Inhalt
- Was ist Schiefer?
- Verwendung von Shale
- Konventionelles Öl und Erdgas
- Unkonventionelles Öl und Erdgas
- Schiefer zur Herstellung von Ton
- Schiefer zur Herstellung von Zement
- Ölschiefer
- Zusammensetzung des Schiefers
- Farben des Schiefers
- Schwarzer und grauer Schiefer
- Roter, brauner und gelber Schiefer
- Grüner Schiefer
- Hydraulische Eigenschaften von Schiefer
- Technische Eigenschaften von Schieferböden
- Expansive Böden
- Hangstabilität
- Umgebungen der Schieferlagerung
Schiefer: Schiefer bricht in dünne Stücke mit scharfen Kanten. Es kommt in einer Vielzahl von Farben vor, darunter Rot, Braun, Grün, Grau und Schwarz. Es ist das am häufigsten vorkommende Sedimentgestein und kommt weltweit in Sedimentbecken vor.
Was ist Schiefer?
Schiefer ist ein feinkörniges Sedimentgestein, das sich aus der Verdichtung von Schlick und tongroßen Mineralpartikeln bildet, die wir gemeinhin als "Schlamm" bezeichnen. Diese Komposition ordnet Schiefer in eine Kategorie von Sedimentgesteinen ein, die als "Schlammsteine" bekannt sind. Schiefer unterscheidet sich von anderen Schlammsteinen dadurch, dass er spaltbar und laminiert ist. "Laminiert" bedeutet, dass das Gestein aus vielen dünnen Schichten besteht. "Spaltbar" bedeutet, dass sich das Gestein entlang der Lamellen leicht in dünne Stücke aufspaltet.
Verwendung von Shale
Einige Schiefer haben spezielle Eigenschaften, die sie zu wichtigen Ressourcen machen. Schwarzschiefer enthalten organisches Material, das manchmal zu Erdgas oder Öl zerfällt. Andere Schiefer können zerkleinert und mit Wasser gemischt werden, um Tone zu erzeugen, die zu einer Vielzahl nützlicher Objekte verarbeitet werden können.
Konventioneller Öl- und Erdgasbehälter: Diese Zeichnung zeigt eine "Antiklinikfalle", die Öl und Erdgas enthält. Die grauen Gesteinsblöcke sind undurchlässiger Schiefer. Öl und Erdgas bilden sich in diesen Schiefereinheiten und wandern dann nach oben. Ein Teil des Öls und Gases wird im gelben Sandstein eingeschlossen und bildet ein Öl- und Gasreservoir. Dies ist ein "herkömmliches" Reservoir - das bedeutet, dass Öl und Gas durch den Porenraum des Sandsteins fließen und aus dem Bohrloch gefördert werden können.
Konventionelles Öl und Erdgas
Schwarzer organischer Schiefer ist das Ausgangsgestein für viele der wichtigsten Erdöl- und Erdgasvorkommen der Welt. Diese Schiefer erhalten ihre schwarze Farbe aus winzigen Partikeln organischer Substanz, die sich mit dem Schlamm ablagerten, aus dem sich der Schiefer bildete. Während der Schlamm in der Erde vergraben und erwärmt wurde, wurde ein Teil des organischen Materials in Öl und Erdgas umgewandelt.
Das Öl und das Erdgas wanderten aufgrund ihrer geringen Dichte aus dem Schiefer nach oben durch die Sedimentmasse. Das Öl und das Gas wurden häufig in den Porenräumen einer darüber liegenden Gesteinseinheit wie Sandstein eingeschlossen (siehe Abbildung). Diese Arten von Öl- und Gasvorkommen sind als "konventionelle Reservoire" bekannt, da die Flüssigkeiten leicht durch die Poren des Gesteins in die Förderbohrung fließen können.
Obwohl durch Bohrungen große Mengen an Öl und Erdgas aus dem Reservoirgestein gewonnen werden können, verbleibt ein Großteil davon im Schiefer. Dieses Öl und Gas ist sehr schwer zu entfernen, da es in winzigen Porenräumen eingeschlossen oder auf Tonmineralpartikeln, aus denen der Schiefer besteht, adsorbiert ist.
Unkonventioneller Öl- und Gasbehälter: Diese Zeichnung zeigt die neuen Technologien, die die Erschließung unkonventioneller Öl- und Erdgasfelder ermöglichen. In diesen Gasfeldern werden Öl und Gas in Schiefern oder einer anderen undurchlässigen Gesteinseinheit gehalten. Um dieses Öl oder Gas zu fördern, werden spezielle Technologien benötigt. Eine davon ist das horizontale Bohren, bei dem ein vertikaler Brunnen in einen horizontalen versetzt wird, so dass er eine lange Strecke des Reservoirgesteins durchdringt. Das zweite ist das hydraulische Brechen. Bei dieser Technik wird ein Teil des Brunnens abgedichtet und Wasser eingepumpt, um einen Druck zu erzeugen, der hoch genug ist, um das umgebende Gestein zu brechen. Das Ergebnis ist ein hochgebrochenes Reservoir, in das ein langes Bohrloch eindringt.
Unkonventionelles Öl und Erdgas
In den späten 1990er Jahren entwickelten Erdgasbohrunternehmen neue Methoden zur Freisetzung von Öl und Erdgas, die in den winzigen Porenräumen des Schiefers eingeschlossen sind. Diese Entdeckung war bedeutsam, weil sie einige der größten Erdgasvorkommen der Welt erschlossen hat.
Das Barnett Shale of Texas war das erste große Erdgasfeld, das in einem Schieferreservoir-Gestein entwickelt wurde. Die Gewinnung von Gas aus dem Barnett Shale war eine Herausforderung. Die Porenräume im Schiefer sind so klein, dass das Gas Schwierigkeiten hat, sich durch den Schiefer und in den Brunnen zu bewegen. Bohrer entdeckten, dass sie die Durchlässigkeit des Schiefers erhöhen konnten, indem sie Wasser unter einem Druck, der hoch genug war, um den Schiefer zu brechen, in den Brunnen pumpten. Diese Brüche setzten einen Teil des Gases aus den Porenräumen frei und ließen es zum Bohrloch fließen. Diese Technik ist als "Hydraulic Fracturing" oder "Hydrofracing" bekannt.
Die Bohrer lernten auch, wie man bis zur Höhe des Schiefers bohrt und den Brunnen um 90 Grad dreht, um horizontal durch die Schieferfelseneinheit zu bohren. Dadurch entstand ein Brunnen mit einer sehr langen "Pay Zone" durch das Reservoirgestein (siehe Abbildung). Diese Methode ist als "horizontales Bohren" bekannt.
Das Horizontalbohren und das Hydrofracking revolutionierten die Bohrtechnik und ebneten den Weg für die Erschließung mehrerer riesiger Erdgasfelder. Dazu gehören der Marcellus-Schiefer in den Appalachen, der Haynesville-Schiefer in Louisiana und der Fayetteville-Schiefer in Arkansas. Diese riesigen Schieferreservoire enthalten genug Erdgas, um den gesamten Bedarf der Vereinigten Staaten für mindestens zwanzig Jahre zu decken.
Schiefer in Ziegeln und Fliesen: Schiefer wird als Rohstoff für die Herstellung vieler Arten von Ziegeln, Fliesen, Rohren, Töpferwaren und anderen hergestellten Produkten verwendet. Ziegel und Ziegel gehören zu den am häufigsten verwendeten und begehrtesten Materialien für den Bau von Häusern, Wänden, Straßen und Gewerbebauten. Bildcopyright iStockphoto / Guy Elliott.
Schiefer zur Herstellung von Ton
Jeder hat Kontakt zu Produkten aus Schiefer. Wenn Sie in einem Ziegelhaus wohnen, auf einer gemauerten Straße fahren, in einem Haus mit Ziegeldach wohnen oder Pflanzen in "Terrakotta" -Töpfen halten, haben Sie täglich Kontakt mit Gegenständen, die wahrscheinlich aus Schiefer hergestellt wurden.
Vor vielen Jahren wurden dieselben Gegenstände aus natürlichem Ton hergestellt. Bei starker Beanspruchung wurden jedoch die meisten kleinen Tonvorkommen aufgebraucht. Hersteller, die eine neue Rohstoffquelle benötigten, stellten bald fest, dass das Mischen von fein gemahlenem Schiefer mit Wasser zu einem Ton führen würde, der oft ähnliche oder überlegene Eigenschaften hatte. Heutzutage wurden die meisten Stücke, die einst aus natürlichem Ton hergestellt wurden, durch fast identische Stücke aus Ton ersetzt, die durch Mischen von fein gemahlenem Schiefer mit Wasser hergestellt wurden.
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Schiefer zur Herstellung von Zement
Zement ist ein weiteres weit verbreitetes Material, das häufig aus Schiefer hergestellt wird. Bei der Herstellung von Zement werden zerkleinerter Kalkstein und Schiefer auf eine Temperatur erhitzt, die hoch genug ist, um das gesamte Wasser zu verdampfen und den Kalkstein in Kalziumoxid und Kohlendioxid zu zerlegen. Das Kohlendioxid geht als Emission verloren, aber das Calciumoxid bildet zusammen mit dem erhitzten Schiefer ein Pulver, das aushärtet, wenn es mit Wasser gemischt und getrocknet wird. Aus Zement werden Beton und viele andere Produkte für die Bauindustrie hergestellt.
Ölschiefer: Ein Gestein, das eine erhebliche Menge an organischem Material in Form von festem Kerogen enthält. Bis zu 1/3 des Gesteins kann festes organisches Material sein. Dieses Exemplar hat einen Durchmesser von ungefähr zehn Zentimetern.
Ölschiefer
Ölschiefer ist ein Gestein, das erhebliche Mengen an organischem Material in Form von Kerogen enthält. Bis zu 1/3 des Gesteins kann festes Kerogen sein. Flüssige und gasförmige Kohlenwasserstoffe können aus Ölschiefer gewonnen werden, das Gestein muss jedoch erhitzt und / oder mit Lösungsmitteln behandelt werden. Dies ist in der Regel weniger effizient als das Bohren von Gesteinen, die Öl oder Gas direkt in einen Brunnen fördern. Die Gewinnung der Kohlenwasserstoffe aus Ölschiefer erzeugt Emissionen und Abfallprodukte, die erhebliche Umweltbedenken hervorrufen. Dies ist einer der Gründe, warum die umfangreichen Ölschiefervorkommen der Welt nicht aggressiv genutzt wurden.
Ölschiefer entspricht normalerweise der Definition von "Schiefer", da es sich um "ein laminiertes Gestein handelt, das zu mindestens 67% aus Tonmineralien besteht". Es enthält jedoch manchmal genug organisches Material und Carbonatmineralien, so dass Tonmineralien weniger als 67% des Gesteins ausmachen.
Schieferkernproben: Wenn Schiefer für die Bewertung von Öl, Erdgas oder Mineralressourcen gebohrt wird, wird häufig ein Kern aus dem Bohrloch gewonnen. Das Gestein im Kern kann dann getestet werden, um zu erfahren, welches Potenzial es besitzt und wie die Ressource am besten entwickelt werden kann.
Zusammensetzung des Schiefers
Schiefer ist ein Gestein, das hauptsächlich aus lehmgroßen Mineralkörnern besteht. Diese winzigen Körner sind normalerweise Tonmineralien wie Illit, Kaolinit und Smektit. Schiefer enthält normalerweise andere tongroße Mineralpartikel wie Quarz, Chert und Feldspat. Andere Bestandteile können organische Partikel, Carbonatmineralien, Eisenoxidmineralien, Sulfidmineralien und schwere Mineralkörner einschließen. Diese "anderen Bestandteile" im Gestein werden oft von der Ablagerungsumgebung der Schiefer bestimmt und bestimmen oft die Farbe des Gesteins.
Schwarzer Schiefer: Bio-reicher Schwarzschiefer. Erdgas und Öl sind manchmal in den winzigen Porenräumen dieser Art von Schiefer eingeschlossen.
Farben des Schiefers
Wie die meisten Gesteine wird die Farbe des Schiefers häufig durch das Vorhandensein bestimmter Materialien in geringen Mengen bestimmt. Bereits wenige Prozent organischer Materialien oder Eisen können die Farbe eines Gesteins erheblich verändern.
Schiefergas spielt: Seit Ende der neunziger Jahre wurden Dutzende von bisher unproduktiven schwarzen Bio-Schiefern erfolgreich zu wertvollen Gasfeldern ausgebaut. Siehe Artikel: "Was ist Schiefergas?"
Schwarzer und grauer Schiefer
Eine schwarze Farbe in Sedimentgesteinen weist fast immer auf organische Stoffe hin. Nur ein oder zwei Prozent organischer Materialien können dem Gestein eine dunkelgraue oder schwarze Farbe verleihen. Darüber hinaus impliziert diese schwarze Farbe fast immer, dass sich der Schiefer aus Sedimenten gebildet hat, die sich in einer sauerstoffarmen Umgebung abgelagert haben. Jeglicher Sauerstoff, der in die Umgebung gelangte, reagierte schnell mit den verfallenden organischen Ablagerungen. Wenn eine große Menge Sauerstoff vorhanden wäre, wären alle organischen Ablagerungen zerfallen. Eine sauerstoffarme Umgebung bietet auch die geeigneten Bedingungen für die Bildung von Sulfidmineralien wie Pyrit, einem weiteren wichtigen Mineral, das in den meisten Schwarzschiefern vorkommt.
Das Vorhandensein von organischen Abfällen in schwarzen Schiefern macht sie zu Kandidaten für die Erzeugung von Öl und Gas. Wenn das organische Material nach dem Vergraben konserviert und ordnungsgemäß erhitzt wird, können Öl und Erdgas erzeugt werden. Der Barnett-Schiefer, der Marcellus-Schiefer, der Haynesville-Schiefer, der Fayetteville-Schiefer und andere gasproduzierende Gesteine sind alle dunkelgraue oder schwarze Schiefer, die Erdgas fördern. Der Bakken-Schiefer von North Dakota und der Eagle Ford-Schiefer von Texas sind Beispiele für Schiefer, die Öl liefern.
Grauschiefer enthalten manchmal eine kleine Menge organischer Substanz. Grauschiefer können jedoch auch Gesteine sein, die kalkhaltige Materialien oder einfach Tonmineralien enthalten, die eine graue Farbe ergeben.
Utica und Marcellus Shale: Es wird angenommen, dass zwei schwarze Bio-Schiefer im Appalachen-Becken genug Erdgas enthalten, um die Vereinigten Staaten für mehrere Jahre zu versorgen. Dies sind der Marcellus Shale und der Utica Shale.
Roter, brauner und gelber Schiefer
In sauerstoffreichen Umgebungen abgelagerte Schiefer enthalten häufig winzige Partikel von Eisenoxid- oder Eisenhydroxidmineralien wie Hämatit, Goethit oder Limonit. Nur wenige Prozent dieser Mineralien, die im Gestein verteilt sind, können die roten, braunen oder gelben Farben vieler Arten von Schiefer hervorbringen. Das Vorhandensein von Hämatit kann einen roten Schiefer erzeugen. Das Vorhandensein von Limonit oder Goethit kann einen gelben oder braunen Schiefer erzeugen.
Grüner Schiefer
Grünschiefer werden gelegentlich gefunden. Dies sollte nicht überraschen, da einige der Tonmineralien und Glimmer, die einen Großteil des Volumens dieser Gesteine ausmachen, typischerweise eine grünliche Farbe haben.
Erdgasschiefer gut: In weniger als zehn Jahren ist der Schiefer im Energiesektor in die Höhe geschossen. Neue Bohr- und Bohrlochentwicklungsmethoden wie hydraulisches Brechen und horizontales Bohren können das in der dichten Matrix organischer Schiefer eingeschlossene Öl und Erdgas erschließen. Bildcopyright iStockphoto / Edward Todd.
Hydraulische Eigenschaften von Schiefer
Hydraulische Eigenschaften sind Eigenschaften eines Gesteins wie Durchlässigkeit und Porosität, die seine Fähigkeit widerspiegeln, Flüssigkeiten wie Wasser, Öl oder Erdgas zu halten und zu übertragen.
Schiefer hat eine sehr kleine Partikelgröße, daher sind die Zwischenräume sehr klein. Tatsächlich sind sie so klein, dass Öl, Erdgas und Wasser Schwierigkeiten haben, sich durch den Fels zu bewegen.Schiefer kann daher als Deckgestein für Erdöl- und Erdgasfallen dienen, und er ist auch ein Aquiklud, das den Fluss des Grundwassers blockiert oder begrenzt.
Obwohl die Zwischenräume in einem Schiefer sehr klein sind, können sie ein erhebliches Volumen des Gesteins einnehmen. Dadurch kann der Schiefer erhebliche Mengen an Wasser, Gas oder Öl aufnehmen, diese aber aufgrund der geringen Permeabilität nicht effektiv übertragen. Die Öl- und Gasindustrie überwindet diese Einschränkungen des Schiefers, indem sie horizontale Bohrungen und hydraulisches Brechen anwendet, um künstliche Porosität und Permeabilität im Gestein zu erzeugen.
Einige der im Schiefer vorkommenden Tonmineralien können große Mengen an Wasser, Erdgas, Ionen oder anderen Substanzen absorbieren oder adsorbieren. Diese Eigenschaft von Schiefer kann es ihm ermöglichen, Flüssigkeiten oder Ionen selektiv und zäh zu halten oder frei freizusetzen.
Expansive Bodenkarte: Der United States Geological Survey hat eine verallgemeinerte Karte der expansiven Böden für die unteren 48 Bundesstaaten erstellt.
Technische Eigenschaften von Schieferböden
Schiefer und die daraus abgeleiteten Böden gehören zu den störendsten Materialien, auf denen gebaut werden muss. Sie unterliegen Volumen- und Kompetenzänderungen, die sie in der Regel zu unzuverlässigen Konstruktionsuntergründen machen.
Erdrutsch: Shale ist ein erdrutschgefährdeter Fels.
Expansive Böden
Die Tonmineralien in einigen von Schiefer abgeleiteten Böden können große Mengen Wasser aufnehmen und abgeben. Diese Änderung des Feuchtigkeitsgehalts geht gewöhnlich mit einer Änderung des Volumens einher, die mehrere Prozent betragen kann. Diese Materialien werden "expansive Böden" genannt. Wenn diese Böden nass werden, quellen sie auf und wenn sie austrocknen, schrumpfen sie. Gebäude, Straßen, Versorgungsleitungen oder andere Strukturen, die auf oder in diesen Materialien platziert sind, können durch die Kräfte und Bewegungen der Volumenänderung geschwächt oder beschädigt werden. Ausgedehnte Böden sind eine der häufigsten Ursachen für Gründungsschäden an Gebäuden in den Vereinigten Staaten.
Schieferdelta: Ein Delta ist eine Sedimentablagerung, die sich bildet, wenn ein Strom in ein stehendes Gewässer eintritt. Die Wassergeschwindigkeit des Stroms nimmt plötzlich ab und die beförderten Sedimente setzen sich am Boden ab. In Deltas lagert sich das größte Erdschlammvolumen ab. Das obige Bild ist eine Satellitenansicht des Mississippi-Deltas und zeigt dessen Vertriebskanäle und verteilungsübergreifende Ablagerungen. Das hellblaue Wasser, das das Delta umgibt, ist mit Sedimenten beladen.
Hangstabilität
Schiefer ist das Gestein, das am häufigsten mit Erdrutschen in Verbindung gebracht wird. Durch die Verwitterung wird der Schiefer in einen tonreichen Boden verwandelt, der normalerweise eine sehr geringe Scherfestigkeit aufweist - insbesondere im feuchten Zustand. Wenn diese Materialien mit geringer Festigkeit nass sind und sich an einem steilen Hang befinden, können sie sich langsam oder schnell bergab bewegen. Überladung oder Ausgrabung durch Menschen lösen häufig einen Ausfall aus.
Schiefer auf dem Mars: Schiefer ist auch ein sehr verbreiteter Fels auf dem Mars. Dieses Foto wurde mit der Mastkamera des Mars Curiosity Rover aufgenommen. Es zeigt dünn eingebettete spaltbare Schiefer im Gale Crater. Neugier bohrte Löcher in die Felsen des Gale Crater und identifizierte Tonmineralien in den Stecklingen. NASA-Bild.
Umgebungen der Schieferlagerung
Eine Ansammlung von Schlamm beginnt mit der chemischen Verwitterung von Gesteinen. Diese Verwitterung zersetzt die Gesteine in Tonmineralien und andere kleine Partikel, die häufig Teil des lokalen Bodens werden. Ein Regensturm könnte winzige Bodenpartikel aus dem Land in Bäche spülen und den Bächen ein "schlammiges" Aussehen verleihen. Wenn der Strom langsamer wird oder in ein stehendes Gewässer wie einen See, einen Sumpf oder einen Ozean eintritt, setzen sich die Schlammpartikel auf dem Boden ab. Wenn diese Ansammlung von Schlamm ungestört und begraben ist, kann sie in ein Sedimentgestein umgewandelt werden, das als "Schlammstein" bekannt ist. So entstehen die meisten Schiefer.
Der Prozess der Schieferbildung ist nicht auf die Erde beschränkt. Die Marsrover haben auf dem Mars viele Aufschlüsse mit Sedimentgesteinseinheiten gefunden, die genau wie die auf der Erde gefundenen Schiefer aussehen (siehe Foto).