetrů).
Ropná břidlice
Ropná břidlice je hornina, která obsahuje významné množství organického materiálu ve formě kerogenu. Až 1/3 horniny může být pevný kerogen. Tekuté a plynné uhlovodíky lze extrahovat z ropných břidlic, ale hornina musí být zahřátá a / nebo ošetřena rozpouštědly. To je obvykle mnohem méně účinné než vrtání hornin, které vyprodukují ropu nebo plyn přímo do studny. Těžba uhlovodíků z břidlicové břidlice produkuje emise a odpadní produkty, které způsobují významné environmentální obavy. To je jeden z důvodů, proč nebyly na světě rozsáhlé ložiska ropných břidlic agresivně využívány.
Ropná břidlice obvykle splňuje definici „břidlice“ v tom, že se jedná o „vrstvenou horninu sestávající z nejméně 67% jílových minerálů“. Někdy však obsahuje dostatek organického materiálu a uhličitanových minerálů, takže jílové minerály tvoří méně než 67% horniny.
Vzorky jádra břidlic: Když se břidlice vrtají za účelem vyhodnocení ropy, zemního plynu nebo nerostných zdrojů, jádro se často získá ze studny. Horninu v jádru lze pak vyzkoušet, aby se dozvěděli o jejím potenciálu a o tom, jak by se zdroj mohl nejlépe rozvíjet.
Složení břidlice
Břidlice je skála složená převážně z minerálních zrn jílu. Tato drobná zrna jsou obvykle jílovité minerály, jako je illit, kaolinit a smectit. Břidlice obvykle obsahuje jiné minerální částice velikosti jílu, jako je křemen, chert a živec. Jiné složky mohou zahrnovat organické částice, uhličitanové minerály, minerály oxidu železa, sulfidové minerály a těžká minerální zrna. Tyto „další složky“ ve skále jsou často určovány břidlicovým prostředím usazování a často určují barvu skály.
Černá břidlice: Čerstvá břidlice bohatá na organické látky. Zemní plyn a ropa jsou někdy zachyceny v malých pórových prostorech tohoto typu břidlic.
Barvy břidlice
Jako většina hornin, barva břidlice je často určována přítomností specifických materiálů v menších množstvích. Pouze několik procent organických materiálů nebo železa může výrazně změnit barvu skály.
Břidlicový plyn hraje: Od konce 90. let se desítky dříve neproduktivních černých organických břidlic úspěšně vyvinuly na cenné plynové pole. Viz článek: „Co je to břidlicový plyn?“
Černá a šedá břidlice
Černá barva v sedimentárních horninách téměř vždy naznačuje přítomnost organických materiálů. Pouze jeden nebo dvě procenta organických materiálů mohou skále propůjčit tmavě šedou nebo černou barvu. Kromě toho tato černá barva téměř vždy znamená, že břidlice vytvořená ze sedimentu uloženého v prostředí s nedostatkem kyslíku. Jakýkoli kyslík, který vstoupil do prostředí, rychle reagoval s rozkládajícím se organickým zbytkem. Pokud by bylo přítomno velké množství kyslíku, všechny organické zbytky by se rozpadly. Prostředí chudé na kyslík také poskytuje vhodné podmínky pro tvorbu sulfidových minerálů, jako je pyrit, další důležitý minerál nalezený ve většině černých břidlic.
Přítomnost organických zbytků v černých břidlicích z nich činí kandidáty na těžbu ropy a plynu. Pokud je organický materiál po pohřbu uchován a řádně zahřát, může dojít k produkci oleje a zemního plynu. Barnett Shale, Marcellus Shale, Haynesville Shale, Fayetteville Shale a další horniny produkující plyn jsou tmavě šedé nebo černé břidlice, které produkují zemní plyn. Bakkenská břidlice v Severní Dakotě a Eagle Ford Shale v Texasu jsou příklady břidlic, které produkují ropu.
Šedé břidlice někdy obsahují malé množství organické hmoty. Šedé břidlice však mohou být také horniny, které obsahují vápenaté materiály nebo jednoduše jílové minerály, které mají za následek šedou barvu.
Utica a Marcellus Shale: Předpokládá se, že dvě černé organické břidlice v Appalachianské pánvi obsahují dostatek zemního plynu pro zásobování Spojených států po několik let. Jsou to břidlice Marcellus a Utica Shale.
Červená, hnědá a žlutá břidlice
Břidlice, které se ukládají v prostředích bohatých na kyslík, často obsahují malé částice oxidu železa nebo minerálů hydroxidu železa, jako je hematit, goethit nebo limonit. Jen několik procent těchto minerálů distribuovaných ve skále může produkovat červené, hnědé nebo žluté barvy vystavené mnoha druhy břidlic. Přítomnost hematitu může způsobit červenou břidlici. Přítomnost limonitu nebo goethitu může způsobit žlutou nebo hnědou břidlici.
Zelená břidlice
Občas se vyskytují zelené břidlice. To by nemělo být překvapivé, protože některé jílové minerály a slídy, které tvoří velkou část objemu těchto hornin, jsou obvykle nazelenalé barvy.
Břidlice zemního plynu dobře: Za méně než deset let se břidlice vynořila na vrchol v energetickém sektoru. Nové metody vrtání a vývoje vrtů, jako je hydraulické štěpení a horizontální vrtání, mohou přivádět ropu a zemní plyn zachycené v těsné matrici organických břidlic. Autorské právo na obrázky iStockphoto / Edward Todd.
Hydraulické vlastnosti břidlice
Hydraulické vlastnosti jsou vlastnosti horniny, jako je propustnost a pórovitost, které odrážejí její schopnost zadržovat a přenášet tekutiny, jako je voda, olej nebo zemní plyn.
Břidlice má velmi malou velikost částic, takže intersticiální prostory jsou velmi malé. Ve skutečnosti jsou tak malé, že ropa, zemní plyn a voda mají problémy s pohybem skálou.Břidlice proto může sloužit jako hornina pro lapače ropy a zemního plynu, a je to také vodní kanál, který blokuje nebo omezuje tok podzemních vod.
Přestože jsou vsunuté prostory v břidlici velmi malé, mohou zaujmout významný objem skály. To umožňuje, aby břidlice obsahovala značné množství vody, plynu nebo oleje, ale nebyla schopna je účinně přenášet kvůli nízké propustnosti. Ropný a plynárenský průmysl překonává tato omezení břidlic pomocí horizontálního vrtání a hydraulického štěpení, aby se ve skále vytvořila umělá pórovitost a propustnost.
Některé z jílových minerálů, které se vyskytují v břidlici, mají schopnost absorbovat nebo adsorbovat velké množství vody, zemního plynu, iontů nebo jiných látek. Tato vlastnost břidlice jí umožňuje selektivně a houževnatě zadržovat nebo volně uvolňovat tekutiny nebo ionty.
Mapa expanzivních půd: Geologický průzkum Spojených států připravil zobecněnou mapu rozsáhlých půd pro nižších 48 států.
Technické vlastnosti půd břidlic
Břidlice a půdy z nich odvozené jsou některé z nejobtížnějších materiálů, na nichž lze stavět. Jsou předmětem změn v objemu a kompetenci, které z nich obvykle činí nespolehlivé konstrukční podklady.
Sesuv půdy: Břidlice je skála náchylná k sesuvům.
Expanzivní půdy
Jílové minerály v některých půdách odvozených z břidlic mají schopnost absorbovat a uvolňovat velké množství vody. Tato změna obsahu vlhkosti je obvykle doprovázena změnou objemu, která může být až několik procent. Tyto materiály se nazývají „expanzivní půdy“. Když tyto půdy zvlhnou, zvětšují se a když vysychají, zmenšují se. Budovy, silnice, inženýrské sítě nebo jiné stavby umístěné na těchto materiálech nebo uvnitř nich mohou být oslabeny nebo poškozeny silami a pohybem změny objemu. Expanzivní půdy jsou jednou z nejčastějších příčin poškození budov ve Spojených státech.
Shale delta: Delta je sediment, který se vytváří, když proud vstoupí do stojatého útvaru vody. Rychlost vody proudu náhle klesá a usazené sedimenty se usazují na dně. Delty jsou místem, kde je uložen největší objem bahna Země. Nahoře na obrázku je satelitní pohled na deltu Mississippi, ukazující její distribuční kanály a interdistributární vklady. Jasně modrá voda obklopující deltu je zatížena sedimentem.
Stabilita svahu
Břidlice je skála nejčastěji spojená se sesuvy půdy. Zvětralé přeměňuje břidlici na hlinku bohatou půdu, která má obvykle velmi nízkou smykovou pevnost - zejména za mokra. Když jsou tyto materiály s nízkou pevností mokré a na strmém svahu, mohou se pomalu nebo rychle pohybovat po svahu. Přetížení nebo vykopávky lidmi často způsobí selhání.
Břidlice na Marsu: Břidlice je také velmi běžná skála na Marsu. Tuto fotografii pořídil stožárový fotoaparát Mars Curiosity Rover. Ukazuje tenké lože štěpných břidlic vyrůstajících v kráteru Gale. Zvědavost vyvrtala díry do skal Gale Crater a identifikovala jílové minerály v řízcích. Obrázek NASA.
Prostředí ukládání břidlic
Hromadění bahna začíná chemickým zvětráváním hornin. Toto zvětrávání rozkládá skály na jílové minerály a další malé částice, které se často stávají součástí místní půdy. Bouřka může umýt malé částečky půdy ze země a do potoků, což by tokům poskytlo „zablácený“ vzhled. Když se proud zpomalí nebo vstoupí do stojaté vody, jako je jezero, bažina nebo oceán, částice bahna se usadí na dně. Je-li nerušený a pohřben, může se tato akumulace bahna změnit na sedimentární horninu známou jako „bahenní kámen“. Takto se tvoří většina břidlic.
Proces tvoření břidlic není omezen na Zemi. Marťanští rovníci našli na Marsu spoustu výchozů se sedimentárními skalními jednotkami, které vypadají stejně jako břidlice na Zemi (viz foto).