Skifer: Sedimentær bergart - bilder, definisjon og mer

Innhold

• Hva er skifer?
• Bruk av skifer
• Konvensjonell olje og naturgass
• Ukonvensjonell olje og naturgass
• Skifer brukes til å produsere leire
• Skifer brukes til å produsere sement
• Oljeskifer
• Sammensetning av skiferen
• Farger av skifer
• Svart og grå skifer
• Rød, brun og gul skifer
• Grønn skifer
• Hydrauliske egenskaper til skifer
• Tekniske egenskaper til skiferjord
• Ekspansive jordsmonn
• Hellingstabilitet
• Miljøer av skiferdeponering

Shale: Skifer brytes i tynne biter med skarpe kanter. Det forekommer i et bredt spekter av farger som inkluderer rød, brun, grønn, grå og svart. Det er den vanligste sedimentære bergarten og finnes i sedimentære bassenger over hele verden.

Hva er skifer?

Skifer er en finkornet sedimentær bergart som dannes fra komprimeringen av silt- og leirestore mineralpartikler som vi ofte kaller "gjørme." Denne sammensetningen plasserer skifer i en kategori av sedimentære bergarter kjent som "gjørmsteiner." Skifer skiller seg fra andre gjørmsteiner fordi den er spaltelig og laminert. "Laminert" betyr at berget består av mange tynne lag. "Fissile" betyr at berget lett splitter seg i tynne biter langs lamineringene.

Bruk av skifer

Noen skifer har spesielle egenskaper som gjør dem til viktige ressurser. Svartskifer inneholder organisk materiale som noen ganger brytes sammen for å danne naturgass eller olje. Andre skifer kan knuses og blandes med vann for å produsere leire som kan gjøres til en rekke nyttige gjenstander.

Konvensjonelt olje- og naturgassbeholder: Denne tegningen illustrerer en "antiklinal felle" som inneholder olje og naturgass. De grå bergsenhetene er ugjennomtrengelig skifer. Det dannes olje og naturgass i disse skiferenhetene og vandrer deretter oppover. Noe av oljen og gassen blir fanget i den gule sandsteinen for å danne et olje- og gassreservoar. Dette er et "konvensjonelt" reservoar - noe som betyr at oljen og gassen kan strømme gjennom porerommet til sandsteinen og produseres fra brønnen.

Konvensjonell olje og naturgass

Svart organisk skifer er kildestenen for mange av verdens viktigste olje- og naturgassforekomster. Disse skifrene får sin svarte farge fra bittesmå partikler av organisk materiale som ble avsatt i gjørmen som skiferen dannet seg fra. Da gjørmen ble begravet og varmet på jorden, ble noe av det organiske materialet omdannet til olje og naturgass.

Oljen og naturgassen migrerte ut av skiferen og oppover gjennom sedimentmassen på grunn av deres lave tetthet. Oljen og gassen ble ofte fanget i porerommene til en overliggende bergensenhet som en sandstein (se illustrasjon). Disse typene olje- og gassavsetninger er kjent som "konvensjonelle reservoarer" fordi væskene lett kan strømme gjennom porene i fjellet og inn i ekstraksjonsbrønnen.

Selv om boring kan trekke ut store mengder olje og naturgass fra reservoarberget, forblir mye av det fanget i skiferen. Denne oljen og gassen er veldig vanskelig å fjerne fordi den er fanget i små porerom eller adsorbert på leirmineralpartikler som utgjør skiferen.

Ukonvensjonelt olje- og gassbeholder: Denne tegningen illustrerer de nye teknologiene som muliggjør utvikling av ukonvensjonelle olje- og naturgassfelt. I disse gassfeltene holdes oljen og gassen i skifer eller en annen steinhet som er ugjennomtrengelig. For å produsere den oljen eller gassen, er det nødvendig med spesielle teknologier. Den ene er horisontalboring, der en vertikal brønn er avviket til horisontal slik at den vil trenge gjennom en lang avstand fra reservoarbergart. Det andre er hydraulisk brudd. Med denne teknikken blir en del av brønnen forseglet og vann pumpet inn for å produsere et trykk som er høyt nok til å sprekke den omkringliggende bergarten. Resultatet er et sterkt sprukket reservoar som er penetrert av en lang lengde med brønnboring.

Ukonvensjonell olje og naturgass

På slutten av 1990-tallet utviklet boreselskaper for naturgass nye metoder for å frigjøre olje og naturgass som er fanget i de små porene i skiferen. Denne oppdagelsen var betydelig fordi den låste opp noen av de største naturgassforekomstene i verden.

Barnett-skiferen i Texas var det første store naturgassfeltet som ble utviklet i et skiferreservoarberg. Det var en utfordring å produsere bensin fra Barnett-skiferen. Porerommene i skiferen er så små at gassen har vanskeligheter med å bevege seg gjennom skiferen og inn i brønnen. Drillere oppdaget at de kunne øke permisjonen til skiferen ved å pumpe vann ned i brønnen under trykk som var høyt nok til å sprekke skiferen. Disse bruddene frigjorde noe av gassen fra porerommene og lot gassen strømme til brønnen. Denne teknikken er kjent som "hydraulisk brudd" eller "hydrofracing."

Drillere lærte også hvordan man borer ned til nivået på skiferen og vri brønnen 90 grader for å bore horisontalt gjennom skiferbergsenheten. Dette produserte en brønn med en veldig lang "lønnssone" gjennom reservoarbergarten (se illustrasjon). Denne metoden er kjent som "horisontalboring."

Horisontalboring og hydraulisk brudd revolusjonerte boreteknologien og banet vei for å utvikle flere gigantiske naturgassfelt. Disse inkluderer Marcellus Shale i Appalachians, Haynesville Shale i Louisiana og Fayetteville Shale i Arkansas. Disse enorme skiferreservoarene har nok naturgass til å betjene alle USAs behov i tjue år eller mer.

Skifer i tegl og fliser: Skifer brukes som råstoff for å lage mange typer murstein, fliser, rør, keramikk og andre produserte produkter. Murstein og fliser er noen av de mest brukte og svært ønskede materialene for å bygge hjem, vegger, gater og kommersielle strukturer. Image copyright iStockphoto / Guy Elliott.

Skifer brukes til å produsere leire

Alle har kontakt med produkter laget av skifer. Hvis du bor i et murhus, kjører på en murvei, bor i et hus med flistak eller holder planter i "terra cotta" potter, har du daglig kontakt med gjenstander som sannsynligvis var laget av skifer.

For mange år siden ble de samme varene laget av naturlig leire. Imidlertid uttømmet tung bruk det meste av de små leiravsetningene. Trenger en ny kilde til råvarer, oppdaget produsenter snart at å blande finmalt skifer med vann ville produsere en leire som ofte hadde lignende eller overlegne egenskaper. I dag er de fleste gjenstander som en gang ble produsert av naturlig leire, erstattet av nesten identiske gjenstander laget av leire produsert ved å blande finmalt skifer med vann.

Rock & Mineral Kits: Få et stein-, mineral- eller fossilsett for å lære mer om jordmaterialer. Den beste måten å lære om bergarter er å ha eksemplarer tilgjengelig for testing og undersøkelse.

Skifer brukes til å produsere sement

Sement er et annet vanlig materiale som ofte lages med skifer. For å lage sement varmes knust kalkstein og skifer til en temperatur som er høy nok til å fordampe av alt vann og bryte ned kalksteinen til kalsiumoksyd og karbondioksid. Karbondioksid går tapt som en utslipp, men kalsiumoksydet kombinert med den oppvarmede skiferen lager et pulver som vil herde hvis det blandes med vann og får tørke. Sement brukes til å lage betong og mange andre produkter for byggebransjen.

Oljeskifer: En bergart som inneholder en betydelig mengde organisk materiale i form av fast kerogen. Opptil 1/3 av berget kan være solid organisk materiale. Dette eksemplet er omtrent ti centimeter tvers over.

Oljeskifer

Oljeskifer er en stein som inneholder betydelige mengder organisk materiale i form av kerogen. Opptil 1/3 av berget kan være solid kerogen. Flytende og gassformige hydrokarboner kan ekstraheres fra oljeskifer, men berget må varmes opp og / eller behandles med løsemidler. Dette er vanligvis mye mindre effektivt enn å bore bergarter som vil gi olje eller gass direkte i en brønn. Utvinning av hydrokarboner fra oljeskifer produserer utslipp og avfallsprodukter som medfører betydelig miljøhensyn. Dette er en av grunnene til at verdens omfattende oljeskiferforekomster ikke har blitt brukt aggressivt.

Oljeskifer oppfyller vanligvis definisjonen av "skifer" ved at det er "en laminert stein som består av minst 67% leirmineraler." Imidlertid inneholder det noen ganger nok organisk materiale og karbonatmineraler som leirmineraler utgjør under 67% av berget.

Skiferkjerneprøver: Når det er boret skifere for evaluering av olje, naturgass eller mineralressurser, gjenvinnes ofte en kjerne fra brønnen. Bergarten i kjernen kan deretter testes for å lære om potensialet og hvordan ressursen kan utvikles best.

Sammensetning av skiferen

Skifer er en bergart som hovedsakelig består av leirstørrelse mineralskorn. Disse bittesmå kornene er vanligvis leirmineraler som illitt, kaolinitt og smektitt. Skifer inneholder vanligvis andre mineralpartikler av leire, for eksempel kvarts, chert og feltspat. Andre bestanddeler kan omfatte organiske partikler, karbonatmineraler, jernoksydmineraler, sulfidmineraler og tunge mineralkorn. Disse "andre bestanddelene" i berget bestemmes ofte av skifermiljøet til avsetting, og de bestemmer ofte fargen på bergarten.

Svart skifer: Organisk rik svartskifer. Naturgass og olje er noen ganger fanget i de små poreområdene i denne skifertypen.

Farger av skifer

Som de fleste bergarter bestemmes ofte skiferfargen av tilstedeværelsen av spesifikke materialer i mindre mengder. Bare noen få prosent av organiske materialer eller jern kan endre fargen på en stein betydelig.

Skifergass spiller: Siden slutten av 1990-tallet har dusinvis av tidligere uproduktive svarte organiske skifer blitt vellykket utviklet til verdifulle gassfelt. Se artikkelen: "Hva er skifergass?"

Svart og grå skifer

En svart farge i sedimentære bergarter indikerer nesten alltid tilstedeværelsen av organiske materialer. Bare en eller to prosent organiske materialer kan gi en mørkegrå eller svart farge til berget. I tillegg innebærer denne svarte fargen nesten alltid at skiferen dannet av sediment avsatt i et oksygenmangel miljø. Alt oksygen som kom inn i omgivelsene, reagerte raskt med det råtnende organiske rusk. Hvis en stor mengde oksygen var til stede, ville det organiske avfallet ha forfalt. Et oksygenfattig miljø gir også de rette forholdene for dannelse av sulfidmineraler som pyritt, et annet viktig mineral som finnes i de fleste svartskifer.

Tilstedeværelsen av organisk rusk i svartskifer gjør dem til kandidatene for olje- og gassproduksjon. Hvis det organiske materialet blir bevart og oppvarmet riktig etter begravelse, kan det produseres olje og naturgass. Barnett Shale, Marcellus Shale, Haynesville Shale, Fayetteville Shale og andre gassproduserende bergarter er alle mørkegrå eller svarte skifer som gir naturgass. Bakken Shale i Nord-Dakota og Eagle Ford Shale fra Texas er eksempler på skifer som gir olje.

Gråskifer inneholder noen ganger en liten mengde organisk materiale. Gråskifer kan imidlertid også være bergarter som inneholder kalkholdige materialer eller ganske enkelt leirmineraler som resulterer i en grå farge.

Utica og Marcellus Shale: To sorte organiske skifer i Appalachian Basin antas å inneholde nok naturgass til å forsyne USA i flere år. Dette er Marcellus-skiferen og Utica-skiferen.

Rød, brun og gul skifer

Skifer som er avsatt i oksygenrike miljøer, inneholder ofte bittesmå partikler av jernoksyd eller jernhydroksydmineraler som hematitt, goetitt eller limonitt. Bare noen få prosent av disse mineralene distribuert gjennom fjellet kan produsere de røde, brune eller gule fargene som vises av mange typer skifer. Tilstedeværelsen av hematitt kan gi en rød skifer. Tilstedeværelsen av limonitt eller goethite kan gi en gul eller brun skifer.

Grønn skifer

Grønne skifer finnes noen ganger. Dette burde ikke være overraskende fordi noen av leirmineraler og mikas som utgjør mye av volumet av disse bergartene, er typisk en grønnaktig farge.

Naturgass skiferbrønn: På mindre enn ti år har skiferen skyrocketet seg frem til energisektoren. Nye bore- og brønnutviklingsmetoder som hydraulisk brudd og horisontal boring kan tappe oljen og naturgassen fanget i den tette matrisen til organiske skifer. Image copyright iStockphoto / Edward Todd.

Hydrauliske egenskaper til skifer

Hydrauliske egenskaper er kjennetegn ved en stein som permeabilitet og porøsitet som gjenspeiler dens evne til å holde og overføre væsker som vann, olje eller naturgass.

Skifer har en veldig liten partikkelstørrelse, så mellomromene er veldig små. De er faktisk så små at olje, naturgass og vann har problemer med å bevege seg gjennom fjellet.Skifer kan derfor tjene som en stein for olje- og naturgassfeller, og det er også et havbruk som blokkerer eller begrenser strømmen av grunnvann.

Selv om mellomrommene i en skifer er veldig små, kan de ta opp et betydelig volum av berget. Dette gjør at skiferen holder store mengder vann, gass eller olje, men ikke effektivt kan overføre dem på grunn av den lave permeabiliteten. Olje- og gassindustrien overvinner disse begrensningene av skifer ved å bruke horisontalboring og hydraulisk brudd for å skape kunstig porøsitet og permeabilitet i fjellet.

Noen av leirmineralene som forekommer i skifer, har evnen til å absorbere eller adsorbere store mengder vann, naturgass, ioner eller andre stoffer. Denne egenskapen til skifer kan gjøre det mulig for selektivt og iherdig å holde eller frigjøre væsker eller ioner.

Ekspansivt jordkart: USAs geologiske undersøkelse har utarbeidet et generalisert ekspansivt jordkart for de nedre 48 delstatene.

Tekniske egenskaper til skiferjord

Skifer og jordsmonn fra disse er noen av de mest plagsomme materialene å bygge på. De er gjenstand for endringer i volum og kompetanse som generelt gjør dem upålitelige konstruksjonsunderlag.

Jordskred: Skifer er en skredutsatt berg.

Ekspansive jordsmonn

Leirmineraler i noen skiferavledede jordarter har evnen til å absorbere og frigjøre store mengder vann. Denne endringen i fuktighetsinnholdet er vanligvis ledsaget av en volumendring som kan være så mye som flere prosent. Disse materialene kalles "ekspansive jordarter." Når disse jordsmonnene blir våte, svulmer de opp, og når de tørker ut, krymper de. Bygninger, veier, brukslinjer eller andre strukturer plassert på eller innenfor disse materialene kan bli svekket eller skadet av kreftene og bevegelsen til volumendring. Ekspansive jordsmonn er en av de vanligste årsakene til grunnskader på bygninger i USA.

Skifer delta: Et delta er et sedimentforekomst som dannes når en bekk kommer inn i en stående vannmasse. Vannhastigheten til bekken synker plutselig og sedimentene som blir ført legger seg til bunnen. Deltas er der det største volumet av jordens gjørme blir avsatt. Bildet over er et satellittbilde av Mississippi-deltaet, som viser distribusjonskanalene og mellomfordelingsforekomstene. Det knallblå vannet som omgir deltaet er lastet med sediment.

Hellingstabilitet

Skifer er berget som oftest er assosiert med skred. Forvitring forvandler skiferen til en leirrik jord som normalt har en veldig lav skjærfasthet - spesielt når den er våt. Når disse lavstyrke-materialene er våte og i en bratt skråning, kan de sakte eller raskt bevege seg nedover skråningen. Overbelastning eller utgraving av mennesker vil ofte utløse svikt.

Skifer på Mars: Skifer er også en veldig vanlig stein på Mars. Dette bildet er tatt av mastekameraet til Mars Curiosity Rover. Den viser tynt sengete spalteskifer som overskrider i Gale-krateret. Nysgjerrigheten boret hull inn i bergene i Gale Crater og identifiserte leirmineraler i stiklingen. NASA-bilde.

Miljøer av skiferdeponering

En ansamling av gjørme begynner med kjemisk forvitring av bergarter. Denne forvitringen bryter steinene ned i leirmineraler og andre små partikler som ofte blir en del av den lokale jorda. En regnstorm kan vaske bittesmå partikler av jord fra landet og i bekker, noe som gir bekkene et "gjørmete" utseende. Når strømmen bremser ned eller kommer inn i en stående vannmasse som en innsjø, sump eller hav, legger søppelpartiklene seg til bunns. Hvis uforstyrret og begravet, kan denne ansamlingen av gjørme bli forvandlet til en sedimentær bergart kjent som "gjørme." Slik dannes de fleste skifrene.

Skiferdannende prosess er ikke begrenset til Jorden. Mars-roverne har funnet mange utmark på Mars med sedimentære bergenheter som ser ut akkurat som skifrene som finnes på jorden (se bilde).