منشا نفت و ذغال سنگ در سنگ های رسوبی
امروزه ثابت شده که سنگ های کربناته می توانند سنگ منشا مواد نفتی باشند . مطالعاتی که در پانزده سال گذشته بادقت بیشتری انجام گرفته نشان داده است که بیشتر مواد تشکیل دهنده ی نفت ها تقریبا در تمام سنگهای رسوبی بطور بومی موجود هستند. نفت حاصل فرایندهای مختلف زمین شناسی است .
منشا نفت – نفت مخلوطی از هیدروکربورها با تعداد اتمهای کربن مختلف است که ممکن است از یک کربن تا چهل کربن تغییر نماید. انواع عمده آن شامل پارافین ، نفتن و آروماتیک ها هستند . به علاوه نفت ها شامل مقادیر کمی اکسیژن ، نیتروژن ، ترکیبات سولفوری به اضافه نمک های عناصر کمیاب می باشد .
مطالعات مختلف نشان داده که تمام نفت ها منشا آلی دارند و در مراحل مختلف تشکیل می شوند. به نظر هانت(1956) نفت ممکن است در دو مرحله تولید شود . قسمتی از آن در داخل رسوبات توسط موجودات زنده تولید می گردد و قسمت دیگر بعد از تدفین موجودات به وجود می آید .
هیدروکربورهایی که از موجودات زنده به وجود می آید – بسیاری از هیدروکربورهایی که در نفت ها موجودند در اجزا موجودات زنده هم تشخیص داده شده اند .اولین ماده از موجودات زنده که در نفت خام نیز وجود دارند پورفیرین است و از کلروفیل و همین مربوط به گیاهان سبز و خون جانوران مشتق شده است . آکوود و دیگران اجزا نفت را از طریق نوری مطالعه کرده و دریافتند که در نفت خام بلورهای هیدروکربور با حلقه های متعدد نفتن وجود دارد . ترکیبات فعال در مقابل نور جز به وسیله موجودات زنده ساخته نمی شود و این دلیل دیگری برای تشکیل نفت از منشا آلی است .
تولید هیدروکربور توسط ماده آلی – ماده اصلی سازنده گیاهان و جانوران ، پروتئین و کربوهیدرات و لیپید می باشد به علاوه گیاهان غیرعلفی لیگنین (لینیین)نیز دارند . لیگنین که 15-20 درصد حجم گیاهان خشکی را می سازد ، می تواند تولید کننده عمده ای برای نفت های آروماتیک باشد . پروتئین که منبع اصلی نیتروژن مواد آلی است پلی مر پیچیده ای از اسیدهای آمینه می باشد .
سلولز کربوهیدرات مهمی است و تشکیل دهنده ی اصلی دیواره سلول ها می باشد . لیپید یک واژه کلی و عمومی و شامل موم ، چربی و رنگ دانه می باشد . بسیاری از رنگ دانه ها هیدروکربورهای خالص هستند که می توانند با تغییر کلی در ترکیب شیمیائی به صورت نفت خام درآیند .
سیلورمن در 1962 اشاره کرده است که نسبت کربن 13 به کربن 12 نفت و مواد آلی نشان می دهد که لیپید منشا اولیه نفت است و ترکیب شیمیائی آن به نفت خام نزدیک می باشد . باکتریهایی که در اعماق چند فوتی رسوبات زندگی می کنند اولین تغییر دهنده مواد آلی هستند . 10-15 درصد مواد آلی به مواد موجود در بدن باکتریها تبدیل می گردد . در شرایط هوازی موادی از قبیل آب ، اکسید دو کربن ، سولفات ، فسفات و یون آمونیوم آزاد می شود . تحت شرایط بی هوازی همان مواد تولید می شود بجز اینکه گوگرد به هیدروژن سولفوره تبدیل می شود و متان و هیدروژن نیز به وجود می آید .
مهاجرت نفت –مهاجرت اولیه نفت عبارتست از حرکت نفت و گاز از رسوبات متراکم و کم تراوا به طرف سنگ های خلل و فرج دار و نفوذپذیر . مهاجرت ثانویه عبارتست از جابه جایی نفت ها در داخل نفتگیر (سنگ مخزن) می باشد .
تشخیص مراحل مختلف مهاجرت اولیه در سنگ های کربناته که احتمالا سنگ مادر هستند اهمیت دارد چون ممکن است این عمل در خود سنگ آهکی و یا سنگ های رسی اطراف صورت گیرد .
نظریه ای که بیشتر مورد قبول واقع شده است این است که رسوبات در اعماق زیاد تحت تاثیر نیروی وزن رسوبات بالای خود آب بین ذره ای خود را از دست می دهند و به نظر ویکس (1961) از هر مایل مکعب گل در حین تراکم در داخل حوضه رسوبی 15-20 بلیون بشکه مایعات خارج می گردد . هنگامی که مایعات از طریق رسوبات سخت شده عبور می کنند با خود مقدار کمی نفت حمل می کنند . به علت آزاد شدن نفت در داخل حفرات سنگ مخزن شرایط فیزیکی و شیمیائی بطور کامل عوض می شود . هنگامی که قطرات نفت درشت تر شدند داخل حفراتی که توسط آب اشغال شده بود می گردند . در هر حال این یک نظریه است و توضیح داده نشده که چگونه نفت با آب مهاجرت می کند .
نفت ممکن است به شکل قطرات یا کلوئیدهای پراکنده در محلول یا به صورت گاز مهاجرت کند . هابسون(1954) در مورد مکانیسم عمل بحث کرده و گفته است که نفت موجود در بین منافذ کوچک تحت فشار قرار می گیرد و بدین ترتیب راه خود را به طرف مخزن طی می کند . بیکر(1962) دلائلی ارائه داده است که مطابق آن تایید شده است که مهاجرت نفت به صورت کلوئیدهای پراکنده و رقیق صورت می گیرد .
نفت ایران و جنوب شرق ترکیه در مجموعه ای از ریف ها و آهک های شکاف دار و درزدار تجمع نموده اند . نفت میدان های جنوب غرب ایران از سنگ آهک آسماری فوقانی حاصل می گردد و پذیرفته شده که یک نفت بومی است این سنگ آهک 250-500متر ضخامت دارد و در بعضی از نواحی اختصاصات ریفی دارد و غنی از مواد آلی است . میدان نفتی کرکوک در عراق ، دارای 96 کیلومتر عرض و ذخیره ای حدود یک بلیون بشکه است که آن نیز مثال دیگری از مخازن خاورمیانه است که سنگ مادر آن کربناته می باشد . در روی سنگ آهک مزبور یک لایه نمک و در زیر آن یک لایه مارن وجود دارد .
تشکیل گاز در رسوبات ذغالی
حفرات و ترک های رگه های ذغالی و طبقات مجاور ذغال معمولا مقداری گاز همراه دارند که در موقع استخراج به فضای آزاد تونل راه پیدا می کنند . در ذغال های عمیق و ذغال های بیتومینو و آنتراسیت اکثر این گازها از متان تشکیل شده است که در حدود 93 درصد کل گاز ها را تشکیل می دهد و به مقدار کم نیتروژن و اکسید دو کربن همراه دارد .
گازها در طی مرحله تغییر شکل مواد گیاهی به تورب و ذغال و در دوره دگرگونی تشکیل می شوند . بطور خلاصه در تمام دوره تشکیل وتجزیه ذغال گازها تولید می شوند . دگرگونی شامل تجزیه قسمتی از ذغال و تشکیل متان و سایر گازها است . بنابراین اگر تمام شرایط یکسان باشند ، با شدید شدن دگرگونی ، ذغال به مقدار بیشتری از گاز اشباع می شود .
هنگامی که لایه های ذغال گازدار به وسیله استخراج باز می شوند ممکن است گاز بطور ناگهانی از حفرات خارج شوند و این در صورتی است که گازها محبوس باشند و یا ممکن است به تدریج و طی روزها و حتی سالها از حفرات بیرون بیاید . پخش گاز در ذغال ها بطور منطقه ای به شرح زیر می باشد:
1- منطقه بالائی یا ناحیه نیتروژن – اکسید دو کربن که شامل گاز دی اکسید کربن بیشتر از 20 در صد و نیتروژن کمتر از 80 درصد است .
2- منطقه نیتروژن که گاز دی اکسیدکربن کمتر از 20 درصد و نیتروژن بیشتر از 80 درصد است .
3- منطقه متان-نیتروژن که متان کمتر از 80 درصد و گاز دی اکسید کربن از صفر تا 20 درصد و نیتروژن19 تا 77 درصد است .
4- منطقه تحتانی متان که بیشتر از 80 درصد و نیتروژن کمتر از 18 درصد و گاز دی اکسیدکربن کمتر از 9 درصد می باشد . عمق حد بالائی هریک از این مناطق ثابت نیست و تغییرات آن بستگی دارد به : عمق نفوذ هوا ، اکسیداسیون ذغال در افق فوقانی و جریان آبهای زیرزمینی . در حوضه های اصلی ذغال شوروی منطقه متان در عمق 150 تا 250 متری شروع می شود .
نمی توان از روی مقدار گاز پی به شدت دگرگونی برد چون ممکن است طبقه ذغالی در اثر دگرگونی از گاز اشباع شده باشد ولی به علت وجود شکافها و درزها ، گازها خارج شده باشند . بنابراین مقدارگاز علاوه برشدت دگرگونی بستگی به وضع طبقات از نظر خروج گاز دارد .
نفوذپذیری ذغالها از نظر گاز 20 تا 30 مرتبه بیشتر از سنگ های مجاور است . بنابراین خروج گاز در طول رگه خیلی بیشتر از سنگ های مجاور است و هرچه شیب طبقات بیشتر باشد خروج گاز سریعتر صورت می گیرد .
تراکم گاز معمولا در قله تاقدیس های فرسایش نیافته بیشتر می باشد و همچنین در قسمت بالائی پهلوی چین های تاقدیسی زیاد است . جابجائی طبقات بطوری که قبلا گفته شد در مقدار گاز رسوبات کربندار اثر می گذارد و یا به عبارت دیگر در صورتی که شکاف ها باز یا بسته باشند و بسته به موقع نسبی کمر بالا و کمر پائین تراکم گاز فرق می کند . جابجائی ممکن است باعث تراکم گاز در یک طبقه و سبب خروج قسمت اعظم گاز در طبقات دیگر بشود . ترکیب سنگ شناسی سنگ های مجاور و سنگ پوششی یکی از عوامل مهم در خروج گازها یا تراکم آنها می باشد .
ترکیب شیمیایی و خواص تکتونیکی ذغال ها
ذغال ها شامل دو گروه متشکلین است . متشکلین قابل احتراق و متشکلین غیرقابل احتراق که شامل آب و خاکستر می باشد . درجه بندی ذغال به خواص متشکلین قابل احتراق و مقدار متشکلین غیرقابل احتراق بستگی دارد . خواص متشکلین توده قابل احتراق (آلی) ذغالها به وسیله عواملی که عبارتند از ماده اصلی گیاهی به وجود آورنده ذغال و همچنین چرخه تغییرات وارده برآن باترکیب پتروگرافی و درجه احیا ذغال و از عوامل مراحل ثانوی متامرفیسم را می توان نام برد .
رطوبت قدرت حرارتی ذغال را کاهش می دهد . مقدار رطوبت بستگی به ساختمان داخلی ذغال ها دارد و در ذغال های قهوه ای این عامل یکی از اندیس های رده بندی است . مقدار رطوبت را به وسیله حرارت دادن یک مقدار ذغال وزن شده در حرارت 105 درجه سانتی گراد تعیین می کنند بدین ترتیب که پس از خشک کردن آن در دسیکاتور و به وسیله اسید سولفوریک غلیظ ، تفاوت وزن نمونه خشک و آبدار را تعیین می نمایند .خاکستر ماده جامد غیرقابل احتراق باقی مانده از سوخت ذغال است که شامل ناخالصی انواع کانی ها در ذغال سنگ می باشد . بازاء هریک درصد خاکسترکه در ذغال سنگ اضافه شود ارزش حرارتی ذغال باندازه 100 کالری کم می شود .
مصارف اصلی ذغال ها
بسته به نوع احتیاجات یا مصارف ، ذغال بدو دسته سوختنی و تکنولوژیکی تقسیم می شوند .
ارزش حرارتی یا مقدار خاکستر ذغالها عوامل اصلی برای تعیین موارد استعمال آنها برای ایجاد انرژی است . مقدار حداکثر مجاز ذغالهای بیتومینو و آنتراسیتها در حدود 40 درصد است که در ذغالهای قهوه ای تا 45 درصد افزایش می یابد .
مشخصه های دیگر برای ذغالهای سوختنی عبارتند از : رطوبت ، پایداری حرارتی ، ترکیب دانه بندی ، و قابلیت سوخت خاکستر که برای انتخاب روش های بهتر برای سوخت ذغال مهم می باشد . ذغالهای نامرغوب خاکستر زیاد دارند و ذغالهای نرم برای سوخت در بخاری های معمولی مناسب نیستند ولی در بخاری های مخصوصی به طور رضایت بخشی می سوزند و در این بخاری ها ذغال از لوله ی مخصوصی تزریق و به صورت پودر در آمده و می سوزد.
نوع ذغال های سوختنی را می توان به وسیله اصلاح و بریکت کردن مرغوبتر نمود . بطور عمده از ذغالهای تکنولوژیکی برای تهیه کک و استفاده از گاز آنها وهمچنین تبدیل آنها(به وسیله تقطیر ، کراکینگ و هیدروژناسیون ) به سوخت های مایع و فرآورده های شیمیائی استفاده می شود . معمولا مخلوطی از انواع مختلف ذغال را برای تهیه کک با هم مخلوط می کنند .
نسبت این مخلوط براساس مقدار خروج مواد گازی و قابلیت کک شدن ذغال می باشد . با انتخاب روش های مختلف و شرایط مختلف کک از تمام انواع ذغالی بیتومینو و آنتراسیت ها و حتی بعضی از انواغ زغال های قهوه ای نیز بدست می آید و علاوه بر کک مقداری از مشخصات فرعی مهم نیز (قطرات ذغال ، بنزن ، محلول آمونیاک و گازهای مختلف ) می توان بدست آورد . بنزن آن برای تولید سوخت موتور و همچنین به عنوان ماده اولیه برای صنایع شیمی مصرف می شود . قطرات ذغال سنگ منبع تولید نفتالین است . آمونیاک مایع و مواد خنک کننده و اسید نیتریک از مخلوط مایع آمونیاک بدست می آید .
ترکیب سنگ شناسی طبقات ذغالدار – طبقات ذغالدار ردیفی از طبقات است که از نظر زایشی مربوط به سنگ های رسوبی می باشد که حاوی رگه های ذغالی است . این سنگ ها غالبا از نوع سنگ های آواری هستند ، فقط در بعضی موارد مانند حوضه های کوبونیفروپرمین طبقات از نوع سنگ های آهکی هستند . و آرژیلیت ها ماسه سنگ ها ، گریت استون ها و کنگلومرا ها مهمترین و معمولترین سنگ های آواری موجود در طبقات ذغالدار می باشند .
منشاء و مواد اولیه ذغال
اکثر زغالها از توربهائی که در بوته زارها، جنگلها و نی زارها روی هم انباشته می شوند ،به وجود می آیند .
معمولا گیاهان پس از مرگ تجزیه می شوند و تحت تاثیر اکسیژن به آب و انواع گازها مبدل می شوند. در باتلاقهای باسطح آب بالا و فقدان هوا ، بقایای گیاهی در محیط احیاء کننده قرار میگیرند . یک تفاوت بین ذغالهای هومیک و ذغالهای ساپروپلی وجود دارد . ذغالهای هومیک از توربهائی به وجود می آیند که از تجمع مواد گیاهی مرده در محل تشکیل تورب به وجود آمده است . از طرف دیگر ذغالهای ساپروپلی از گلهای ساپروپلی و از گلهای آلی مشتق شده اند که در کف دریاچه ها یا حوضه های کم هوا ته نشین شده اند . ساپروپل ها دارای عناصر آلوکتون زیادی هستند . ساپروپل ها تورب شدگی را تحمل نکرده اند ولی فرآیند ساپروپلی شدن را طی کرده اند که با پدیده فساد در شرایط بی هوائی مشخص می شود .
از آنجا که ذغالهای ساپروپلی خیلی نادر هستند ، در اینجا تنها ذغالهای هومیک مورد بحث قرار می گیرند . اکثر زغالهای هومیک از تورب های جنگلی منشاء گرفته اند و بنابراین از چوب و برگ و ریشه گیاهان باتلاقی درست شده اند . در باتلاقهای حاوی تجمع گیاهان علفی ، ریشه علفها نقش مهمی در تشکیل تورب به عهده دارند .
در خلال تشکیل تورب ، ریشه ، پوست ، چوب و برگ گیاهان به مواد هومیک تبدیل می شوند که با محتوی نسبتا زیاد اکسیژن مشخص هستند . این مواد هومیک احتمالا ویترینیت را می سازند . اگزینیت از گیاهان غنی از هیدروژن و مقاوم از نظر شیمیائی به وجود می آید نظیر پولن واسپور کرنیکول ، رزین و واکس هستند که در مقایسه با مواد هومیک اهمیت کمتری دارند . از این گذشته ماسرالهای نسبتا غنی از کربن نظیر فوزینیت و میکرینیت ظاهر می شوند که آنها را انترنیت می نامند. به استثنای برخی فوزینیت ها که از ذغال های فسیل شده مشتق می شوند ، انترنیتها از تخرب ائروبیک شدید بقایای گیاهی در سطح تورب حاصل می شوند .
مواد اولیه سازنده این ذغالها اساسا از سلولز ، همی سلولز و چوب و مقادیر کمی پروتئین ، قند ، پنتوزان پکتین ،بیتومین و تانن تشکیل شده اند و بیتومین های آن ، چربی ها – موم-رزین-استرین-کوتین و سوبرین هستند . مواد غیرآلی ذغال نیز حاصل مواد معدنی گیاهی است این مواد یا به وسیله باد و آب به باتلاقها حمل شده اند و یا بعد در تورب زارها وارد شده بوده اند .
تشکیل تورب
اولین لازمه تشکیل تورب وجود آبهای راکد است که در آن بقایای گیاهی تخریب حاصل نمی کنند. تشکیل تورب در سطح و شرایط اکسیداسیون آغاز می شود . در این پدیده باکتری های آئروبی نقش مهمی بازی می کنند . فرورفتن تدریجی و پوشیده شدن با تورب های جوانتر شرایط احیا کننده ای را ایجاد می کند و باکتریهای آئروبی جای خود را به باکتری های آن-آئروبی می دهند .
فعالیت میکربی با افزایش عمق کاهش می یابد . باکتریهای معین از دسته فلورسنت که در مقابل فشار مقاوم هستند تا مرحله ذغالهای قهوه ای نرم باقی می مانند . بنابراین ، این مرحله ذغال شدن را می توان مرحله بیوشیمیائی نامید .
محصول تشکیل تورب ، مواد هومیک است که در تشکیل توربهای تیره رنگ موثر است . تخریب مواد گیاهی در زیر سطح تورب خیلی سریعتر است .
مراحل تشکیل تورب را می توان به : فاز اولیه ، که با تشکیل لایه های توربی در سطح و اکسیداسیون سریع مشخص می شود و فاز ثانویه : که با تبدیل آهسته در محیط احیا کننده مشخص می شود ، تقسیم کرد .
ذغال قهوه ای
تحول تورب به ذغال قهوه ای یک پدیده تدریجی است که کی رز برای آن 75 درصد رطوبت در نظر گرفته است و محتوی 60 درصد کربن می باشد . راکووسکی از بین رفتن کربوهیدراتها را مرز بین تورب و ذغال قهوه ای می داند . در اروپای مرکزی براساس خواص سنگ شناسی ، ذغالهای قهوه ای به ذغالهای قهوه ای نرم و ذغالهای قهوه ای کدر و ذغالهای قهوه ای روشن تقسیم می شوند . ذغالهای قهوه ای کدر و روشن را تحت عنوان ذغالهای قهوه ای سخت می نامند .
تقسیم بندی که در آمریکا به کار می رود ، ذغال قهوه ای –لیگنیت و ذغال ساب بیتومینه می باشد ولی مرز بین آنها بطور قابل ملاحظه ای قابل تغییر است .
ذغال قهوه ای نرم
این ذغالها برنگ قهوه ای روشن تا قهوه ای تیره و برنگ خاک هستند . از نظر سنگ شناسی هنوز شبیه توربها هستند ولی سخت تر و سنگین ترند . در اغلب آنها بقایای گیاهی نظیر برگ ، میوه و چوب بطور ماکروسکوپی قابل تشخیص هستند. در میکروسکپ بقایای گیاهی که به خوبی محافظت شده اند تشخیص داده می شوند و از آنجایی که یک لایه رسوبی آنها را می پوشاند ، کمی تغییر کرده اند ، سلولها خالی شده و یا از آب پرشده اند . مواد هومیک اطراف گیاهان قابل شناخت که باقی مانده اند تراکم و فشردگی زیاد ندارند .
طبقه بندی ذره بینی در آنها معمول نیست و یا تنها بطور مبهمی موجود است . انعکاس قسمتهای هومیک در مقاطع صیقل یافته خیلی ضعیف است (کمتر از3/0 درصد) و مقدار جذب آنها در مقاطع نازک پایین است و انیزوتروپی موازی با سطح طبقه بندی هنوز به وجود نیامده است . از طرف دیگر سلولز را می توان در زیر میکروسکپ با خاصیت ایزوتروپی نوری آن تشخیص داد . در این حالت سلولز به صورت بافتهای مشخص محفوظ مانده و قشر چوبی یا کوتینی آنرا در مقابل عوامل میکربی و شیمیایی از تخریب محافظت می نماید.
ذغال قهوه ای سخت
ذغال قهوه ای کدر
ذغال قهوه ای نرم بیشتر شبیه تورب است در حالی که ذغال قهوه ای کدر بیشتر به ذغالهای بیتومینه شباهت دارد . این ذغالها سخت تر ، تیره تر و طبقه بندی بهتری دارند . آثار گیاهی تنها به صورت اتفاقی ممکن است در نمونه ماکرسکوپی تشخیص داده شود و در زیر میکروسکوپ تراکم واضح و یکنواختی مواد هومیک مشخص می شود .
در ذغالهای قهوه ای کدر حفرات خالی سلولها محو شده اند و دیواره پایدار سلولها ، هموژن گردیده و همراه با تغییر شکل پلاستیکی فشرده شده است . یکنواخت شدن و تراکم مواد هومیک را ژلیفیکاسیون می نامند . هنوز معلوم نشده است که آیا پپتیزاسیون کلوئیدهای هومیک در خلال این پدیده ظاهر می شوند یا نه . تجارب ستاش نشان داد که این پدیده به وقوع می پیوندد . برای اینکه می تواند ذغال قهوه ای نرم را توسط پپتیزاسیون و خشک کردن ژل ذغال ، به ذغال قهوه ای روشن تبدیل کند . این پدیده فیزیکی به تراکم مشخص مواد هومیک و سپس کاهش حجم حفرات منتهی می شود و اجزا تشکیل دهنده آن تحت تاثیر فشار طبقات روئی به موازات سطح طبقه بندی جهت یافته اند . این فشار همچنین کوچکترین عناصر کلوئیدی هومیک میسل ها را از نو جهت دار می کند . تغییرات سنگ شناسی در مرز بین ذغال قهوه ای نرم و ذغال قهوه ای سخت ، از مرز بین سایر رده های ذغالی مشخص تر است .
ذغال قهوه ای روشن
در این مرحله ژلیفیکاسیون کامل است . در امریکا این ذغالها را از ذغالهای بیتومینه بطور مجزا مورد بحث قرار نمی دهند . آنها شامل ذغالهای ساب بیتومینه نیز هستند . این ذغالها جامد ، سیاه و روشن هستند و در زیر میکروسکوپ به شکل ذغالهای بیتومینه دیده می شوند . چوب و پوست به لایه های ویترینیت تبدیل شده اند و واریزه های فشرده شده و به لایه های متراکم کلارن و دورن تبدیل شده اند . انعکاس ویترینیت بین 3/0 تا 5/0 درصد متغیر است .
تحول ذغال قهوه ای به ذغال بیتومینه مانند تحول تورب به ذغال قهوه ای تدریجی است .مرز بین ذغال قهوه ای و ذغال بیتومینه را به طریق مختلف رسم کرده اند . در اروپای مرکزی سه شاخص برای مرز ذغال قهوه ای و بیتومینه تعیین کرده اند که وقتی دو تا از آنها در ذغال باشد می توانیم آنرا ذغال قهوه ای یا بیتومینه بنامیم . در تقسیم بندی تجارتی ذغال ها مرز این ذغال ها ، ارزش حرارتی 5700 کیلو کالری در هر کیلوگرم است و مطابق این تقسیم بندی ذغال قهوه ای روشن نیز جز ذغالهای بیتومینه قلمداد می شود .
شاخص های فیزیکی و شیمیایی درجه ذغال
برای بررسی دامنه درجه ذغال باید از شاخص های فیزیکوشیمیایی درجه ذغال استفاده شود . در مورد ذغالهایی که اجزا تشکیل دهنده ذغال از نظر پتروگرافی مشابه اند باید درجه آنها را بطور مقایسه ای مورد بررسی قرار داد برای اینکه تغییرات شیمیائی در ماسرال های مختلف بطور متفاوت انجام می شود . برای مقایسه ویترینیت مناسب تر است زیرا که ویترینیت فراوانترین جز ذغال می باشد و می تواند به سادگی مجزا شود و به علاوه بطور مداوم تغییر می کند . در مرحله ذغالهای قهوه ای و ذغالهای بیتومینه با میزان کربن پایین ، محتوی رطوبت با ارزش حرارتی ویترینیت بهترین مقیاس برای اندازه گیری درجه ذغالی خواهد بود و از آنجا که ارزش حرارتی ویترینیت با درجه ذغال کم به محتوی رطوبت وابسته است ، تعیین رطوبت معمولا کافی خواهد بود . آزمایش باید در شرایط ثابت انجام شود و به جای رطوبت ذغال می توانیم رطوبت داخلی ماگزیمم را اندازه بگیریم .
در مورد ذغالهای قهوه ای روشن تا ذغال گاز با 30 درصد مواد فرار محتوی کربن و اکسیژن برای اندازه گیری درجه ذغال به کار می رود . از طرف دیگر تمرکز مواد فرار و هیدروژن برای درجه ذغال ، پارامترهای مناسبی نیستند زیرا مقدار آنها بطور قابل ملاحظه ای تغییر کرده و به مقدار کمتری با عمق مطابقت می کند .
درجه زغالهای بیتومینه که به مقدار زیاد دگرگونی یافته اند (کمتر از 30 درصد مواد فرار)توسط محتوی مواد فرار آنها تعیین می گردد. محتوی مواد فرار این ذغالها با افزایش عمق به سرعت کاهش می یابد تا به مرز آنتراسیت با 8 درصد مواد فرار برسد . مواد فرار به عنوان شاخص در رده بندی تجارتی ذغالهای بیتومینه و آنتراسیت به کار می رود . ذغالهای حاوی 8 تا 30 درصد مواد فرار تغییرات جزئی در محتوی کربن و هیدروژن و رطوبت در خود نشان می دهد . در مرحله آنتراسیت محتوی هیدروژن بطور قابل ملاحظه ای کاهش و محتوی کربن به آهستگی افزایش می یابد . در این مرحله مواد فرار نیز به آهستگی کاهش می یابد و به این جهت محتوی هیدروژن بهترین شاخص درجه ذغالی آنتراسیت خواهد بود .
اهمیت فشار و حرارت و زمان در ذغالی شدن
فشار – در گذشته تصور می شد که فشار عامل بسیار مهمی در دیاژنز ذغال است مشاهدات زیر این تصور را تایید می کرد :
1- درجه ذغال با افزایش عمق زیاد می شود –قانون هیلت
2- درجه ذغال در حوضه های ذغالی چین خورده معمولا خیلی بالاتر از نواحی چین نخورده است . بنابراین چنین نتیجه گیری می شود که این پدیده با فشارهای مماسی تسریع می شود ، تجارب هوک و پاتسکی نشان داده است که فشار ستاتیک پدیده های شیمیایی را تسریع نکرده بلکه عمل آنها را کند می کند افزایش درجه ذغال همراه با افزایش عمق را به صورت افزایش حرارت سنگ با عمق توجیه کرده اند. ژانتگن و کارویل افزایش درجه ذغال را با به کار بردن فشار دینامیکی در موقع خرد کردن ذغال بدست آوردند . این مولفین خودشان تایید کردند که این تجربه با شرایط طبیعت قابل قیاس نیست و این عمل آنقدر آهسته انجام می شود که در اینجا نمی توان به عنوان فشار دینامیکی قلمداد کرد. افزایش مختصر درجه ذغال که به طور اتفاقی و محلی در بعضی نواحی تکتونیکی دیده می شود باید مدیون حرارت ناشی از اصطکاک در خلال حرکات تکتونیکی دانست می توان نشان داد که نهشت های کربونیفر و دیگر حوضه های حاوی رگه های ذغالی قبل از پدیده های چین خوردگی کربنیفیکاسیون حاصل کرده اند و بنابراین کربنیفیکاسیون را نمی توان ناشی از چین خوردگی دانست .
از آنجا که آن قسمت از لایه های حوضه که به طرف خشکی متمایل هستند با ضخامت بیشتری از رسوب پوشیده شده است ، می توان کربنیفیکاسیون شدیدتر آنرا مدیون حرارت ناشی از عمق زیادتر آنها دانست در حالی که در اینجا فشار اثری روی پدیده های شیمیایی ندارد و بدون شک تغییر ساختمان فیزیکی ذغال را به همراه دارد .
گاهی ذغالهای چین خورده بطور غیر عادی رطوبت کمی دارند که آنرا می توان مدیون تخلخل کم آن دانست و انیزوتروپی نوری آنها ممکن است تحت تاثیر فشارهای مماسی باشد . کاهش تخلخل ذغالهای با درجه ذغالی پایین و عمق زیاد ، با کاهش رطوبت همراه است و بنابراین این سوال پیش می آید که آیا کم شدن آب مدیون حرارت در خلال فرونشست حوضه و در نتیجه طبقات ذغالدار است یا اینکه براثر فشار رطوبت موجود در داخل ذغال کاهش می یابد .
حرارت- اثر حرارت زیاد روی واکنش های شیمیایی در خلال کربونیفیکاسیون غیرقابل انکار است و این موضوع هرجا که ذغال با ماگما در تماس باشد مشاهده می شود و در توده های بزرگتر و گرمتر نفوذی این حالت محسوس تر است . دایک های قائم که دارای ضخامت کم است حرارت کمی منتشر می کند و دامنه اثر آنها از چند سانتیمتر تا چند متر بیشتر نیست . در صورتیکه اثر حرارت از بالای باتولیت ها تا چند هزار متر می رسد حتی در جایی که سنگ میزبان آنقدر هم تحت تاثیر قرار نگرفته باشد ، اثر حرارت تابع قانون هیلت است . طبق این قانون درجه ذغال با افزایش عمق فزونی می یابد .
بطور تجربی و به عنوان قانون می توان گفت که حرارت ماگزیمم در حوضه های بزرگ در حرکات قبل از کوهزایی پیدا می شود و این حالت را در حوضه رور می توان دید .
طبقات کربونیفر عموما ذغالهای بیتومینه دارند در صورتی که رسوبات دوران سوم تنها حاوی ذغال قهوه ای هستند در صورتی که عمق آنها یکی باشد این تغییر ممکن است در مثال نهشته های کربونیفر حوضه رور ، با ذغالهای با درجه ذغالی زیاد بالاترین قسمت نامورین و پایین ترین قسمت وستفالین در ماسه سنگ های وستفالین یافت شده اند . ذغالهای بعدی تاحد ذغال اشتعالی است و مواد فرار آنها بیش از 40 درصد است . با وجود اینکه رگه های ذغالی پایین ترین قسمت وستفالین حدود ده تا بیست میلیون سال فرصت داشته اند ، باید تصور کنیم که شیب حرارتی در خلال وستفالین در این ناحیه خیلی زیاد بوده است و شاید تغییرات ژئوترمال نسبت به عمق در آن زمان در حدود 10 تا 15 متر برای هر درجه سانتگراد بوده است . مقدار تغییرات ژئوترمال نسبت به عمق در عهد حاضر بدین صورت است که با افزایش عمقی معادل 30 متر یک درجه سانتیگراد بر حرارت سنگ ها اضافه می گردد .
زمان –از آنجا که ذغالهای کوبونیفر تحتانی مسکو هنوز در مرحله ذغال قهوه ای سخت هستند اینطور نتیجه گیری شده است که زمان عامل مهمی در پدیده کوبونیفیکاسیون نمی باشد ، و این حالت بدون شک در مورد ذغالهایی است که در طی زمان زمین شناسی در عمق کافی مدفون نبوده و بنابراین هرگز تحت تاثیر حرارت موثر نبوده اند . در این منطقه حداقل حرارت لازم برای رسیدن به مرحله ذغال بیتومینه وجود نداشته است . بعضی از ذغالهای با درجه ذغالی پایین در دوره مزوزوئیک و سنوزوئیک در اعماق بیشتری مدفون شده اند مانند حوضه ساکسون در شمالغرب آلمان . در این حالت ذغالهای آن برای مدت 100 ملیون سال تحت تاثیر حرارتی معادل 80 تا 150 درجه سانتیگراد بوده اند و این امر می رساند که در یک مرحله ذغال شدگی بعدی مرز رگه های ذغال کربونیفر ، ذغال اشتعالی در خلال وستفالین تشکیل و دوباره به ذغال کوره و ذغال لاغر تبدیل شده است .
از آنجا که ذغالهای کربونبفر بیشتر به صورت ذغال بیتومینه یافت شده اند ، چنین استنباط می شودکه مراحل ذغال شدگی بعد از کربونیفر را تحمل نکرده اند . بنابراین زمان در پدیده کربونیفیکاسیون تا موقعی شرکت می کند که حرارت زیاد به اندازه کافی موجود باشد و زغالهای با درجه ذغالی مشابه آنها در زمان کوتاه و حرارت موثر یا حرارت کم و زیادتر می تواند تولید شود .کارول نموداری را ارائه داده است که مقایسه بین زمان حرارت دیدن –حرارت سنگ و درجه ذغال را بر مبنای محتوی مواد فرار آن نمایش می دهد.
مقایسه دیاژنز ذغال با دیاژنز سنگ میزبان
ذغالهای قهوه ای نرم با ماسه و رس نسبتا سخت نشده هستند در حالی که ذغال قهوه ای سخت با رسوبات سخت تر دیده می شود . بنابراین دیاژنز ذغال به موازات دیاژنز رسوبات خواهد بود . در منطقه وسیعی از نفوذ ماگما گاهی ذغالهای موجود در ناحیه دگرگون می شود در حالی که دگرگونی در سنگ میزبان مشاهده نمی شود ، در این حالت ذغال به عنوان یک حرارت سنج موثر زمین شناسی در خلال حرارت دیدن شناخته شده است .
شیل های نفتی
شیل های نفتی سنگ هایی با بافت بسیار دانه ریز لامینه هستند که از حرارت دادن آنها می توان نفت بدست آورد . نفت حاصل معمولا به صورت مایع غلیظ و یا جامد نظیر آسفالت دکلمونیت و ازوکریت است که بطور ثانوی شیل ها را آغشته کرده اند و با سولفور کربن می توان آن را حل نمود . شیل نفتی باید حداقل 50 درصد محصول تقطیر داشته باشد ولی عملا این مقدار کمتر و حدود 30 درصد یا کمتر است . شیلهای نفتی کربونیفر تحتانی اسکاتلند که عموما شیلهای حقیقی هستند بطور متوسط 90 لیتر در متر مکعب محصول می دهد در حالی که شیلهای نفتی گرین ریور مربوط به ائوسن کلرادوویوتا که بیشتر از مارن و آهک های دولومیتی هستند بطور متوسط 125 لیتر در متر مکعب محصول دارد .
دو نوع شیل نفتی وجود دارد : 1- غنی از کربنات 2- غنی از سیلیس . این دو گاهی در یک لایه و گاهی حتی در یک رگه نیز دیده می شوند .
شیل های نفتی غنی از کربنات – شیل های نفتی غنی از کربنات حاوی مقدار قابل توجهی کربنات هستند و عموما تحت عنوان سنگ های آهکی یا مارنی مورد بررسی قرار گرفته اند . کلسیت ،دولومیت و انکریت جزو معمولی ترین کربناتها هستند و به مقدار متفاوتی از سیلت و کروژن مخلوط می باشد . کلسیت این قبیل سنگ ها از منشا کلسیت اولیه میکروکریستالین رسوبی و دولومیت وانکریت بیشتر مربوط به زمان دیاژنز هستند . در طبقاتی که از کروژن غنی هستند گاهی چین هایی در لامیناسیون دیده می شود و علت آن نیز مربوط به تراکم متفاوت پس از دفن شدن می باشد . این سنگ های خیلی سخت معمولا برنگ قهوه ای تیره یا سیاه می باشند که معمولا دارای لامیناسیون ظریف هستند .
کروژن- واژه ی کروژن برای اولین بار توسط براون به مواد کربنه شیل های اسکاتلند که از تقطیر آنها نفت بدست می آید به کار برده شده است . بعد کروژن به تمام مواد گیاهی و حیوانی که از مواد آلی غنی هستند اطلاق گردید . ولی مواد کروژن در تمام شیل های زرد نارنجی ، قرمز و قهوه ای رنگ ، بخوبی شناخته نشده است و مشکل می توان به اصل آنها پی برد . ژئوشیمیست های شیمی آلی معتقدند که کروژن از مخلوطی از ملوکولهای هیدروکربن نظیر چربی ها و دانه های رزین دار تشکیل شده است . در یک شیل برحسب آنکه کدام یک از هیدروکربورها بیشتر باشد می توان به منشا کروژن پی برد . به عنوان مثال وجود درصد بالائی از تری ترپن در شیل های اسکاتلند ، گیاهان با ارتفاع بیشتر را برای منشا آن پیشنهاد می نماید . از طرف دیگر باید متذکر شد که هیدروکربورها ممکن است ترکیبشان تحت تاثیر دیاژنز تغییر کرده باشد .
پیدایش شیل های نفتی – مواد کروژنی شیل های نفتی از کامبرین تا دوران سوم شناخته شده است و از دوره پرکامبرین هنوز گزارش نشده است . اکثر شیل های نفتی اوایل پالئوزوئیک نظیر رسوبات دونین تحتانی شرق ومرکز آمریکا از نوع سیلیسی و دریائی می باشند . شیل های نفتی در رسوبات اواخر دوران اول فراوانتر بوده و در تمام قاره ها شناخته شده است و احتمالا مربوط به افزایش مواد گیاهی در اواخر این دوران است . شیل های نفتی بیشتر سیلیسی می باشند مهذلک لایه هایی به صورت بین طبقه ای از آهک دولومیتیزه در آنها دیده می شود . این حالت در فرماسیون شیلهای البرت کربونیفر شرق کانادا که در یک محیط آب شیرین تجمع حاصل نموده و 2500 کیلومتر مربع را پوشانیده است دیده می شود . چنین رسوباتی از تمام قاره ها بجز استرالیا گزارش شده است . مواد آلی شیل های نفتی نوع سیلیسی با دو افق اصلی بین 20 تا 30 درصد و محصول تقطیری آنها بین 2-12 درصد است . این شیل با دولومیت ، کلسیلوتایت و شیلهای غیر بیتومینه بین طبقه ای قرار دارد . شیل های نفتی تریاس بالایی در حوضه استانلی ویل ناحیه کنگو در آفریقا در سنگ های آتشفشانی در سنگ های آهکی به صورت بین طبقه ای قرار گرفته اند . نظیر چنین تشکیلات مشابه از نظر سنی ، در آلاسکا و شرق آمریکا وجود دارد . در طبقات دریائی ژوراسیک اروپا نیز شیل های نفتی سیلیسی انتشار وسیعی دارند که از نظر کیفیت متفاوت می باشند .
محیط رسوبی شیل های نفتی – سه محیط اساسی برای شیل های نفتی وجود دارد : 1- دریاچه های بزرگ 2- دریای های کم عمق 3- دریاچه های کوچک با باتلاقهای ذغالی
دریاچه های بزرگ -دریاچه های بزرگ نواحی وسیع آب شیرین می باشند و بیشتر بدلایل تکتونیکی و گسلی تشکیل شده اند . بهترین نمونه شناخته شده ، دریاچه های یونیتا و گوسیوت کلرادو در دوره ائوسن و دریاچه های یوتا وایومینگ در دوره کربونیفر واقع در آمریکای شمالی و کادیل در انتهای شرقی دره میدلند اسکاتلند و دریاچه نیوبرانزویک کانادا جایی که شیل البرت در آن تشکیل شده است . گاهی اوقات توف و سنگ های آتشفشانی در بین انواعی از این شیلها که از مواد کربناته غنی هستند و یا آهک بین طبقه ای دارند دیده می شود. لایه های رسوبات آواری در شیل های نفتی احتمالا در مراحل آب و هوائی خشک بجای گذاشته شده اند .
دریاهای کم عمق – دریاهای کم عمق مربوط به نواحی فلات قاره بوده و رسوبات شیلی اختصاصا سیلیسی است و وسعت آنها تا چند هزار کیلومتر مربع می رسد . این رسوبات با چرت ، سنگ آهک ، ماسه سنگ و سنگ های فسفاته همراه می باشد ولی شیل نفتی دریاهای بزرگ نیز می توانند همراه با این سنگ ها یافت شوند . دریاچه های کوچک – گودالهای کوچک باتلاقی حاوی گیاهان و خرده های مواد غیر آلی بوده و با مواد آلی مخلوط می باشند که در شرایط مساعد شیل های نفتی را بوجود می آورند . در منچوری نوعی از اینگونه شیل ها در تشکیلات ذغالی دوران سوم یافت شده که تشکیل لایه های ضخیم را داده و از انواع مرغوب شیل های نفتی می باشند .
دیاژنز مواد آلی در رسوبات – مطالعه دقیق رسوبات عهد حاضر نشان داده است که نمونه هائی که درصد بالائی از مواد آلی دارند ، نفت در آنها یافت نمی شود ولی می توانند پس از تقطیر انواع مختلف نفت را تولید کنند ، بنابراین احتمالا هیدروکربورهای مایع در زمان رسوبگذاری به وجود نیامده اند . در مراحل اولیه دیاژنز مواد آلی موجود در گل و لجن و سایر رسوبات دانه ریز ، فعالیت باکتریهای بی هوازی مقدار زیادی متان تولید می کنند ولی هیدروکربورهای سری بالا را به وجود نمی آورد . اثر اصلی فعالیت باکتریها در این مرحله حذف نیتروژن و اکسیژن از واریزه های گیاهی و جانوری است و همچنین تبدیل آن به موادی است که از نظر شیمیائی به ترکیب نفت خام نزدیک است . مثلا پروتئین ها و کربوهیدرات ها به اسید چرب مبدل شده و آب و گاز دی اکسید کربن نیز حاصل می شود . بسیاری از مواد با ترکیب پیچیده در مقابل عمل باکتریهای مقاومت نموده و در خلال دوره ی تخریب ساختمانی به صورت کم و بیش دست نخورده باقی مانده اند . اکنون پیشنهاد شده است که آخرین مرحله تشکیل نفت اثر مواد غیر آلی خالص می باشد . از مطالعه انتشار ناحیه ای نفت و مطالعه درجه ذغال شدگی ذغال سنگ های هومیک ، وایت نشان داده است که تجمع نفت خام معمولی در جاهایی است که در آن مناطق ذغال سنگ های جوانتر با درصد کربن ثابت کمتر از 61 درصد است . با به کاربردن این روش به عنوان شاخص ، وایت نشان داد که در درجات بالاتر نفت خام معمولی دیگر نمی تواند وجود داشته باشد و گازها و مقدار ناچیزی نفت سنگین و اسفالت وجود دارد . درباره واکنش هایی که مواد پیچیده آلی موجود در شیل ها را به نفت تبدیل می کنند اطلاعات کمی در دست است . فعل و انفعالاتی زیادی برای تشکیل هیدروکربن های معطر نفتانیک و پارافین لازم است . افزایش ملایم درجه حرارت احتمالا لازم است ولی اکنون قبول کرده اند که درجه حرارت باید کمتر از 107 درجه سانتیگراد باشد . با این شرط که مدت زمان زیادی برای انجام این عمل صرف شود عوامل رادیواکتیو نیز به عنوان یک عامل موثر در تبدیل مواد آلی به شمار می آید . در اینجا نقش ماتریکس غیرآلی که مواد در آن بوجود آمده مبهم است . احتمالا وجود کانی های رسی سبب انجام بعضی فعل و انفعالات می شود . به عنوان مثال معلوم شده است که از تجزیه پیگمانهای آلی مونتمور یلونیت می توانند مقداری بنزن و تولوئن تولید کنند .