NộI Dung
- Đá phiến là gì?
- Công dụng của đá phiến
- Dầu thông thường và khí đốt tự nhiên
- Dầu và khí tự nhiên độc đáo
- Đá phiến dùng để sản xuất đất sét
- Đá phiến dùng để sản xuất xi măng
- Dầu đá phiến
- Thành phần của đá phiến
- Màu sắc của đá phiến
- Đá phiến đen và xám
- Đá phiến đỏ, nâu và vàng
- Đá phiến xanh
- Tính chất thủy lực của đá phiến
- Đặc tính kỹ thuật của đất đá phiến
- Đất mở rộng
- Ổn định mái dốc
- Môi trường của sự lắng đọng đá phiến
Đá phiến: Đá phiến vỡ thành những mảnh mỏng với các cạnh sắc nét. Nó xuất hiện trong một loạt các màu bao gồm đỏ, nâu, xanh lá cây, xám và đen. Đây là loại đá trầm tích phổ biến nhất và được tìm thấy trong các lưu vực trầm tích trên toàn thế giới.
Đá phiến là gì?
Đá phiến là một loại đá trầm tích hạt mịn hình thành từ sự nén của các hạt khoáng và bùn có kích thước bằng đất sét mà chúng ta thường gọi là "bùn". Thành phần này đặt đá phiến trong một loại đá trầm tích được gọi là "đá bùn". Đá phiến được phân biệt với các loại bùn khác vì nó là phân hạch và nhiều lớp. "Nhiều lớp" có nghĩa là đá được tạo thành từ nhiều lớp mỏng. "Fissile" có nghĩa là đá dễ dàng phân tách thành các mảnh mỏng dọc theo các lớp.
Công dụng của đá phiến
Một số đá phiến có tính chất đặc biệt làm cho chúng trở thành tài nguyên quan trọng. Đá phiến đen chứa vật liệu hữu cơ đôi khi bị phá vỡ để tạo thành khí hoặc dầu tự nhiên. Các đá phiến khác có thể được nghiền nát và trộn với nước để tạo ra đất sét có thể được chế tạo thành nhiều vật thể hữu ích.
Hồ chứa dầu và khí tự nhiên thông thường: Bản vẽ này minh họa một "bẫy kháng sinh" có chứa dầu và khí tự nhiên. Các đơn vị đá xám là đá phiến không thấm nước. Dầu và khí tự nhiên hình thành trong các đơn vị đá phiến này và sau đó di chuyển lên trên. Một số dầu và khí bị kẹt trong sa thạch màu vàng để tạo thành một bể chứa dầu khí. Đây là một hồ chứa "thông thường" - có nghĩa là dầu và khí có thể chảy qua không gian lỗ rỗng của sa thạch và được sản xuất từ giếng.
Dầu thông thường và khí đốt tự nhiên
Đá phiến hữu cơ màu đen là đá nguồn cho nhiều mỏ dầu và khí tự nhiên quan trọng nhất trên thế giới. Những phiến đá này thu được màu đen của chúng từ các hạt nhỏ của chất hữu cơ được lắng đọng với bùn từ đó đá phiến hình thành. Khi bùn được chôn và sưởi ấm trong lòng đất, một số vật liệu hữu cơ đã được chuyển hóa thành dầu và khí tự nhiên.
Dầu và khí tự nhiên di chuyển ra khỏi đá phiến và đi lên qua khối trầm tích vì mật độ thấp. Dầu và khí thường bị mắc kẹt trong các lỗ rỗng của một đơn vị đá quá mức như đá sa thạch (xem hình minh họa). Những loại trầm tích dầu khí này được gọi là "bể chứa thông thường" bởi vì chất lỏng có thể dễ dàng chảy qua các lỗ của đá và vào giếng khai thác.
Mặc dù khoan có thể trích xuất một lượng lớn dầu và khí tự nhiên từ đá hồ chứa, phần lớn vẫn bị giữ lại trong đá phiến. Dầu và khí này rất khó loại bỏ vì nó bị mắc kẹt trong các lỗ rỗng nhỏ hoặc bị hấp phụ lên các hạt khoáng sét tạo nên đá phiến.
Hồ chứa dầu khí độc đáo: Bản vẽ này minh họa các công nghệ mới cho phép phát triển các mỏ dầu và khí tự nhiên độc đáo. Trong các mỏ khí này, dầu và khí được giữ trong đá phiến hoặc một đơn vị đá khác không thấm nước. Để sản xuất dầu hoặc khí đó, cần có các công nghệ đặc biệt. Một là khoan ngang, trong đó một giếng thẳng đứng bị lệch sang ngang để nó sẽ xuyên qua một khoảng cách dài của đá hồ chứa. Thứ hai là thủy lực bẻ gãy. Với kỹ thuật này, một phần của giếng được bịt kín và nước được bơm vào để tạo ra một áp lực đủ cao để phá vỡ đá xung quanh. Kết quả là một hồ chứa bị nứt vỡ cao xâm nhập bởi một lỗ khoan dài.
Dầu và khí tự nhiên độc đáo
Vào cuối những năm 1990, các công ty khoan khí đốt tự nhiên đã phát triển các phương pháp mới để giải phóng dầu và khí tự nhiên bị mắc kẹt trong các lỗ rỗng nhỏ của đá phiến. Phát hiện này rất có ý nghĩa vì nó đã mở khóa một số mỏ khí đốt tự nhiên lớn nhất thế giới.
Đá phiến Barnett ở Texas là mỏ khí tự nhiên lớn đầu tiên được phát triển trong đá chứa đá phiến. Sản xuất khí đốt từ đá phiến Barnett là một thách thức. Các lỗ rỗng trong đá phiến rất nhỏ đến nỗi khí khó di chuyển qua đá phiến và vào giếng. Các thợ khoan đã phát hiện ra rằng họ có thể làm tăng tính thấm của đá phiến bằng cách bơm nước xuống giếng dưới áp suất đủ cao để phá vỡ đá phiến. Những vết nứt này đã giải phóng một phần khí từ các lỗ rỗng và cho phép khí đó chảy xuống giếng. Kỹ thuật này được gọi là "bẻ gãy thủy lực" hoặc "hydrofracing."
Các thợ khoan cũng học cách khoan xuống mức đá phiến và xoay giếng 90 độ để khoan theo chiều ngang thông qua đơn vị đá phiến. Điều này tạo ra một cái giếng với "vùng trả" rất dài thông qua đá hồ chứa (xem hình minh họa). Phương pháp này được gọi là "khoan ngang."
Khoan ngang và bẻ gãy thủy lực đã cách mạng hóa công nghệ khoan và mở đường cho việc phát triển một số mỏ khí tự nhiên khổng lồ. Chúng bao gồm Đá phiến Marcellus ở Appalachian, Đá phiến Haynesville ở Louisiana và Đá phiến Fayetteville ở Arkansas. Những hồ chứa đá phiến khổng lồ này chứa đủ khí đốt tự nhiên để phục vụ tất cả các nhu cầu của Hoa Kỳ trong hai mươi năm trở lên.
Đá phiến trong gạch ngói: Đá phiến được sử dụng làm nguyên liệu thô để sản xuất nhiều loại gạch, ngói, ống, gốm và các sản phẩm được sản xuất khác. Gạch và ngói là một số vật liệu được sử dụng rộng rãi và rất mong muốn để xây dựng nhà, tường, đường phố và các cấu trúc thương mại. Bản quyền hình ảnh iStockphoto / Guy Elliott.
Đá phiến dùng để sản xuất đất sét
Mọi người đều có liên hệ với các sản phẩm làm từ đá phiến. Nếu bạn sống trong một ngôi nhà gạch, lái xe trên một con đường bằng gạch, sống trong một ngôi nhà có mái ngói hoặc giữ cây trong chậu "đất nung", bạn có thể tiếp xúc hàng ngày với các vật phẩm có thể được làm từ đá phiến.
Nhiều năm trước những vật phẩm tương tự được làm từ đất sét tự nhiên. Tuy nhiên, việc sử dụng nặng đã làm cạn kiệt hầu hết các mỏ đất sét nhỏ. Cần một nguồn nguyên liệu mới, các nhà sản xuất sớm phát hiện ra rằng trộn đá phiến nghiền mịn với nước sẽ tạo ra một loại đất sét thường có đặc tính tương tự hoặc vượt trội. Ngày nay, hầu hết các mặt hàng đã từng được sản xuất từ đất sét tự nhiên đã được thay thế bằng các mặt hàng gần như giống hệt nhau được làm từ đất sét được sản xuất bằng cách trộn đá phiến mịn với nước.
Bộ dụng cụ đá & khoáng sản: Nhận một bộ đá, khoáng sản hoặc hóa thạch để tìm hiểu thêm về các vật liệu Trái đất. Cách tốt nhất để tìm hiểu về đá là có sẵn mẫu vật để thử nghiệm và kiểm tra.
Đá phiến dùng để sản xuất xi măng
Xi măng là một vật liệu phổ biến khác thường được làm bằng đá phiến. Để tạo ra xi măng, đá vôi nghiền và đá phiến được nung nóng đến nhiệt độ đủ cao để làm bay hơi hết nước và phá vỡ đá vôi thành canxi oxit và carbon dioxide. Carbon dioxide bị mất khi phát thải, nhưng canxi oxit kết hợp với đá phiến nóng làm cho một loại bột sẽ cứng lại nếu trộn với nước và để khô. Xi măng được sử dụng để làm bê tông và nhiều sản phẩm khác cho ngành xây dựng.
Dầu đá phiến: Một loại đá có chứa một lượng đáng kể vật chất hữu cơ dưới dạng kerogen rắn. Lên đến 1/3 đá có thể là vật liệu hữu cơ rắn. Mẫu vật này dài khoảng bốn inch (mười centimet).
Dầu đá phiến
Dầu đá phiến là một loại đá có chứa một lượng đáng kể các chất hữu cơ dưới dạng kerogen. Lên đến 1/3 đá có thể là kerogen rắn. Hydrocarbon lỏng và khí có thể được chiết xuất từ đá phiến dầu, nhưng đá phải được nung nóng và / hoặc xử lý bằng dung môi. Điều này thường kém hiệu quả hơn nhiều so với việc khoan đá sẽ mang dầu hoặc khí trực tiếp vào giếng. Chiết xuất hydrocarbon từ đá phiến dầu tạo ra khí thải và chất thải gây ra mối quan tâm đáng kể về môi trường. Đây là một lý do tại sao các mỏ đá phiến dầu rộng lớn trên thế giới đã không được sử dụng mạnh mẽ.
Đá phiến dầu thường đáp ứng định nghĩa của "đá phiến" ở chỗ nó là "một loại đá nhiều lớp bao gồm ít nhất 67% khoáng sét." Tuy nhiên, đôi khi nó chứa đủ các chất hữu cơ và khoáng chất cacbonat mà khoáng sét chiếm ít hơn 67% đá.
Mẫu lõi đá phiến: Khi đá phiến được khoan để đánh giá dầu, khí tự nhiên hoặc tài nguyên khoáng sản, một lõi thường được thu hồi từ giếng. Đá trong lõi sau đó có thể được kiểm tra để tìm hiểu về tiềm năng của nó và làm thế nào tài nguyên có thể được phát triển tốt nhất.
Thành phần của đá phiến
Đá phiến là một loại đá bao gồm chủ yếu là các hạt khoáng cỡ đất sét. Những hạt nhỏ này thường là các khoáng sét như illite, kaolinite và smectite. Đá phiến thường chứa các hạt khoáng có kích thước bằng đất sét khác như thạch anh, chert và fenspat. Các thành phần khác có thể bao gồm các hạt hữu cơ, khoáng chất cacbonat, khoáng chất oxit sắt, khoáng chất sunfua và các hạt khoáng chất nặng. Những "thành phần khác" trong đá thường được xác định bởi môi trường đá phiến lắng đọng và chúng thường xác định màu sắc của đá.
Đá phiến đen: Đá phiến đen giàu hữu cơ. Khí tự nhiên và dầu đôi khi bị mắc kẹt trong các lỗ rỗng nhỏ của loại đá phiến này.
Màu sắc của đá phiến
Giống như hầu hết các loại đá, màu sắc của đá phiến thường được xác định bởi sự hiện diện của các vật liệu cụ thể với số lượng nhỏ. Chỉ cần một vài phần trăm vật liệu hữu cơ hoặc sắt có thể làm thay đổi đáng kể màu sắc của đá.
Khí đá phiến đóng vai: Kể từ cuối những năm 1990, hàng chục đá phiến hữu cơ đen không sinh sản trước đây đã được phát triển thành công thành các mỏ khí có giá trị. Xem bài viết: "Khí đá phiến là gì?"
Đá phiến đen và xám
Một màu đen trong đá trầm tích hầu như luôn luôn chỉ ra sự hiện diện của vật liệu hữu cơ. Chỉ cần một hoặc hai phần trăm vật liệu hữu cơ có thể tạo ra màu xám đen hoặc đen cho đá. Ngoài ra, màu đen này hầu như luôn ngụ ý rằng đá phiến hình thành từ trầm tích lắng đọng trong môi trường thiếu oxy. Bất kỳ oxy nào xâm nhập vào môi trường đều nhanh chóng phản ứng với các mảnh vụn hữu cơ đang phân hủy. Nếu có một lượng lớn oxy, các mảnh vụn hữu cơ sẽ bị phân hủy. Một môi trường nghèo oxy cũng cung cấp các điều kiện thích hợp cho sự hình thành các khoáng chất sunfua như pyrite, một khoáng chất quan trọng khác được tìm thấy trong hầu hết các đá phiến đen.
Sự hiện diện của các mảnh vụn hữu cơ trong đá phiến đen khiến chúng trở thành ứng cử viên cho sản xuất dầu khí. Nếu vật liệu hữu cơ được bảo quản và đốt nóng đúng cách sau khi chôn lấp, dầu và khí tự nhiên có thể được sản xuất. Đá phiến Barnett, Đá phiến Marcellus, Đá phiến Haynesville, Đá phiến Fayetteville và các loại đá sản xuất khí khác đều là đá phiến màu xám đen hoặc đen tạo ra khí tự nhiên. Đá phiến Bakken ở Bắc Dakota và Eagle Ford Shale ở Texas là những ví dụ về đá phiến mang lại dầu.
Đá phiến xám đôi khi chứa một lượng nhỏ chất hữu cơ. Tuy nhiên, đá phiến xám cũng có thể là đá chứa vật liệu vôi hoặc đơn giản là khoáng sét tạo ra màu xám.
Đá phiến Utica và Marcellus: Hai đá phiến hữu cơ màu đen trong lưu vực Appalachia được cho là chứa đủ khí đốt tự nhiên để cung cấp cho Hoa Kỳ trong vài năm. Đây là đá phiến Marcellus và đá phiến Utica.
Đá phiến đỏ, nâu và vàng
Các đá phiến được lắng đọng trong môi trường giàu oxy thường chứa các hạt nhỏ oxit sắt hoặc khoáng chất hydroxit sắt như hematit, goethite hoặc limonite. Chỉ một vài phần trăm các khoáng chất được phân phối qua đá có thể tạo ra màu đỏ, nâu hoặc vàng được thể hiện bởi nhiều loại đá phiến. Sự hiện diện của hematit có thể tạo ra đá phiến đỏ. Sự hiện diện của limonite hoặc goethite có thể tạo ra đá phiến màu vàng hoặc nâu.
Đá phiến xanh
Đá phiến xanh đôi khi được tìm thấy. Điều này không có gì đáng ngạc nhiên vì một số khoáng chất sét và mica tạo nên phần lớn khối lượng của những tảng đá này thường có màu xanh lục.
Giếng khí thiên nhiên tốt: Trong vòng chưa đầy mười năm, đá phiến đã tăng vọt để nổi bật trong lĩnh vực năng lượng. Phương pháp khoan mới và phát triển giếng khoan như thủy lực bẻ gãy và khoan ngang có thể khai thác dầu và khí tự nhiên bị mắc kẹt trong ma trận chặt chẽ của đá phiến hữu cơ. Bản quyền hình ảnh iStockphoto / Edward Todd.
Tính chất thủy lực của đá phiến
Tính chất thủy lực là đặc điểm của một loại đá như tính thấm và độ xốp phản ánh khả năng giữ và truyền chất lỏng của nó như nước, dầu hoặc khí tự nhiên.
Đá phiến có kích thước hạt rất nhỏ, vì vậy các không gian kẽ rất nhỏ. Trên thực tế, chúng nhỏ đến mức dầu, khí tự nhiên và nước gặp khó khăn khi di chuyển qua đá.Do đó, đá phiến có thể đóng vai trò là đá nắp cho bẫy dầu và khí tự nhiên, và nó cũng là một tầng chứa nước ngăn chặn hoặc hạn chế dòng chảy của nước ngầm.
Mặc dù các không gian xen kẽ trong đá phiến rất nhỏ, nhưng chúng có thể chiếm một khối lượng đáng kể của đá. Điều này cho phép đá phiến chứa một lượng nước, khí hoặc dầu đáng kể nhưng không thể truyền chúng một cách hiệu quả vì tính thấm thấp. Ngành công nghiệp dầu khí khắc phục những hạn chế này của đá phiến bằng cách sử dụng khoan ngang và nứt thủy lực để tạo độ xốp nhân tạo và tính thấm trong đá.
Một số khoáng sét xảy ra trong đá phiến có khả năng hấp thụ hoặc hấp thụ một lượng lớn nước, khí tự nhiên, ion hoặc các chất khác. Tính chất này của đá phiến có thể cho phép nó giữ một cách có chọn lọc và kiên quyết hoặc tự do giải phóng chất lỏng hoặc ion.
Bản đồ đất mở rộng: Khảo sát Địa chất Hoa Kỳ đã chuẩn bị một bản đồ đất mở rộng tổng quát cho 48 tiểu bang thấp hơn.
Đặc tính kỹ thuật của đất đá phiến
Đá phiến và đất có nguồn gốc từ chúng là một số vật liệu rắc rối nhất để xây dựng. Chúng có thể thay đổi về khối lượng và năng lực thường làm cho chúng trở thành chất nền xây dựng không đáng tin cậy.
Sạt lở: Đá phiến là một loại đá dễ bị sạt lở.
Đất mở rộng
Khoáng vật sét trong một số loại đất có nguồn gốc từ đá phiến có khả năng hấp thụ và giải phóng một lượng lớn nước. Sự thay đổi về độ ẩm này thường đi kèm với sự thay đổi về thể tích có thể lên tới vài phần trăm. Những vật liệu này được gọi là "đất mở rộng." Khi những loại đất này trở nên ẩm ướt, chúng phồng lên và khi khô chúng sẽ co lại. Các tòa nhà, đường, đường tiện ích hoặc các cấu trúc khác được đặt trên hoặc trong các vật liệu này có thể bị suy yếu hoặc hư hỏng do các lực và chuyển động của sự thay đổi âm lượng. Đất mở rộng là một trong những nguyên nhân phổ biến nhất gây thiệt hại nền móng cho các tòa nhà ở Hoa Kỳ.
Đồng bằng đá phiến: Đồng bằng là một lớp trầm tích hình thành khi một dòng chảy vào một vùng nước đọng. Vận tốc nước của dòng chảy đột ngột giảm xuống và các trầm tích được mang lắng xuống đáy. Deltas là nơi khối lượng lớn nhất của bùn Trái đất được lắng đọng. Hình ảnh trên là hình ảnh vệ tinh của đồng bằng Mississippi, hiển thị các kênh phân phối và tiền gửi liên ngành. Làn nước trong xanh bao quanh đồng bằng đầy trầm tích.
Ổn định mái dốc
Đá phiến là đá thường liên quan đến lở đất. Phong hóa biến đá phiến thành một loại đất giàu đất sét thường có độ bền cắt rất thấp - đặc biệt là khi ẩm ướt. Khi các vật liệu cường độ thấp này ướt và trên sườn đồi dốc, chúng có thể từ từ hoặc nhanh chóng di chuyển xuống dốc. Quá tải hoặc đào bởi con người thường sẽ gây ra thất bại.
Đá phiến trên sao Hỏa: Đá phiến cũng là một loại đá rất phổ biến trên sao Hỏa. Bức ảnh này được chụp bởi máy ảnh mast của Mars Curiosity Rover. Nó cho thấy những phiến đá nứt nẻ mỏng trải giường ở miệng núi lửa Gale. Tò mò đã khoan lỗ vào đá của miệng núi lửa Gale và xác định khoáng sét trong các phần cắt. Hình ảnh NASA.
Môi trường của sự lắng đọng đá phiến
Sự tích tụ bùn bắt đầu với sự phong hóa hóa học của đá. Sự phong hóa này phá vỡ các tảng đá thành khoáng sét và các hạt nhỏ khác thường trở thành một phần của đất địa phương. Một cơn mưa có thể cuốn trôi những hạt đất nhỏ từ đất và thành dòng suối, tạo cho dòng suối một vẻ ngoài "lầy lội". Khi dòng chảy chậm lại hoặc đi vào một vùng nước đứng như hồ, đầm lầy hoặc đại dương, các hạt bùn lắng xuống đáy. Nếu không bị xáo trộn và chôn vùi, sự tích tụ bùn này có thể biến thành đá trầm tích được gọi là "đá bùn". Đây là cách hầu hết các đá phiến được hình thành.
Quá trình hình thành đá phiến không giới hạn ở Trái đất. Các tay đua sao Hỏa đã tìm thấy rất nhiều thác nước trên sao Hỏa với các đơn vị đá trầm tích trông giống như những con cá mập được tìm thấy trên Trái đất (xem ảnh).