גיאולוגיה של פצלי שמן

פצלי שמןכל סלע משקע המכיל כמויות שונות של חומר אורגני מוצק שמניב מוצרי נפט, יחד עם מגוון תוצרי לוואי מוצקים, כאשר הוא נתון לפירוליזה - טיפול שמורכב מחימום הסלע לגובה של מעל 300 מעלות צלזיוס (כ 575 מעלות צלזיוס) בהיעדר חמצן. השמן הנוזלי המופק מפצלי שמן, ברגע שהוא משודרג, יוצר סוג של נפט גולמי סינטטי המכונה בדרך כלל שמן פצלי. לשמן המיוצר מפצלי שמן יש ערך מסחרי פוטנציאלי בכמה מאותם שווקים המוגשים על ידי נפט גולמי קונבנציונאלי, מכיוון שהוא יכול להיות מזוקק למוצרים שנעים בין סולר לדלק (בנזין) לגז נפט נוזלי (גפ"מ). חלק מתוצרי הלוואי המוצקים של עיבוד פצלי שמן הם פסולת בלתי שמישה, אך לאחרים ערך מסחרי. אלה כוללים גופרית, אמוניה, אלומינה, אפר סודה ונחקוליט (צורה מינרלית של נתרן ביקרבונט). בנוסף נעשה שימוש בפצלים משומשים בייצור מלט, שם החומר העשיר בפחמן יכול לשפר את מאזן האנרגיה של התערובת. במקביל, לייצור מפצלי שמן יש השפעה פוטנציאלית משמעותית על הסביבה הטבעית, כולל פליטת פחמן, צריכת מים, זיהום מי תהום והפרעה במשטחי היבשה.

מעט בלבול נוצר ביחס למונחי פצלי שמן ושמן פצלי. עד ראשית המאה ה -21, מונחים אלה התייחסו בהתאמה אך ורק לסלע המקורות הנפט העשיר באורגני המתואר במאמר זה ולמוצר הנוזלי המתקבל מסלע זה באמצעות פירוליזה. עם זאת, בתחילת שנות האלפיים, אותם מונחים חלו גם על סלעים אטומים דקיקים המכילים נפט גולמי ועל השמן המופק מאותם סלעים דרך שבר הידראולי.

היווצרות והרכב של פצלי שמן

מקורות גיאולוגיים

פצלי שמן נוצרו משקעים שהונחו באגמים עתיקים, בים וגופי מים יבשתיים קטנים כמו ביצות ולגונות. פצלי שמן המופקעים באגני אגם גדולים, בעיקר אלה ממוצא טקטוני, הם בדרך כלל בעובי ניכר בחלקים. מינרלוגית, המשקעים מורכבים מאבן בוץ או מריל בוץ ארגילי, ואולי קשורים לטוף וולקני ועם משקעים מינרליים מתאדים. מרבצי פצלי שמן גדולים מסוג זה הם היווצרות נהרות הירוקים הירוקים (GRF) במערב ארצות הברית, המתוארכים לתקופת האוקן. פצלי שמן שנמצאו ברפובליקה הדמוקרטית של קונגו שהונחו בתקופה הטריאסית; והצלע אלברט בניו ברונסוויק, קנדה, ממוצא מיסיסיפי.

פצלי שמן המופקים בסביבות ימיות רדודות הוא דק יותר מאשר פצלים ממקור לקוסטרי אך במידה רבה יותר באזור. שבר המינרלים הוא ברובו חימר וסיליקה, אם כי מופיעים גם פחמימות. משקעים נרחבים של פצלים שחורים מסוג זה נוצרו בתקופת קמבריה בצפון אירופה ובסיביר; התקופה השילורית בצפון אמריקה; התקופה הפרמינית בדרום ברזיל, אורוגוואי וארגנטינה; תקופת היורה במערב אירופה; ותקופת המיוקן מהתקופה הניאוגנית באיטליה, סיציליה וקליפורניה.

פצלי שמן המופקלים באגמים קטנים, ביצות ולגונות נמצא בקשרי תאי פחם. הפקדות מסוג זה מתרחשות ברצף שנמצא במערב אירופה מימי התקופה הפרמית ובפקדונות של צפון מזרח סין שהונחו בתקופת קנוזואית המוקדמת.

תרכובת כימית

פצלי שמן מורכבים מחומר אורגני מוצק הטמונים במטריקס מינרלי אורגני. כימית, תכולת המינרלים מורכבת בעיקר מסיליקון, סידן, אלומיניום, מגנזיום, ברזל, נתרן ואשלגן המצויים במינרלים של סיליקט, קרבונט, תחמוצת וגופרית.

ההרכב הכימי של החומר האורגני משתנה. הוא מורכב בעיקר ממולקולות אורגניות מורכבות המכילות מימן ופחמן, כמו גם כמויות מסוימות של היסודות ההטרומטיים חמצן, חנקן וגופרית. לאלמנטים ההטרומטיים השפעות חשובות על תכונות השמן המופק מפצלידים, ומשפיעים לעיתים קרובות על הבחירה בתהליכי שדרוג ועידון, ופצלים מאזורים שונים ומוצא גיאולוגי שונים ידועים לעיתים בתכני אותם אלמנטים מכריעים. לדוגמא, פצלי השמן הקוקרסיטיים של אסטוניה מציינים כי הם עשירים בחמצן. פצלי שמן שמקורם בסביבות אגם מלוחים, כמו פצלי GRF של מערב ארצות הברית, נוטים להיות עשירים בחנקן, ואילו פצלי שמן ימיים כמו אלה הנמצאים במרוקו, מצרים, ישראל וירדן עשירים בגופרית.

תכולת מינרלים

המרכיבים המינרליים של פצלי שמן משתנים בהתאם לסוג המשקעים. חלקם הם פצלים אמיתיים שבהם מינרלים מחימר הם השולטים, כמו ה- Garden Gulch חבר ב- GRF ביוטה. אחרים, דוגמת חבר המצנח קריק ב- GRF בקולורדו, הם אבני מרל המכילות דולומיט או קלציט וכן מינרלים סיליקטיים כמו חימר, קוורץ וכדורי שדה.

מרבצי פצלי השמן השונים שנכרותו ברחבי העולם מאז ראשית המאה העשרים נעו בין פצלים לאבן מרל ועד אבן בוץ קרבונט. כולם סלעי משקע דקים יחסית, שכן משקעים של משקעים גסים כמו חול אינם תואמים לשימור החומר האורגני. אבן חול שנמצאה בחלקה של ויומינג ב- GRF, למשל, מפחיתה משמעותית את העושר האורגני של פצלי השמן.

ב- GRF נוצרו ככל הנראה מינרלים מלוחים כמו נחקוליט, טרונה ודונסוניט, יחד עם שלל מינרלים חריגים אחרים בתנאים מלוחים ורובדים במיוחד במי האגם האוקן. הריבוד הכימי היה מייצר סביבה עשירה בפחמן דו-חמצני עשירה בשכבות התחתיות המלוחות של האגם, מה שהיה מסייע בשימור החומר האורגני, הפקדת המינרלים האורגניים ופירוק חלק גדול מהחימר המובא כ משקע.