コンテンツ
- 頁岩とは？
- 頁岩の使用
- 従来の石油と天然ガス
- 型破りな石油と天然ガス
- 粘土の生産に使用される頁岩
- セメントの生産に使用される頁岩
- オイルシェール
- 頁岩の組成
- 頁岩の色
- 黒と灰色の頁岩
- 赤、茶色、黄色の頁岩
- グリーンシェール
- 頁岩の水理特性
- 頁岩土壌の工学的性質
- 広大な土壌
- 斜面安定性
- 頁岩堆積の環境
頁岩： 頁岩は、鋭いエッジを持つ薄い破片に砕けます。これは、赤、茶色、緑、灰色、および黒を含む広範囲の色で発生します。最も一般的な堆積岩であり、世界中の堆積盆地で見られます。
頁岩とは？
頁岩は、一般に「泥」と呼ばれるシルトと粘土サイズの鉱物粒子の圧縮から形成される、細粒の堆積岩です。この組成物は、「泥岩」として知られる堆積岩のカテゴリーに頁岩を配置します。頁岩は他の泥岩と区別されます。 「積層」とは、岩が多くの薄い層で構成されていることを意味します。 「核分裂性」とは、岩が層状構造に沿って容易に薄い破片に分裂することを意味します。
頁岩の使用
一部の頁岩には、重要なリソースとなる特別な特性があります。黒い頁岩には有機物質が含まれており、有機物質は時々分解して天然ガスまたはオイルを形成します。他の頁岩を粉砕して水と混ぜると、さまざまな有用な物体にできる粘土を作ることができます。
従来の石油および天然ガス貯留層： この図は、オイルと天然ガスを含む「アンチクリナルトラップ」を示しています。灰色の岩石ユニットは不浸透性の頁岩です。これらのシェールユニット内で石油と天然ガスが形成され、上方に移動します。石油とガスの一部は黄色の砂岩に閉じ込められ、石油とガスの貯留層を形成します。これは「従来の」貯水池です。つまり、石油とガスが砂岩の孔隙を通り抜けて井戸から生産されることを意味します。
従来の石油と天然ガス
黒い有機質頁岩は、世界で最も重要な石油および天然ガス鉱床の多くの根源岩です。これらの頁岩は、頁岩が形成された泥に堆積した有機物の小さな粒子から黒色を取得します。泥が地中に埋められて暖まると、有機物質の一部が石油と天然ガスに変換されました。
オイルと天然ガスは、密度が低いため、頁岩から堆積物全体を上方に移動しました。オイルとガスは、砂岩のような上にある岩石ユニットの孔隙に閉じ込められることがよくありました（図を参照）。これらのタイプの油とガスの堆積物は、流体が岩石の孔を通過して抽出井に容易に流れることができるため、「従来の貯留層」として知られています。
掘削により貯留岩から大量の石油と天然ガスを抽出できますが、その多くは頁岩内に閉じ込められたままです。この油とガスは、小さな細孔空間に閉じ込められているか、頁岩を構成する粘土鉱物粒子に吸着されているため、除去するのが非常に困難です。
型破りな石油およびガス貯留層： この図は、非在来型の油田および天然ガス田の開発を可能にする新しい技術を示しています。これらのガス田では、オイルとガスは、不浸透性の頁岩または別の岩盤に保持されています。その石油やガスを生産するには、特別な技術が必要です。 1つは水平掘削です。この掘削では、垂直の井戸を水平にずらして、貯留岩の長距離を貫通します。 2つ目は水圧破砕です。この技術では、井戸の一部が密閉され、水が汲み上げられて周囲の岩石を破壊するのに十分な圧力が発生します。その結果、非常に破砕された貯留層が、長い長さの坑井によって貫通されます。
型破りな石油と天然ガス
1990年代後半、天然ガス掘削会社は、頁岩の小さな孔隙内に閉じ込められた石油と天然ガスを解放する新しい方法を開発しました。この発見は、世界最大の天然ガス鉱床のいくつかのロックを解除したため、重要でした。
テキサス州のバーネット頁岩は、頁岩貯留岩で開発された最初の主要な天然ガス田でした。バーネット頁岩からのガスの生産は挑戦でした。シェールの細孔空間は非常に小さいため、ガスはシェールを通過して井戸に移動するのが困難です。掘削業者は、頁岩を破砕するのに十分高い圧力下で井戸に水を汲み上げることにより、頁岩の透過性を高めることができることを発見しました。これらの割れ目は、細孔空間からガスの一部を解放し、そのガスがウェルに流れることを可能にしました。この手法は、「油圧破砕」または「ハイドロフラッシング」として知られています。
掘削者はまた、頁岩のレベルまで掘り下げ、井戸を90度回転させて頁岩ユニットを水平に掘削する方法を学びました。これにより、貯水池の岩を貫通する非常に長い「有料ゾーン」のある井戸ができました（図を参照）。この方法は「水平掘削」として知られています。
水平掘削と水圧破砕は、掘削技術に革命をもたらし、いくつかの巨大な天然ガス田の開発への道を開きました。これらには、アパラチア山脈のマルセラス頁岩、ルイジアナ州のヘインズビル頁岩、アーカンソー州のフェイエットビル頁岩が含まれます。これらの巨大な頁岩貯留層は、20年以上にわたって米国のすべてのニーズを満たすのに十分な天然ガスを保持しています。
レンガとタイルの頁岩： 頁岩は、多くの種類のレンガ、タイル、パイプ、陶器、その他の製品を製造するための原料として使用されます。レンガとタイルは、家、壁、通り、商業施設の建築に最も広く使用され、非常に望ましい材料の一部です。画像著作権iStockphoto / Guy Elliott。
粘土の生産に使用される頁岩
誰もが頁岩から作られた製品と接触しています。あなたがレンガ造りの家に住んでいる、レンガの道を運転している、瓦屋根のある家に住んでいる、または「テラコッタ」の鉢に植物を置いている場合、シェールから作られたと思われるアイテムと毎日接触します。
何年も前、これらの同じアイテムは天然粘土から作られていました。しかし、大量の使用により、小さな粘土堆積物のほとんどが枯渇しました。原料の新しい供給源が必要なため、メーカーは、細かく粉砕した頁岩を水と混合すると、しばしば同様のまたは優れた特性を有する粘土が生成されることをすぐに発見しました。今日、かつて天然の粘土から作られていたほとんどのアイテムは、細かく粉砕されたシェールと水を混合して作られた粘土から作られたほぼ同一のアイテムに置き換えられました。
ロック＆ミネラルキット： 岩石、鉱物、または化石キットを入手して、地球の材料について詳しく学んでください。岩について学ぶ最良の方法は、試験と試験のために標本を用意することです。
セメントの生産に使用される頁岩
セメントは、シェールで作られることが多い別の一般的な材料です。セメントを作るには、砕いた石灰岩と頁岩を、すべての水分を蒸発させて石灰石を酸化カルシウムと二酸化炭素に分解するのに十分な温度まで加熱します。二酸化炭素は排出物として失われますが、加熱された頁岩と組み合わされた酸化カルシウムは、水と混合して乾燥させると硬化する粉末になります。セメントは、建設業界向けのコンクリートや他の多くの製品の製造に使用されます。
オイルシェール： 固形ケロジェンの形でかなりの量の有機物質を含む岩。岩の最大3分の1が固体の有機材料です。この標本の直径は約4インチ（10センチ）です。
オイルシェール
オイルシェールは、ケロジェンの形でかなりの量の有機物質を含む岩です。岩の最大3分の1が固形ケロジェンです。オイルシェールから液体および気体の炭化水素を抽出できますが、岩石は加熱および/または溶媒で処理する必要があります。これは通常、石油やガスを直接井戸に産出する岩を掘削するよりもはるかに効率が悪い。オイルシェールから炭化水素を抽出すると、排出物や廃棄物が発生し、環境への重大な懸念が生じます。これが、世界の広範なオイルシェール鉱床が積極的に利用されていない理由の1つです。
オイルシェールは通常「シェール」の定義を満たし、「少なくとも67％の粘土鉱物で構成される積層岩」です。ただし、粘土鉱物が岩石の67％未満を占めるのに十分な有機物質と炭酸塩鉱物が含まれている場合があります。
頁岩コアサンプル： シェールが石油、天然ガス、または鉱物資源の評価のために掘削されるとき、コアはしばしば井戸から回収されます。その後、コアの岩石をテストして、その可能性とリソースの最適な開発方法について学習できます。
頁岩の組成
頁岩は、主に粘土サイズの鉱物粒で構成される岩石です。これらの小さな粒子は通常、イライト、カオリナイト、スメクタイトなどの粘土鉱物です。頁岩には通常、石英、チャート、長石などの他の粘土サイズの鉱物粒子が含まれています。他の成分には、有機粒子、炭酸塩鉱物、酸化鉄鉱物、硫化物鉱物、重鉱物粒などがあります。岩石中のこれらの「その他の成分」は、堆積物の頁岩環境によって決定されることが多く、岩石の色を決定することがよくあります。
ブラックシェール： オーガニックリッチなブラックシェール。天然ガスと石油は、このタイプの頁岩の小さな細孔空間に閉じ込められることがあります。
頁岩の色
ほとんどの岩石と同様に、頁岩の色は多くの場合、微量の特定の物質の存在によって決まります。有機材料または鉄のほんの数パーセントが、岩の色を大きく変える可能性があります。
シェールガスの演劇： 1990年代後半から、以前は生産的ではなかった何十もの黒い有機頁岩が、貴重なガス田に成功裏に開発されました。記事をご覧ください：「シェールガスとは？」
黒と灰色の頁岩
堆積岩の黒い色は、ほとんどの場合有機物質の存在を示しています。わずか1パーセントまたは2パーセントの有機材料で、岩に暗い灰色または黒色を与えることができます。さらに、この黒い色はほとんど常に、酸素不足の環境で堆積した堆積物から形成された頁岩を意味します。環境に入った酸素はすべて、腐敗している有機破片とすぐに反応しました。大量の酸素が存在する場合、有機破片はすべて腐敗していたでしょう。酸素の少ない環境は、ほとんどの黒い頁岩に見られるもう1つの重要な鉱物である黄鉄鉱などの硫化物鉱物の形成に適切な条件を提供します。
黒い頁岩中の有機破片の存在は、それらを石油とガスの生成の候補にします。埋葬後に有機材料を保存し、適切に加熱すると、石油と天然ガスが生成される可能性があります。バーネットシェール、マーセラスシェール、ヘインズビルシェール、フェイエットビルシェール、およびその他のガス生産岩は、すべて天然ガスを生成する暗い灰色または黒色の頁岩です。ノースダコタのバッケン頁岩とテキサスのイーグルフォード頁岩は、オイルを産出する頁岩の例です。
灰色の頁岩には、少量の有機物が含まれることがあります。ただし、灰色の頁岩は、石灰質の物質を含む岩石、または単に灰色になる粘土鉱物である場合もあります。
ウティカとマーセラス頁岩： アパラチア盆地の2つの黒い有機質頁岩には、数年間にわたって米国に供給するのに十分な天然ガスが含まれていると考えられています。これらは、Marcellus頁岩とUtica頁岩です。
赤、茶色、黄色の頁岩
酸素が豊富な環境に堆積する頁岩には、多くの場合、赤鉄鉱、針鉄鉱、褐鉄鉱などの酸化鉄または水酸化鉄の小さな粒子が含まれています。岩石に分布しているこれらの鉱物のほんの数パーセントが、多くのタイプの頁岩に見られる赤、茶色、または黄色の色を生成します。ヘマタイトの存在は、赤い頁岩を生成する可能性があります。褐鉄鉱または針鉄鉱の存在は、黄色または茶色の頁岩を生成する可能性があります。
グリーンシェール
緑の頁岩が時々見られます。これらの岩石の体積の大部分を占める粘土鉱物や雲母の一部は、通常緑がかった色であるため、これは驚くべきことではありません。
天然ガスシェール井： シェールは、10年も経たないうちに、エネルギー部門で目覚しい勢いで飛躍しました。水圧破砕や水平掘削などの新しい掘削および油井開発方法は、有機質頁岩のタイトなマトリックス内に閉じ込められた石油と天然ガスを利用できます。画像著作権iStockphoto /エドワードトッド。
頁岩の水理特性
水理特性は、水、油、天然ガスなどの流体を保持および伝達する能力を反映する透過性や多孔性などの岩石の特性です。
頁岩の粒子サイズは非常に小さいため、隙間のスペースは非常に小さくなります。実際、それらは非常に小さいため、石油、天然ガス、および水は岩を移動するのが困難です。したがって、頁岩は、石油や天然ガスのトラップのキャップロックとして機能することができ、また地下水の流れをブロックしたり制限したりします。
頁岩の隙間は非常に小さいですが、かなりの量の岩を占めることができます。これにより、シェールはかなりの量の水、ガス、またはオイルを保持できますが、透過性が低いため、それらを効果的に伝達できません。石油およびガス産業は、水平掘削と水圧破砕を使用して岩石内に人工的な多孔性と浸透性を作り出すことにより、頁岩のこれらの制限を克服しています。
頁岩に含まれる粘土鉱物のいくつかは、大量の水、天然ガス、イオン、または他の物質を吸収または吸着する能力を持っています。シェールのこの特性により、選択的に粘り強く流体またはイオンを保持または自由に放出することができます。
広大な土壌マップ： 米国地質調査所は、米国本土48州の一般化された膨張性土壌マップを作成しました。
頁岩土壌の工学的性質
頁岩とそれらに由来する土壌は、構築する上で最も厄介な材料の一部です。それらは、体積と能力の変化の影響を受けやすく、一般に信頼性の低い建設用基板になります。
地すべり： 頁岩は地滑りしやすい岩です。
広大な土壌
一部の頁岩由来の土壌の粘土鉱物は、大量の水を吸収および放出する能力があります。水分含有量のこの変化には、通常、体積の変化が伴い、これは数パーセントにもなる場合があります。これらの材料は「膨張性土壌」と呼ばれます。これらの土壌が濡れると膨張し、乾燥すると収縮します。これらの材料の上または内部に配置された建物、道路、ユーティリティライン、またはその他の構造物は、体積変化の力と動きによって弱体化または損傷する可能性があります。膨張性土壌は、米国の建物の基礎損傷の最も一般的な原因の1つです。
頁岩デルタ： デルタとは、水流が水の中に入ったときに形成される堆積物の堆積物です。流れの水の速度は突然低下し、運ばれている堆積物は底に沈みます。デルタは、地球の泥の最大量が堆積する場所です。上の画像はミシシッピ川デルタの衛星ビューであり、その分布チャネルと分布間堆積物を示しています。デルタを囲む明るい青い水には、堆積物が積まれています。
斜面安定性
頁岩は、地すべりに最もよく関連する岩です。風化は、シェールを粘土が豊富な土壌に変換します。粘土は通常、非常に低いせん断強度を持ちます-特に濡れている場合。これらの低強度材料が濡れており、急な山腹にある場合、傾斜をゆっくりまたは急速に移動できます。人による過負荷または発掘は、しばしば失敗を引き起こします。
火星の頁岩： 頁岩は火星でも非常に一般的な岩です。この写真は、火星の好奇心ローバーのマストカメラで撮影されました。 Gale Craterで露出している薄い層状の核分裂性頁岩を示しています。好奇心がゲイルクレーターの岩に穴を開け、挿し木に含まれる粘土鉱物を特定しました。 NASAの画像。
頁岩堆積の環境
泥の蓄積は、岩石の化学的風化から始まります。この風化により、岩石は粘土鉱物や他の小さな粒子に分解され、しばしば地元の土壌の一部になります。暴風雨は土の小さな粒子を陸地から小川に洗い流し、小川を「濁った」外観にするかもしれません。ストリームが減速したり、湖、沼地、または海などの立っている水域に入ると、泥の粒子が底に沈みます。邪魔されずに埋められた場合、この泥の蓄積は、「泥岩」として知られる堆積岩に変わる可能性があります。これが、ほとんどの頁岩の形成方法です。
頁岩形成プロセスは地球に限定されません。火星探査車は、地球上で見つかった頁岩のように見える堆積岩ユニットを備えた火星で多くの露頭を発見しました（写真を参照）。