Geologia dello scisto bituminoso

La geologia dello scisto bituminoso è una branca delle scienze geologiche che studia la formazione e la composizione di scisti bituminosi, rocce sedimentarie a grana fine contenenti quantità significative di cherogeno e appartenenti al gruppo dei carburanti sapropel. La formazione di scisti bituminosi avviene in una serie di contesti deposizionali e presenta notevoli variazioni compositive. Gli scisti bituminosi possono essere classificati in base alla loro composizione (minerali carbonatici come calcite o minerali dannosi come quarzo e argille) o al loro ambiente deposizionale (grandi laghi, fondali marini bassi e laguna / impostazioni di piccoli laghi). Gran parte della materia organica in scisti bituminosi è di origine algale, ma vi rientrano anche resti di piante terrestri vascolari. Tre principali tipi di sostanza organica (macerali) nello scisto bituminoso sono la telalginite, la lamalginite e la bituminite. Alcuni depositi di scisti bituminosi contengono anche metalli che includono vanadio, zinco, rame e uranio.

La maggior parte dei depositi di scisto bituminoso si formarono durante il medio cambriano, l'Ordoviciano medio e precoce, il tardo devoniano, il tardo giurassico e il paleogene durante la sepoltura mediante caricamento sedimentario sopra i depositi di palude algali, con conseguente conversione della materia organica in cherogeno mediante processi diagenetici. I più grandi depositi si trovano nei resti di grandi laghi come i depositi della formazione del Green River del Wyoming e Utah, USA. I depositi di scisto bituminoso formati nei mari poco profondi delle piattaforme continentali sono in genere molto più sottili dei grandi bacini lacustri.

Classificazione e varietà

Lo scisto bituminoso appartiene al gruppo dei carburanti sapropel. Non ha una definizione geologica definita né una formula chimica specifica e le sue cuciture non hanno sempre confini discreti. Gli scisti bituminosi variano considerevolmente per contenuto minerale, composizione chimica, età, tipo di cherogeno e storia di deposizione e non tutti gli scisti bituminosi verrebbero necessariamente classificati come scisti in senso stretto. La loro caratteristica comune è la bassa solubilità in solventi organici a basso punto di ebollizione e la generazione di prodotti organici liquidi sulla decomposizione termica.

Esistono diverse classificazioni degli scisti bituminosi a seconda del loro contenuto minerale, del tipo di cherogeno, dell'età, della storia di deposizione e degli organismi da cui derivano. L'età dei depositi noti di scisti bituminosi varia dall'età cambriana a quella paleogene. Le litologie comprendono scisti e rocce di marna e carbonato, che formano una miscela di materia organica strettamente legata e componenti inorganici.

Gli scisti bituminosi sono stati suddivisi in tre categorie in base alla composizione minerale: scisto ricco di carbonati, scisto silicea e scisto di cannello. Gli scisti ricchi di carbonati prendono il loro nome dalla grande quantità di minerali carbonatici come calcite e dolomite. Sono stati trovati fino a venti minerali carbonatici negli scisti bituminosi, la maggior parte dei quali sono considerati autentici o diagenetici. Gli scisti bituminosi ricchi di carbonato, in particolare quello dei depositi di origine lacustre, hanno di solito gli strati ricchi di organici inseriti tra strati ricchi di carbonato. Questi depositi sono formazioni rigide che sono resistenti agli agenti atmosferici e sono difficili da lavorare utilizzando metodi ex situ. Gli scisti di olio di silice sono generalmente scisti di colore marrone scuro o nero. Non sono ricchi di carbonati ma piuttosto di minerali silicei come quarzo, feldspato, argilla, chert e opale. Gli scisti silicei non sono così duri e resistenti agli agenti atmosferici come gli scisti ricchi di carbonati e possono essere più adatti per l'estrazione con metodi ex situ . Gli scisti di Cannel sono generalmente scisti di colore marrone scuro o nero, costituiti da materia organica che racchiude completamente altri grani minerali. Sono adatti per l'estrazione con metodi ex situ .

Un'altra classificazione in base al tipo di cherogeno, si basa sul contenuto di idrogeno, carbonio e ossigeno della sostanza organica originale nello scisto bituminoso. Questa classificazione utilizza il diagramma di Van Krevelen. La classificazione più utilizzata degli scisti bituminosi è stata sviluppata tra il 1987 e il 1991 da Adrian C. Hutton dell'Università di Wollongong, adattando i termini petrografici dalla terminologia del carbone. Secondo questa classificazione, gli scisti bituminosi sono designati come terrestri, lacustri (depositati sul fondo del lago) o marini (depositati sul fondo dell'oceano), in base all'ambiente in cui è stata depositata la biomassa iniziale. Lo schema di classificazione di Hutton si è dimostrato utile per stimare la resa e la composizione dell'olio estratto.

Classificazione degli scisti bituminosi per ambiente di deposizione Lacustre terrestre Carbone di carbone marino


lamosite;
torbanite

kukersite;
tasmanite;
marinite

Il carbone di cannella (chiamato anche carbone di candela ) è un tipo di scisto terrestre, che è ricco di idrogeno da carbone marrone a nero, a volte con trama scura, composto da resine, spore, cere, materiali cutinacei e sughero derivati ​​da piante vascolari terrestri e varie quantità di vitrinite e inertinite. Gli scisti lacustri sono costituiti da lamosite e torbanite. La lamosite è uno scisto bituminoso marrone-marrone e da grigio-marrone a grigio scuro a nero il cui costituente organico principale è la lamalginite derivata da alghe planctoniche lacustri. La torbanite, che prende il nome da Torbane Hill in Scozia, è uno scisto bituminoso nero la cui materia organica è telalginite derivata da Botryococcus ricco di lipidi e forme algali correlate. scisti Marine consistono in tre varietà, vale a dire kukersite, tasmanite e marinite. Kukersite, dal nome di Kukruse in Estonia, è uno scisto di olio marino marrone chiaro il cui principale componente organico è la telalginite derivata dall'alga verde, Gloeocapsomorpha prisca . La tasmanite, che prende il nome dalla Tasmania, è uno scisto bituminoso dal marrone al nero la cui materia organica è costituita da telalginite derivata principalmente da alghe unicellulari tasmanitidi di origine marina. La margarite è uno scisto bituminoso di colore da grigio a grigio scuro a nero di origine marina in cui i principali componenti organici sono la lamalginite e la bituminite derivate dal fitoplancton marino con varie miscele di bitume, telalginite e vitrinite.

Composizione

Come combustibile sapropel, olio di scisto differisce da combustibili humus nel suo minor contenuto di sostanza organica. La materia organica ha un rapporto atomico tra idrogeno e carbonio di circa 1,5, approssimativamente uguale a quello del petrolio greggio e da quattro a cinque volte superiore ai carboni. La sostanza organica in olio scisti forma una struttura macromolecolare complessa che è insolubile nei comuni solventi organici. È mescolato con varie quantità di materia minerale. Per le qualità commerciali di olio di scisto, il rapporto tra materia organica alla materia minerale è di circa 0,75: 5-1,5: 5.

La porzione organica di scisto bituminoso è in gran parte costituita da una pasta di fondo bituminosa pre-bitume, come resti di alghe, spore, polline, cuticole di piante e frammenti di sughero di piante erbacee e legnose e detriti cellulari da altre piante lacustri, marine e terrestri. Mentre gli scisti di olio terrestre contengono resine, spore, cuticole cerose e tessuti di sughero di radici e steli di piante terrestri vascolari, gli scisti di olio lacustre includono materia organica ricca di lipidi derivata dalle alghe. scisti bituminosi marini sono composti di alghe marine, acritarchs e dinoflagellati marine. La materia organica in scisti bituminosi contiene anche zolfo organico (circa il 1,8% in media) e una percentuale più bassa di azoto.

Tre principali tipi di materia organica (macerali) nello scisto bituminoso sono la telalginite, la lamalginite e la bituminite. La telalginite è definita come materia organica strutturata composta da grandi alghe unicellulari coloniali oa parete spessa come Botryococcus e Tasmanites . La lamalginite comprende alghe coloniali o unicellulari a parete sottile che si presentano come lamine distinte, ma presentano poche o nessuna struttura biologica riconoscibile. Al microscopio, la telalginite e la lamalginite sono facilmente riconoscibili dalle loro brillanti tonalità di giallo sotto la luce fluorescente ultravioletta / blu. La bituminite è in gran parte amorfa, manca di strutture biologiche riconoscibili e mostra una fluorescenza relativamente bassa al microscopio. Altri costituenti organici includono la vitrinite e l'inerzia, che sono macerali derivati ​​dalla materia umica delle piante terrestri. Questi macerali si trovano di solito in quantità relativamente piccole nella maggior parte degli scisti bituminosi.

La sostanza minerale in scisto bituminoso contiene silicati a grana fine e minerali carbonatici come calcite, dolomite, siderite, quarzo, rutilo, ortoclasio, albite, anorthite, muscovite, anfipolo, marcasite, limonite, gesso, nahcolite, dawsonite e allume. Alcuni depositi di olio di scisto contengono metalli come vanadio, zinco, rame e uranio tra gli altri.

Composizione generale di scisti bituminosi Matrice inorganica Quarzo di bitume di Kerogens; feldspati; argille (principalmente illite e clorite; carbonati (calcite e dolomite); pirite e altri solubili in CS2 insolubili in CS2; contenenti uranio, ferro, vanadio, nichel, molibdeno, ecc.

Formazione

La maggior parte dei depositi di scisto bituminoso si formarono durante il Medio Cambriano, Primo e Medio Ordoviciano, Tardo Devoniano, Tardo Giurassico e Paleogene. Questi sono stati formati dalla deposizione di materia organica in una varietà di ambienti deposizionali tra cui acqua dolce e laghi altamente salini, bacini marini epicontinentali e piattaforme sottomarine e sono stati limitati ad aree estuarine come laghi oxbow, torbiere, paludi limbiche e costiere e muskeg. Quando le piante muoiono in un ambiente acquatico, anaerobico, bassi livelli di ossigeno impediscono loro decadimento batterico completo.

Affinché la materia organica non trattata venga preservata e formata da scisti bituminosi, l'ambiente deve rimanere uniforme per periodi di tempo prolungati al fine di costruire sequenze sufficientemente spesse di materia algale. Alla fine, la palude alghe o altro ambiente ristretto è distrutto ed accumulo olio di scisto cessa. La sepoltura mediante caricamento sedimentario sopra i depositi di palude algali converte la materia organica in cherogeno mediante i seguenti normali processi diagenetici:

• Compattazione dovuta al carico di sedimenti sul carbone, con conseguente compressione della materia organica.
• Con il continuo calore e la compattazione, la rimozione dell'umidità nella torba e dalla struttura intracellulare delle piante fossilizzate e la rimozione dell'acqua molecolare.
• La metanogenesi, simile al trattamento del legno in una pentola a pressione, provoca la produzione di metano, la rimozione di idrogeno, del carbonio e dell'ossigeno.
• Disidratazione, che rimuove i gruppi idrossilici dalla cellulosa e da altre molecole vegetali, producendo carboni o scisti bituminosi a ridotto contenuto di idrogeno.

Sebbene simili nel loro processo di formazione, gli scisti bituminosi differiscono dai carboni in diversi modi. I precursori della materia organica nello scisto bituminoso e nel carbone differiscono nel senso che lo scisto bituminoso è di origine algale, ma può anche includere resti di piante vascolari terrestri che più comunemente compongono gran parte della materia organica nel carbone. L'origine di una parte della materia organica nello scisto bituminoso è oscura a causa della mancanza di strutture biologiche riconoscibili che aiuterebbero a identificare gli organismi precursori. Tali materiali possono essere di origine batterica o il prodotto di degradazione batterica di alghe o altro materiale organico.

Una temperatura e una pressione inferiori durante il processo di diagenesi rispetto ad altre modalità di generazione di idrocarburi determinano un livello di maturazione inferiore dello scisto bituminoso. La sepoltura continua e l'ulteriore riscaldamento e l'aumento della pressione nel tempo potrebbero comportare la produzione convenzionale di petrolio e gas dalla roccia di origine dello scisto bituminoso. I più grandi depositi si trovano nei resti di grandi laghi come i depositi della formazione del Green River del Wyoming e Utah, USA. Grandi bacini olio di scisto lago si trovano tipicamente in aree di blocco ha provocato l'errore o la deformazione della crosta terrestre a causa di costruzione di montagna. Depositi come il Green River possono raggiungere i 610 m (2000 piedi) e produrre fino a 40 galloni di petrolio per ogni tonnellata (166 l / t) di scisto.

I depositi di scisto bituminoso formati nei mari poco profondi delle piattaforme continentali sono in genere molto più sottili dei depositi di grandi bacini lacustri. Generalmente hanno uno spessore di pochi metri e si estendono su aree molto estese, estendendosi fino a migliaia di chilometri quadrati. Dei tre tipi litologici di scisti bituminosi, gli scisti bituminosi si trovano più comunemente in tali ambienti. Questi scisti bituminosi non sono organicamente ricchi come gli scisti bituminosi depositati sul lago e generalmente non contengono più di 30 galloni di olio estraibile per tonnellata di scisti bituminosi. Gli scisti bituminosi depositati in ambienti lagunari o lacustri sono raramente estesi e sono spesso associati a rocce carbonifere. Questi scisti bituminosi possono avere rese elevate - fino a 40 galloni per tonnellata (166 l / t) di scisti bituminosi. Tuttavia, a causa della loro piccola estensione areale, sono considerati candidati improbabili per lo sfruttamento commerciale.

Proprietà di alcuni depositi di scisti bituminosi Paese Ubicazione Tipo Età Carbonio organico (%) Resa petrolifera (%) Rapporto di conversione olio (%) Australia Glen Davis, Nuovo Galles del Sud Torbanite Permiana 40 31 66 Tasmania Tasmania Permiana 81 75 78 Brasile Formazione Irati, Irati marinite Permiano 7.4 Paraíba Valley scisti lacustri Permiano 13–16,5 6,8–11,5 45–59 Canada Nuova Scozia torbanite; lamosite Permiano 8–26 3,6–19 40–60 Cina Fushun carbone di cannel; lacustre shales Eocene 7.9 3 33 Estonia Estonia Deposito kukersite Ordoviciano 77 22 66 Francia Autun, St. Hilarie torbanite Permian 8–22 5–10 45–55 Creveney, Severac Toarcian 5–10 4–5 60 Sudafrica Ermelo torbanite Permian 44–52 18–35 34–60 Spagna Puertollano lacustrine shale Permian 26 18 57 Svezia Kvarntorp marinite Paleozoic inferiore 19 6 26 Regno Unito Scozia torbanite carbonifera 12 8 56 Stati Uniti Alaska Jurassic 25–55 0.4–0.5 28–57 Formazione del fiume verde in Colorado, Wyoming e Utah lamosite Early to Mid Eocene 11–16 9–13 70 Mississippi marinite Devonian

Formazioni negli Stati Uniti

Gli Stati Uniti hanno due importanti giacimenti di scisti bituminosi, che sono adatti per lo sviluppo commerciale a causa delle loro dimensioni, grado e posizione. L'Eocene Green River Formation copre parti di Colorado, Wyoming e Utah; il secondo deposito significativo sono gli scisti bituminosi devoniani negli Stati Uniti orientali. In entrambi i luoghi vi sono sotto-bacini che variano in volume e qualità delle riserve. Lo scisto bituminoso nella formazione del Green River si trova in cinque bacini sedimentari, ovvero Green River, Uinta, Piceance Creek, Sand Wash e Washakie. I primi tre hanno subito importanti esplorazioni e tentativi di commercializzare le riserve di scisto bituminoso dagli anni '60. La formazione del Green River comprende depositi da due grandi laghi che coprivano un'area stimata di oltre 65.000 chilometri quadrati (25.100 miglia quadrate) durante l'Eocene tra Medio Eto. Questi laghi erano separati dall'elevazione di Uinta e dall'anticlinazione del bacino assiale. Per periodi significativi durante la loro vita di 10 Ma, i laghi divennero sistemi chiusi permettendo molti cambiamenti di dimensioni, salinità e sedimentazione. La deposizione di scisti bituminosi derivava da abbondanti alghe blu-verdi che prosperavano nei laghi.

Lo scisto bituminoso che sta alla base di quasi 750.000 chilometri quadrati (289.580 miglia quadrati) negli Stati Uniti orientali si è formato in un ambiente di deposito marino, molto diverso dai bacini del Green River. Questi depositi hanno anche subito tentativi di commercializzazione; sono anche risorse per il gas naturale e sono state estratte per lo scisto bituminoso di bassa qualità. Questi scisti bituminosi si formarono durante il tardo Devoniano e il primo periodo Mississippiano. Durante questo periodo, gran parte degli Stati Uniti orientali era coperta da un grande mare poco profondo. Si pensa che lo scisto bituminoso sia stato il risultato della lenta deposizione di alghe planctoniche, in condizioni anossiche. In alcune parti del bacino vicino al litorale, la miscela organica che ha contribuito a formare lo scisto bituminoso contiene sedimenti ricchi di sostanze organiche provenienti dalle montagne appalachiane in aumento.

Formazioni in Brasile

Il Brasile ha nove posizioni significative di depositi di scisti bituminosi. Le dimensioni, l'ubicazione e la qualità dei depositi di scisti bituminosi nella valle del Paraíba e nella formazione di Irati hanno attirato maggiore attenzione. Questi due contengono circa 1,4 miliardi di barili di olio di scisto in situ con risorse totali fino a oltre tre miliardi di barili. Mentre il deposito della "formazione Irati" è il più piccolo dei due, contenente circa 600 milioni di barili in situ rispetto agli 840 milioni nella formazione della Valle Paraíba, il primo è economicamente più redditizio.

La formazione Irati è costituita da due letti di scisti bituminosi separati da 12 metri (40 piedi) di calcare e scisto. Lo strato superiore è più spesso (9 metri (30 piedi)) ma il letto inferiore più sottile (4 metri (10 piedi)) ha un valore maggiore; la percentuale in peso di olio di scisto resa è di circa il 12% per lo strato inferiore rispetto al 7% per quello superiore. La resa di scisto bituminoso varia lateralmente e può essere inferiore al 7% per lo strato inferiore e al 4% per lo strato superiore. La formazione è un deposito grana e laminato molto sottile di colore variabile dal grigio scuro al marrone al nero. Mentre il 60–70% dello scisto è costituito da minerali di argilla, l'equilibrio è costituito da materia organica.

Non è stato raggiunto un consenso sull'esatta natura deposizionale dello scisto bituminoso di Irati. Una teoria suggerisce che il materiale organico nello scisto bituminoso di Irati proviene da alghe depositate in un ambiente lacustre con salinità che varia da quella dell'acqua dolce all'acqua salmastra. Un'altra teoria suggerisce che il sedimento organico potrebbe essere stato depositato in un ambiente marino poco profondo, parzialmente limitato. La classificazione di Hutton lo descrive come uno scisto bituminoso di origine marina.

Formazione in Estonia

Lo scisto bituminoso di età kukersite dell'età di Ordoviciano in Estonia fa parte del bacino di scisto petrolifero baltico ed è stato depositato in ambienti marini poco profondi. Il deposito è uno dei depositi più alti al mondo con oltre il 40% di contenuto organico e il 66% di conversione in petrolio e gas di scisto. L'olio di scisto si trova in un unico strato calcareo di spessore da 2,5 a 3 metri (da 8,2 a 9,8 piedi) e viene sepolto a profondità da 7 a 100 metri (da 23 a 328 piedi). L'area totale del bacino è di circa 3.000 chilometri quadrati (1.200 miglia quadrate). La resa in petrolio di Kukersite è del 30-47%. La maggior parte della sostanza organica è derivata dall'alga verde fossile, Gloeocapsomorpha prisca , che ha affinità con il moderno cianobatterio, Entophysalis major , una specie esistente che forma stuoie di alghe nelle acque intertidali a acque subtidali molto poco profonde. I minerali della matrice includono il basso magnesio minerali di calcite, dolomite e siliciclastici. Non è arricchito con metalli pesanti.

riserve

Come rocce di origine per la maggior parte dei bacini petroliferi convenzionali, i depositi di scisti bituminosi si trovano in tutte le province petrolifere mondiali, sebbene la maggior parte di essi sia troppo profonda per essere sfruttata economicamente. Come per tutte le risorse di petrolio e gas, gli analisti distinguono tra risorse di scisti bituminosi e riserve di scisti bituminosi. "Risorse" si riferisce a tutti i depositi di scisto bituminoso, mentre "riserve" rappresenta quei depositi dai quali i produttori possono estrarre economicamente lo scisto bituminoso utilizzando la tecnologia esistente. Poiché le tecnologie di estrazione si sviluppano continuamente, i pianificatori possono solo stimare la quantità di cherogeno recuperabile. Sebbene le risorse di scisto bituminoso siano presenti in molti paesi, solo 33 paesi possiedono depositi noti di possibile valore economico. I depositi ben esplorati, potenzialmente classificabili come riserve, comprendono i depositi Green River negli Stati Uniti occidentali, i depositi terziari nel Queensland, in Australia, i depositi in Svezia ed Estonia, il deposito El-Lajjun in Giordania e i depositi in Francia, Germania, Brasile, Cina, Mongolia meridionale e Russia. Questi depositi hanno suscitato le aspettative di produrre almeno 40 litri di olio di scisto per tonnellata di olio di scisto, utilizzando il test Fischer.

Una stima del 2008 ha fissato le risorse mondiali totali di scisto bituminoso a 689 gigatoni, equivalenti alla resa di 4,8 trilioni di barili (760 miliardi di metri cubi) di olio di scisto, con le maggiori riserve negli Stati Uniti, che si ritiene abbiano 3,7 trilioni di barili ( 590 miliardi di metri cubi), sebbene solo una parte di essa sia recuperabile. Secondo il World Energy Outlook 2010 dell'Agenzia internazionale dell'energia, le risorse mondiali di scisto bituminoso potrebbero essere equivalenti a più di 5 trilioni di barili (790 miliardi di metri cubi) di petrolio al posto dei quali più di 1 trilione di barili (160 miliardi di metri cubi) può essere tecnicamente recuperabile. Per fare un confronto, le riserve petrolifere convenzionali comprovate al mondo sono state stimate a 1.317 trilioni di barili (209,4 × 10 ^ 9 m3), dal 1 ° gennaio 2007. I più grandi depositi commerciali conosciuti al mondo si verificano negli Stati Uniti nella Green River Formation, che copre porzioni di Colorado, Utah e Wyoming; circa il 70% di questa risorsa si trova su terreni di proprietà o gestiti dal governo federale degli Stati Uniti. I depositi negli Stati Uniti costituiscono il 62% delle risorse mondiali; insieme, gli Stati Uniti, la Russia e il Brasile rappresentano l'86% delle risorse mondiali in termini di contenuto di olio di scisto. Queste cifre rimangono provvisorie, con l'esplorazione o l'analisi di diversi depositi ancora in sospeso. Il professor Alan R. Carroll dell'Università del Wisconsin-Madison considera i depositi lacustri di scisto bituminoso dell'Alto Permiano nella Cina nord-occidentale, assenti dalle precedenti valutazioni globali di scisto bituminoso, di dimensioni comparabili alla Formazione del Green River.