Skip to main content
Global

16.1: סוגי דלקים מאובנים והיווצרות

  • Page ID
    209337
  • \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

    דלקים מאובנים הם מקורות אנרגיה בלתי מתחדשים הנוצרים מהחומר האורגני של צמחים ומיקרואורגניזמים שחיו לפני מיליוני שנים. אנרגיה זו נלכדה במקור באמצעות פוטוסינתזה על ידי אורגניזמים חיים כגון צמחים, אצות וחיידקים פוטוסינתטיים. לפעמים זה מכונה אנרגיה סולארית מאובנת מכיוון שאנרגיית השמש בעבר הוסבה לאנרגיה הכימית בתוך דלק מאובנים. כפי שנדון ב שרשראות מזון וקורי מזון וחומר, המולקולות האורגניות אוגרות אנרגיה כימית, המשתחררת כאשר קשרי האנרגיה הגבוהים יותר (פחות יציבים) במולקולות אלו נשברים ליצירת קשרים אנרגיים נמוכים יותר (יציבים יותר). דלקים מאובנים אינם ניתנים לחידוש מכיוון שהיווצרותם ארכה מיליוני שנים. יתר על כן, פרודוקטיביות גבוהה יותר בסביבה העתיקה אפשרה הצטברות רבה יותר של דלק מאובנים, כלומר מאגרי הדלק המאובנים הזמינים כעת לא בהכרח יתחדשו מיליוני שנים בעתיד.

    דלקים מאובנים מורכבים בעיקר מפחמימנים (מולקולות של פחמן ומימן בלבד), אך הם מכילים כמויות פחותות חנקן, גופרית, חמצן ואלמנטים אחרים גם כן. המבנים הכימיים המדויקים משתנים בהתאם לסוג הדלק המאובנים (פחם, נפט או גז טבעי). המולקולות בפחם נוטות להיות גדולות יותר מאלו של נפט וגז טבעי. לפיכך הפחם מוצק בטמפרטורת החדר, הנפט נוזלי והגז הטבעי נמצא בשלב גזי. באופן ספציפי, פחם הוא דלק מאובנים מוצק שחור או חום כהה שנמצא כתפרי פחם בשכבות סלע הנוצרות מצמחיית ביצות עתיקה. גם נפט וגם גז טבעי הם דלקים מאובנים שנמצאים מתחת לאדמה שנוצרו ממיקרואורגניזמים ימיים. נפט (נפט) הוא דלק מאובנים נוזלי ומורכב ממגוון פחמימנים ואילו n גז טבעי הוא דלק מאובנים גזי המורכב בעיקר מתאן ופחמימנים קטנים אחרים.

    פחם

    פחם הוא תוצר של ביצות מאובנות, אם כי יש להניח כי כמה מרבצי פחם ישנים שקדמו לצמחים יבשתיים מגיעים מהצטברות אצות. פחם נוצר כאשר חומר צמחי נקבר, מחומם ודחוס בתנאים דלים בחמצן לאורך תקופה ארוכה (איור\(\PageIndex{a}\)). לפני מיליוני שנים, יבשות היו במקומות שונים עם אקלים שונה, וצמחייה דמוית ביצה כיסתה אזורים רבים. כאשר הצמחייה מתה, היא לא הצליחה להתפרק לחלוטין בגלל תנאים דלים בחמצן. במקום זאת, הוא יצר כבול (חומר חום גבוה בתוכן אורגני). הכבול נקבר ויצר פחם לאחר מיליוני שנים של לחץ וטמפרטורה גבוהים. הלחץ היה ממשקל המשקעים כמו גם מהתנגשויות יבשתיות.

    תהליך היווצרות הפחם בשלושה שלבים, המראה קבורה של צמחיית ביצות
    איור\(\PageIndex{a}\): פחם נוצר כאשר צמחים גדולים בביצות מתו לפני 300 מיליון שנה (לפני הדינוזאורים). במשך מיליוני שנים נקברה צמחיה זו מתחת למים ולכלוך (לפני 100 מיליון שנה). בסופו של דבר, חום ולחץ הפכו את הצמחים המתים לפחם, שנמצא מתחת לשכבות של סלע ולכלוך. תמונה ממנהל המידע לאנרגיה בארה"ב/הפרויקט הלאומי לפיתוח חינוך לאנרגיה (נחלת הכלל).

    ישנם מספר סוגים שונים של פחם החל באיכות (איור\(\PageIndex{b}\)). ככל שהפחם עובר יותר חום ולחץ במהלך היווצרותו, כך ערך הדלק שלו גדול יותר והפחם רצוי יותר. הרצף הכללי של ביצה שהופכת לשלבי הפחם השונים הוא כדלקמן:

    ביצה → כבול → ליגניט → פחם סוביטומני → פחם ביטומני → פחם אנתרציטי → גרפיט

    גרף המציג סוגי פחם כפונקציה של תכולת האנרגיה ותכולת הפחמן
    איור\(\PageIndex{b}\): דירוג הפחם תלוי בתכולת האנרגיה, הנמדדת כערך קלורי ברוטו (כמה אנרגיה משתחררת מהבעירה) ובתכולת הפחמן שניתן לשרוף (אחוז הפחמן הקבוע). פחם אנתרקטי (כתום) הוא הפחם האיכותי ביותר, עם תכולת אנרגיה ופחמן גבוהה. הבא באיכותו הוא פחם ביטומני (אפור), פחם תת-ביטומני (ירוק) וליגניט (צהוב). לשלושתם יש פחות תכולת פחמן מאשר פחם אנתרקטי. פחם ביטומני שומר על תכולת אנרגיה גבוהה, אך לפחם וליגניט תת-ביטומני יש תכולת אנרגיה נמוכה יותר. תמונה מאת USGS (נחלת הכלל).

    באופן ספציפי, כבול נדחס ליצירת סלע מוצק בתהליך הנקרא ליטיפיקציה, ומייצר ליגניט (פחם חום, צורת פחם באיכות נמוכה). עם עליית החום והלחץ, ליגניט פונה לפחם תת-ביטומני ופחם ביטומני. ליגניט, פחם תת-ביטומני ופחם ביטומני נחשבים לסלעי משקע מכיוון שהם ממשקעים דחוסים. בחום ולחץ גבוהים מאוד, פחם ביטומני הופך לאנתרציט, פחם בדרגה גבוהה שהוא הפחם הרצוי ביותר מכיוון שהוא מספק את תפוקת האנרגיה הגבוהה ביותר (איור). \(\PageIndex{c}\) אנתרציט נחשב לסלע מטמורפי מכיוון שהוא נדחס והפך במידה שהוא צפוף יותר משאר צורות הפחם ואינו מכיל עוד שכבות משקעים דמויי יריעות. עם עוד יותר חום ולחץ שמוציאים את כל הרכיבים שמתאדים בקלות ומשאירים פחמן טהור, אנתרציט יכול להפוך לגרפיט.

    סלע שחור ומבריק
    איור\(\PageIndex{c}\): פחם אנתרקטי, דרגת הפחם הגבוהה ביותר.

    נפט וגז

    נפט וגז טבעי הנוצרים ממיקרואורגניזם ימי עתיק (פלנקטון). כאשר פלנקטון מת, הם נקברו במשקעים. כמו בפחם, תנאים דלים בחמצן הגבילו את הפירוק. ככל שהמשקעים המשיכו להצטבר, האורגניזמים המתים נקברו עוד יותר. טמפרטורה ולחץ גבוהים לאורך מיליוני שנים הפיקו בסופו של דבר נפט וגז טבעי מאורגניזמים מתים אלה.

    היווצרות נפט וגז טבעי בשלושה שלבים. מיקרואורגניזמים ימיים נקברו ונחשפו לחום ולחץ גבוהים.
    איור\(\PageIndex{d}\): נפט (נפט) וגז טבעי נוצרו ממיקרואורגניזמים ימיים. (טקסט התמונה מזכיר צמחים ימיים זעירים, אך הם היו בעיקר אצות וחיידקים פוטוסינתטיים ולא צמחים.) אלה כוסו בשכבות של סחף וחול לפני 300-400 מיליון שנה. במשך מיליוני שנים, השרידים נקברו עמוק יותר ויותר. הם צולמו לפני 100 מיליון שנה. החום והלחץ העצומים הפכו את השרידים לנפט וגז טבעי. כעת, מרבצי נפט וגז טבעי נמצאים מתחת לאדמה וניתן לחלץ אותם באמצעות קידוח בשכבות החול, הסחף והסלע. תמונה ממנהל המידע לאנרגיה בארה"ב/הפרויקט הלאומי לפיתוח חינוך לאנרגיה (נחלת הכלל).

    כאשר הסלע נוצר מהמשקעים שלכדו במקור את הפלנקטון, הנפט והגז דולפים מתוך סלע המקור עקב הלחץ והטמפרטורה המוגברים, ונודדים ליחידת סלע אחרת הגבוהה יותר בעמוד הסלע. אם הסלע הוא סלע נקבובי וחדיר, אז הסלע הזה יכול לשמש מאגר לנפט ולגז. נפט נמצא בדרך כלל במרחק של 1.6 עד 3.2 ק"מ מתחת לפני כדור הארץ, בין אם זה ביבשה או באוקיאנוס.

    מלכודת היא שילוב של מבנה גיאולוגי תת קרקעי ושכבה אטומה המסייעת לחסום את תנועת הנפט והגז ומרכזת אותו למיצוי אנושי מאוחר יותר. מלכודות מאגדות את הדלקים המאובנים הנוזלים לתצורה שבה סביר יותר שהמיצוי יהיה רווחי, ודלקים מאובנים כאלה נקראים נפט וגז טבעי קונבנציונאלי (איור\(\PageIndex{e}\)). הפקת נפט או גז מחוץ למלכודת (נפט וגז טבעי לא שגרתיים) פחות יעילה ויקרה יותר; לפעמים זה בכלל לא משתלם כלכלית (לא מניב רווח). דוגמאות לדלקים מאובנים לא שגרתיים כוללים פצלי נפט, נפט וגז הדוקים, חולות זפת (חולות נפט) ומתאן פחם.

    קטע כדור הארץ המציג מאגרי נפט וגז טבעי שונים, חלקם קונבנציונליים וחלקם לא שגרתיים.
    איור\(\PageIndex{e}\): מרבצי נפט וגז טבעי קונבנציונליים נלכדים מתחת לסלע אטום (אפור). גז טבעי קונבנציונאלי עשוי להיות קשור לנפט או לא קשור. מתאן פחם וגז הדוק המצויים בפצלים ובאבן חול הם דוגמאות לדלקים מאובנים לא שגרתיים. תמונה מ- USGS/EIA (נחלת הכלל)

    פצלי שמן

    פצלי שמן הם סלע משקע עדין המכיל לעיתים קרוגן, חומר מוצק ממנו ניתן לייצר בסופו של דבר מוצרי נפט. על מנת לחלץ את הדלקים המאובנים, יש לכרות ולחמם את החומר, שהוא יקר ובדרך כלל משפיע לרעה על הסביבה.

    נפט הדוק וגז טבעי

    נפט הדוק וגז טבעי נלכדים גם בסלע פצלי, סלעי משקע עדינים עם נקבוביות גבוהה יחסית וחדירות נמוכה. הם נבדלים מפצלי שמן בכך שניתן לחלץ אותם בתהליך הנקרא שבר הידראולי (fracking).

    באופן דומה, fracking יכול לשמש כדי לחלץ גז טבעי מחולות הדוקים, שהם אבני חול נושאות גז, גרגר דק או פחמתי (סלעים עשויים מינרלים המכילים פחמתי, CO 3 2 -) עם חדירות נמוכה.

    חולות טאר

    חולות זפת, או חולות נפט, הם אבני חול המכילות מוצרי נפט שהם צמיגים מאוד (כמו זפת), ולכן לא ניתן לקדוח ולשאוב אותם מהאדמה, בניגוד לשמן קונבנציונאלי (איור\(\PageIndex{f}\)). הדלק המאובנים המדובר הוא ביטומן, אשר ניתן לשאוב כנוזל רק בשיעורי התאוששות נמוכים מאוד ורק כאשר מחומם או מעורבב עם ממיסים. לכן, זריקות של קיטור ממס או כרייה של חולות זפת לעיבוד מאוחר יותר ניתן להשתמש כדי לחלץ את הזפת מן החולות. (ראה מידע קשור על כריית רצועות ביחס לפחם בכרייה, עיבוד וייצור חשמל.) אלברטה, קנדה ידועה כבעלת השמורות הגדולות ביותר של חולות זפת בעולם.

    אבן החול בעלת מראה גרגירי והיא שחורה עם זפת.
    איור\(\PageIndex{f}\): אבן חול זפת מתצורת המיוקן מונטריי בקליפורניה.

    מתאן פחם

    חלק מהגז הטבעי נמצא גם קשור למרבצי פחם (מתאן פחם), המורכב מתאן המיוצר במהלך היווצרות פחם.

    ייחוסים

    שונה על ידי מליסה הא מהמקורות הבאים: