Skip to main content
Global

16.1: أنواع الوقود الأحفوري والتكوين

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    169263

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

    الوقود الأحفوري هو مصادر غير متجددة للطاقة تتكون من المواد العضوية للنباتات والكائنات الحية الدقيقة التي عاشت منذ ملايين السنين. تم التقاط هذه الطاقة في الأصل عن طريق التمثيل الضوئي بواسطة الكائنات الحية مثل النباتات والطحالب وبكتيريا التمثيل الضوئي. يُعرف هذا أحيانًا باسم الطاقة الشمسية الأحفورية حيث تم تحويل طاقة الشمس في الماضي إلى طاقة كيميائية داخل الوقود الأحفوري. كما تمت مناقشته في سلاسل الغذاء والشبكات الغذائية والمواد، تخزن الجزيئات العضوية الطاقة الكيميائية، والتي يتم إطلاقها عندما تنكسر روابط الطاقة العالية (الأقل استقرارًا) في هذه الجزيئات لتكوين روابط ذات طاقة أقل (أكثر استقرارًا). الوقود الأحفوري غير قابل للتجديد لأن تكوينه استغرق ملايين السنين. علاوة على ذلك، سمحت الإنتاجية العالية في البيئة القديمة بمزيد من تراكم الوقود الأحفوري، مما يعني أن احتياطيات الوقود الأحفوري المتاحة الآن لا يمكن بالضرورة تجديدها ملايين السنين في المستقبل.

    يتكون الوقود الأحفوري بشكل أساسي من الهيدروكربونات (جزيئات الكربون والهيدروجين فقط)، ولكنه يحتوي على كميات أقل من النيتروجين والكبريت والأكسجين وعناصر أخرى أيضًا. تختلف الهياكل الكيميائية الدقيقة اعتمادًا على نوع الوقود الأحفوري (الفحم أو النفط أو الغاز الطبيعي). تميل الجزيئات في الفحم إلى أن تكون أكبر من تلك الموجودة في النفط والغاز الطبيعي. وبالتالي يكون الفحم صلبًا في درجة حرارة الغرفة، والزيت سائل، والغاز الطبيعي في مرحلة غازية. على وجه التحديد، الفحم هو وقود أحفوري صلب أسود أو بني داكن يوجد كطبقات فحم في طبقات الصخور المتكونة من نباتات المستنقعات القديمة. يعتبر كل من النفط والغاز الطبيعي من الوقود الأحفوري الموجود تحت الأرض والذي يتكون من الكائنات الحية الدقيقة البحرية. النفط (البترول) هو وقود أحفوري سائل ويتكون من مجموعة متنوعة من الهيدروكربونات بينما الغاز الطبيعي هو وقود أحفوري غازي يتكون في الغالب من الميثان والهيدروكربونات الصغيرة الأخرى.

    الفحم

    الفحم هو نتاج المستنقعات المتحجرة، على الرغم من أن بعض رواسب الفحم القديمة التي تسبق النباتات الأرضية يُفترض أنها تأتي من تراكم الطحالب. يتكون الفحم عندما يتم دفن المواد النباتية وتسخينها وضغطها في ظروف تفتقر إلى الأكسجين على مدى فترة طويلة من الزمن (الشكل\(\PageIndex{a}\)). منذ ملايين السنين، كانت القارات في مواقع مختلفة ذات مناخات مختلفة، وغطت النباتات الشبيهة بالمستنقعات العديد من المناطق. عندما مات الغطاء النباتي، لم يكن من الممكن أن يتحلل بالكامل بسبب ظروف نقص الأكسجين. بدلاً من ذلك، شكلت الجفت (مادة بنية عالية المحتوى العضوي). تم دفن الخث وتشكيل الفحم بعد ملايين السنين من الضغط العالي ودرجة الحرارة. كان الضغط من وزن الرواسب وكذلك من الاصطدامات القارية.

    عملية تكوين الفحم في ثلاث خطوات تظهر دفن نباتات المستنقعات
    الشكل\(\PageIndex{a}\): تم تشكيل الفحم عندما ماتت النباتات الكبيرة في المستنقعات منذ 300 مليون سنة (قبل الديناصورات). على مدى ملايين السنين، تم دفن هذا الغطاء النباتي تحت الماء والأوساخ (منذ 100 مليون سنة). في النهاية، حولت الحرارة والضغط النباتات الميتة إلى فحم، يوجد تحت طبقات من الصخور والأوساخ. صورة من إدارة معلومات الطاقة الأمريكية/المشروع الوطني لتطوير تعليم الطاقة (المجال العام).

    هناك عدة أنواع مختلفة من الفحم تتراوح في الجودة (الشكل\(\PageIndex{b}\)). كلما زادت الحرارة والضغط الذي يتعرض له الفحم أثناء التكوين، زادت قيمة الوقود وكلما كان الفحم مرغوبًا فيه. التسلسل العام للمستنقع الذي يتحول إلى مراحل مختلفة من الفحم هو كما يلي:

    المستنقع ← الخث ← الليغنيت ← الفحم شبه البيتوميني ← الفحم البيتوميني ← الفحم الأنثراسي ← الجرافيت

    رسم بياني يوضح أنواع الفحم كدالة لمحتوى الطاقة ومحتوى الكربون
    الشكل\(\PageIndex{b}\): تعتمد تصنيفات الفحم على محتوى الطاقة، ويتم قياسه بالقيمة الحرارية الإجمالية (مقدار الطاقة المنبعثة من الاحتراق) ومحتوى الكربون الذي يمكن حرقه (النسبة المئوية للكربون الثابت). الفحم الأنثراسي (البرتقالي) هو الفحم الأعلى جودة، مع محتوى عالي من الطاقة والكربون. التالي في الجودة هو الفحم البيتوميني (الرمادي) والفحم شبه البيتوميني (الأخضر) والليجنيت (الأصفر). تحتوي الثلاثة على نسبة أقل من الكربون من الفحم الأنثراسي. يحتفظ الفحم البيتوميني بمحتوى عالي من الطاقة، لكن الفحم شبه البيتوميني والليغنيت يحتويان على محتوى أقل من الطاقة. الصورة من قبل USGS (المجال العام).

    على وجه التحديد، يتكاتف الخث لتشكيل الصخور الصلبة من خلال عملية تسمى التحلل، وإنتاج الليغنيت (الفحم البني، وهو شكل منخفض الجودة من الفحم). مع زيادة الحرارة والضغط، يتحول الليغنيت إلى الفحم شبه البيتوميني والفحم البيتوميني. يعتبر الليغنيت والفحم شبه البيتوميني والفحم البيتوميني صخورًا رسوبية لأنها تتكون من رواسب مضغوطة. عند ارتفاع درجة الحرارة والضغط، يتحول الفحم البيتوميني إلى أنثراسايت، وهو فحم عالي الجودة يعد الفحم الأكثر طلبًا لأنه يوفر أعلى إنتاج للطاقة (الشكل\(\PageIndex{c}\)). يعتبر أنثراسيت صخورًا متحولة لأنه تم ضغطه وتحويله إلى درجة أنه أكثر كثافة من أشكال الفحم الأخرى ولم يعد يحتوي على طبقات تشبه الصفائح من الرواسب. مع المزيد من الحرارة والضغط الذي يطرد جميع المكونات التي تتبخر بسهولة وتترك الكربون النقي، يمكن أن يتحول الأنثراسيت إلى الجرافيت.

    صخرة سوداء لامعة
    الشكل\(\PageIndex{c}\): الفحم الأنثراسي، أعلى درجة من الفحم.

    النفط والغاز

    يتكون النفط والغاز الطبيعي من الكائنات الحية الدقيقة البحرية القديمة (العوالق). عندما ماتت العوالق، تم دفنها في الرواسب. كما هو الحال مع الفحم، أدت الظروف الفقيرة للأكسجين إلى الحد من التحلل. ومع استمرار تراكم الرواسب، تم دفن الكائنات الحية الميتة مرة أخرى. أدى ارتفاع درجة الحرارة والضغط على مدى ملايين السنين في النهاية إلى إنتاج النفط والغاز الطبيعي من هذه الكائنات الحية الميتة.

    تكوين البترول والغاز الطبيعي في ثلاث خطوات. تم دفن الكائنات الحية الدقيقة البحرية وتعرضها للحرارة العالية والضغط.
    الشكل\(\PageIndex{d}\): تم تشكيل البترول (النفط) والغاز الطبيعي من الكائنات الحية الدقيقة البحرية. (يشير نص الصورة إلى نباتات بحرية صغيرة، لكنها كانت في الأساس عبارة عن طحالب وبكتيريا التمثيل الضوئي بدلاً من النباتات.) تمت تغطيتها بطبقات من الطمي والرمل منذ 300-400 مليون سنة. على مدى ملايين السنين، تم دفن البقايا بشكل أعمق وأعمق. تم تصويرهم منذ 100 مليون سنة. حولت الحرارة والضغط الهائل البقايا إلى نفط وغاز طبيعي. الآن، توجد رواسب النفط والغاز الطبيعي تحت الأرض ويمكن استخراجها عن طريق الحفر عبر طبقات الرمل والطمي والصخور. صورة من إدارة معلومات الطاقة الأمريكية/المشروع الوطني لتطوير تعليم الطاقة (المجال العام).

    عندما تتشكل الصخور من الرواسب التي كانت تحبس العوالق في الأصل، يتسرب النفط والغاز من صخور المصدر بسبب زيادة الضغط ودرجة الحرارة، ويهاجر إلى وحدة صخرية مختلفة أعلى في العمود الصخري. إذا كانت الصخرة عبارة عن صخور مسامية وقابلة للنفاذ، فيمكن أن تعمل هذه الصخرة كخزان للنفط والغاز. عادة ما يوجد البترول على بعد ميل أو ميلين (1.6 - 3.2 كم) تحت سطح الأرض، سواء كان ذلك على الأرض أو المحيط.

    المصيدة هي مزيج من بنية جيولوجية تحت سطح الأرض وطبقة منيعة تساعد على منع حركة النفط والغاز وتركيزها لاستخراجه البشري لاحقًا. تجمع المصائد الوقود الأحفوري السائل في تكوين يكون فيه الاستخراج أكثر ربحية، ويسمى هذا الوقود الأحفوري النفط التقليدي والغاز الطبيعي (الشكل\(\PageIndex{e}\)). يعتبر استخراج النفط أو الغاز خارج المصيدة (النفط غير التقليدي والغاز الطبيعي) أقل كفاءة وأكثر تكلفة؛ في بعض الأحيان لا يكون مجديًا اقتصاديًا على الإطلاق (لا يحقق ربحًا). تشمل أمثلة الوقود الأحفوري غير التقليدي الصخر الزيتي والنفط والغاز المشدود ورمال القطران (الرمال النفطية) والميثان الموجود في طبقة الفحم.

    قسم من الأرض يُظهر احتياطيات النفط والغاز الطبيعي المختلفة، بعضها تقليدي وبعضها غير تقليدي.
    الشكل\(\PageIndex{e}\): ترسبات النفط والغاز الطبيعي التقليدية محاصرة تحت صخور منيعة (رمادية). قد يرتبط الغاز الطبيعي التقليدي بالنفط أو غير المصاحب. يعتبر الميثان الموجود في طبقة الفحم والغاز المحكم الموجود في الصخر الزيتي والحجر الرملي أمثلة على الوقود الأحفوري غير التقليدي. صورة من USGS/EIA (المجال العام)

    الصخر الزيتي

    الصخر الزيتي عبارة عن صخور رسوبية دقيقة الحبيبات تحتوي أحيانًا على مادة الكيروجين، وهي مادة صلبة يمكن تصنيع المنتجات البترولية منها في النهاية. من أجل استخراج الوقود الأحفوري، يجب استخراج المواد وتسخينها، وهو أمر مكلف وعادة ما يكون له تأثير سلبي على البيئة.

    النفط المكثف والغاز الطبيعي

    كما يتم حبس النفط والغاز الطبيعي المشدود في الصخور الصخرية والصخور الرسوبية ذات الحبيبات الدقيقة ذات المسامية العالية نسبيًا والنفاذية المنخفضة. وهي تختلف عن الصخر الزيتي في أنه يمكن استخراجها من خلال عملية تسمى التكسير الهيدروليكي (التكسير الهيدروليكي).

    وبالمثل، يمكن استخدام التكسير الهيدروليكي لاستخراج الغاز الطبيعي من الرمال الضيقة، وهي عبارة عن أحجار رملية أو كربونات حاملة للغاز وذات حبيبات دقيقة (صخور مصنوعة من معادن تحتوي على كربونات، ثاني أكسيد الكربون -) ذات نفاذية منخفضة.

    تار ساندز

    رمال القطران، أو الرمال النفطية، هي أحجار رملية تحتوي على منتجات بترولية شديدة اللزوجة (مثل القطران)، وبالتالي لا يمكن حفرها وضخها خارج الأرض، على عكس النفط التقليدي (الشكل\(\PageIndex{f}\)). الوقود الأحفوري المعني هو البيتومين، الذي لا يمكن ضخه كسائل إلا بمعدلات استرداد منخفضة جدًا وفقط عند تسخينه أو خلطه بالمذيبات. وبالتالي، يمكن استخدام حقن البخار والمذيبات أو تعدين رمال القطران للمعالجة اللاحقة لاستخراج القطران من الرمال. (انظر المعلومات ذات الصلة حول التعدين الشريطي فيما يتعلق بالفحم في التعدين والمعالجة وتوليد الكهرباء.) من المعروف أن ألبرتا، كندا لديها أكبر احتياطي من رمال القطران في العالم.

    الحجر الرملي له مظهر حبيبي وهو أسود مع القطران.
    الشكل\(\PageIndex{f}\): الحجر الرملي القطران من تكوين مونتيري الميوسيني بكاليفورنيا.

    ميثان طبقة الفحم

    يوجد أيضًا بعض الغاز الطبيعي المرتبط بترسبات الفحم (ميثان طبقة الفحم)، والتي تتكون من الميثان المنتج أثناء تكوين الفحم.

    الإسناد

    تم تعديله بواسطة Melissa Ha من المصادر التالية: