سنگ شیل چیست و چرا مطالعه آن مهم است؟

شیل (Shale) نوعی سنگ رسوبی بسیار ریزدانه با ساختار لایه لایه است که عمدتاً از کانی های رسی (30%) و مقادیر قابل توجهی کوارتز تشکیل شده است. اندازۀ کانی های تشکیل دهندۀ این سنگ 0.0039 میلیمتر و کوچکتر است. کانی‌های اصلی تشکیل دهندۀ شیل، شامل کانی‌های رسی مثل ایلیت، کائولینیت و اسمکتیت و کوارتز است. همچنین می‌تواند حاوی مقادیر کمتری کربنات، فلدسپار، اکسید آهن، فسیل و مواد آلی باشد. Shale فراوان‌ترین سنگ رسوبی است و تقریباً 70 درصد سنگ‌های پوسته زمین را تشکیل می‌دهد. این سنگ معمولاً در اقیانوس‌های عمیق، حوضه‌های دریاهای کم‌عمق، دشت‌های سیلابی رودخانه‌ای و پلایاها شکل می‌گیرد. رنگ آن می‌تواند سیاه، خاکستری، قهوه‌ای، قرمز، زرد و سبز باشد. این تنوع رنگی به فراوانی و نوع کانی‌های فرعی‌ موجود در سنگ بستگی دارد. از کاربردهای سنگ شیل، می‌توان به استفاده از آن در صنعت کاشی و سرامیک، ساخت سفال و استخراج نفت و گاز از آن اشاره کرد.

سنگ شیل چیست؟

شیل (Shale) یک سنگ رسوبی آواری بسیار ریزدانه است که وقتی گل، لای و ذرات معدنی به اندازه رس، در یک حوضۀ رسوبی ته نشین و فشرده می‌شوند، تشکیل می‌شود. Shale با ساختار لایه لایه یا چینه‌بندی شده ظریف مشخص می‌شود و فراوان‌ترین سنگ رسوبی است. Shale از تراکم کانی هایی به اندازه سیلت و رس که ما معمولاً آنها را “گل” می‌نامیم، تشکیل می‌شود. این ترکیب، شیل را در دسته‌ای از سنگ‌های رسوبی قرار می‌دهد که به عنوان “گل‌سنگ” شناخته می‌شوند.

سنگ شیل به دلیل شکافت‌پذیر و لایه لایه بودن از سایر گل‌سنگ‌ها متمایز است. «لایه لایه» به این معنی است که سنگ از لایه‌های نازک زیادی تشکیل شده است. «شکاف‌پذیر» به این معنی است که سنگ به راحتی در امتداد لایه‌ها به قطعات نازک تقسیم می‌شود.

Shale ها اغلب با لایه‌هایی از ماسه‌سنگ یا سنگ آهک یافت می‌شوند. آن‌ها معمولاً در محیط‌هایی تشکیل می‌شوند که گل، لای و سایر رسوبات توسط جریان‌های ملایم حمل و نقل ته‌نشین شده و فشرده شده‌اند. محیط هایی مانند کف اقیانوس‌های عمیق، حوضه‌های دریاهای کم‌عمق، دشت‌های سیلابی رودخانه‌ای و پلایاها. شیل‌ها عمدتاً به صورت صفحات گسترده با ضخامت چندین متر وجود دارند؛ برخی از آن‌ها نیز در سازندهای عدسی شکل ایجاد می‌شوند.

شیل می‌تواند حاوی مقادیر مختلفی از مواد آلی باشد، بنابراین پتانسیل تبدیل شدن به سنگ منشأ هیدروکربن را دارد. اندازه منافذ مخازن Shale از نانومتر تا میکرومتر متغیر است. هیدروکربن‌های موجود در برخی از مخازن شیل را می‌توان با استفاده از شکست هیدرولیکی استخراج کرد.

ترکیب سنگ شیل؛ کانی ها و مواد تشکیل دهنده

در اینجا، کانی ها و ذرات تشکیل دهندۀ سنگ شیل معرفی شده است. آنچه در مورد همۀ کانی ها و مواد معدنی تشکیل دهندۀ این سنگ صدق می‌کند، اندازۀ ذرات آن است. به این صورت که تمامی کانی‌هایی که shale را تشکیل می‌دهند، اندازه‌هایی در حد سیلت (0.0039mm) و رس دارند. Shale از کانی های زیر تشکیل شده است:

1. کانی‌های رسی مانند ایلیت، کائولینیت و اسمکتیت؛ این کانی‌ها معمولاً 30 درصد ترکیب سنگ شیل را در بر می‌گیرند.
2. شیل معمولاً حاوی ذرات کانی دیگری در اندازه رس مانند کوارتز، چرت و فلدسپار است.
3. سایر ترکیبات ممکن است شامل ذرات آلی، فسیل، کانی‌های کربناتی، کانی‌های اکسید آهن، کانی‌های سولفیدی و دانه‌های کانی سنگین باشد. نوع ترکیبات فرعی shale، اغلب توسط محیط رسوب آن تعیین می‌شود و اغلب رنگ سنگ را تعیین می‌کند.

ترکیب برخی از shaleها‌ غنی از مواد آلی است. به این شیل ها، شیل‌ نفتی گفته می‌شود. آن‌ها حاوی کروژن به مقدار کافی زیاد هستند که در صورت قرار گرفتن در معرض گرمای شدید، نفت تولید می‌کنند. کروژن مخلوطی شیمیایی پیچیده از هیدروکربن‌های جامد مشتق شده از مواد گیاهی و حیوانی است.

رنگ Shale ها

رنگ شیل‌ها در درجه اول توسط ترکیب آنها تعیین می‌شود. همانطور که در بالا بیان شد، زمانی که کانی ها و مواد فرعی به ترکیب اصلی این سنگ راه پیدا کرده و وارد شوند، رنگ آن را تغییر می‌دهند. بسته به اینکه چه کانی یا ماده ای وارد ترکیب اصلی شود، رنگ های مختلفی ایجاد می‌شود. به عنوان مثال، تنها چند درصد مواد آلی یا آهن می‌تواند رنگ سنگ را به طور قابل توجهی تغییر دهد. به طور کلی، هرچه محتوای آلی شیل بیشتر باشد، رنگ آن تیره‌تر است.

سنگ شیل سیاه و خاکستری

در سنگ‌های رسوبی، رنگ سیاه نشان‌دهنده وجود مواد آلی است. تنها یک یا دو درصد مواد آلی می‌تواند رنگ خاکستری تیره یا سیاه به سنگ بدهد. می‌توان گفت رنگ سیاه همواره نشان می‌دهد که شیل از ته نشینیِ رسوب در محیطی با اکسیژن کم تشکیل شده است. هر اکسیژنی که وارد محیط می‌شد، به سرعت با بقایای آلی در حال پوسیدگی واکنش نشان می‌داد. اگر در محیط مقدار زیادی اکسیژن وجود می‌داشت، تمام بقایای آلی تجزیه می‌شدند. یک محیط فقیر از اکسیژن همچنین شرایط مناسبی را برای تشکیل کانی‌های سولفیدی مانند پیریت فراهم می‌کند. پیریت از کانی‌های مهم موجود در اکثر شیل‌های سیاه است.

شیل بارنت، مارسلوس، هاینزویل و شیل فایتویل، مثال هایی از سنگ شیل‌ سیاه یا خاکستری تیره هستند که گاز طبیعی تولید می‌کنند. Shale باکن داکوتای شمالی و shale ایگل فورد تگزاس نیز نمونه‌هایی از سنگ شیل سیاه و خاکستری تیره هستند که نفت تولید می‌کنند. گاه مقدار مواد آلی شیل‌های خاکستری کم است. علاوه بر مواد آلی، کانی های آهکی و رسی نیز می‌توانند منجر به رنگ خاکستری در shale شوند.

سنگ shale قرمز، قهوه‌ای و زرد

شیل‌هایی که در محیط‌های غنی از اکسیژن تشکیل شوند، اغلب حاوی ذرات ریز اکسید آهن یا هیدروکسید آهن مانند هماتیت، گوتیت یا لیمونیت هستند. حضور تنها چند درصد از این کانی‌ها، می‌تواند رنگ‌های قرمز، قهوه‌ای یا زرد در شیل ایجاد کند.

هماتیت می‌تواند رنگ Shale را قرمز کند.

وجود لیمونیت یا گوتیت می‌تواند شیل زرد یا قهوه‌ای ایجاد کند.

وجود هماتیت و لیمونیت (اکسید آهن هیدراته) باعث ایجاد رنگ مایل به قرمز و بنفش می‌شود.

کانی های حاوی آهن دو ظرفیتی، رنگ‌های آبی، سبز و سیاه را ایجاد می‌کنند.

شیل‌های آهکی (آن‌هایی که درصد زیادی کلسیت دارند) به رنگ خاکستری روشن یا زرد هستند.

شیل سبز

شیل‌های سبز نیز وجود دارد اما فراوانی آن ها به اندازۀ سایر رنگ ها که در بالا بیان شد، نیست. برخی از کانی‌های رسی که بخش عمده‌ای از حجم این سنگ‌ها را تشکیل می‌دهند به رنگ سبز هستند. حضور برخی از میکاهای سبز نیز عامل رنگ سبز شیل ها می‌گردد.

ویژگی های سنگ و خاک shale

هر سنگی ویژگی های خاصی دارد که به شناخت آن کمک می‌کند و با آن ویژگی‌ها شناخته می‌شود. مشخصه هایی که به شناسایی shale ها کمک می‌کند به صورت زیر است.

• سنگ شیل به قطعات نازک با لبه‌های تیز تقسیم می‌شود.
• در طیف وسیعی از رنگ‌ها از جمله قرمز، قهوه‌ای، سبز، خاکستری و سیاه یافت می‌شود.
• این سنگ رایج‌ترین سنگ رسوبی است و در حوضه‌های رسوبی سراسر جهان یافت می‌شود.
• Shaleها معمولاً ساختار لایه‌ای دارند و شکاف‌پذیر هستند؛ یعنی تمایل دارند به لایه‌های نازکی تقسیم شوند که معمولاً موازی با سطح صفحه لایه‌بندی است.
• خواص فیزیکی مانند نفوذپذیری و پلاستیسیته تا حد زیادی به اندازه دانه‌های کانی‌های تشکیل‌دهنده بستگی دارد.

خواص مهندسی خاک ‌های شیل

خاک‌هایی که از هوازدگی shale مشتق می‌شوند، از جمله مشکل‌سازترین مصالح در ساخت و ساز هستند. مستعد بودن آن ها به لحاظ تغییرات حجم، آنها را به بسترهای ساختمانی و عمرانی غیرقابل اعتماد تبدیل می‌کند.

حضور مقادیر زیاد شیل در خاک، خاک را به یک خاک منبسط شونده تبدیل می‌کند. کانی‌های رسی موجود در برخی از خاک‌های مشتق‌شده از شیل، توانایی جذب و آزادسازی مقادیر زیادی آب را دارند. این تغییر در میزان رطوبت معمولاً با تغییر حجم همراه است که می‌تواند تا چند درصد باشد. این مواد، “خاک‌های منبسط‌ شونده” نامیده می‌شوند. وقتی این خاک‌ها مرطوب می‌شوند، متورم می‌شوند و وقتی خشک شوند، منقبض می‌گردند. ساختمان‌ها، جاده‌ها، خطوط برق یا سایر سازه‌هایی که درون یا روی این مواد قرار می‌گیرند، می‌توانند در اثر نیروها و حرکت تغییر حجم، ضعیف یا آسیب ببینند. خاک‌های منبسط‌شونده یکی از شایع‌ترین علل آسیب به پی ساختمان‌ها در ایالات متحده هستند.

مقاومت برشی بسیار کم

شیل سنگی است که اغلب با رانش زمین مرتبط است. زیرا زمانی که این سنگ هوازده می‌شود، خاکی غنی از رس ایجاد می کند. این خاک معمولاً مقاومت برشی بسیار کمی دارد – به خصوص وقتی که مرطوب باشد. وقتی این خاک کم مقاومت، مرطوب گردد و در دامنه شیب‌دارِ تپه باشد، می‌تواند به آرامی یا به سرعت به سمت پایین شیب خزش و حرکت کند. بارگذاری بیش از حد یا حفاری توسط انسان به این امر (خزش) دامن می‌زند و می‌تواند خرابی هایی زیادی به بار آورد.

محیط‌ تشکیل

شیل در محیط های زیر تشکیل می شود:

• کف اقیانوس‌های عمیق.
• حوضه‌های دریاهای کم‌عمق.
• دشت‌های سیلابی رودخانه‌ای.
• پلایاها.

برای تشکیل شیل، در وهلۀ اول سنگ باید هوازده شود. زیرا هوازدگی است که می تواند گِل ایجاد کند. هوازدگی، سنگ‌ها را به کانی‌های رسی و سایر کانی های کوچک تجزیه می‌کند که اغلب بخشی از خاک محلی می‌شوند.

سپس، گل های ایجاد شده باید در یک محیط خاص رسوب کرده و انباشت شوند. این محیط خاص، یکی از چهار محیطی است که در بالا نام برده شد. به عنوان مثال، یک رگبار باران می‌تواند ذرات ریز خاک را از زمین شسته و به داخل نهرها بریزد و به نهرها ظاهری “گل آلود” بدهد. هنگامی که سرعت نهر کم می‌شود یا وارد یک توده آب راکد مانند دریاچه، باتلاق یا اقیانوس می‌گردد، ذرات ِگل در کف ته نشین می‌شوند. اگر این تجمع گل، دست نخورده و مدفون بماند، ممکن است به سنگ رسوبی معروف به “گل سنگ” تبدیل شود. بیشتر شیل‌ها این گونه تشکیل می‌شوند.

فرآیند تشکیل Shale محدود به زمین نیست. شیل یک سنگ بسیار رایج در مریخ نیز است. مریخ‌نوردها رخنمون‌های زیادی در مریخ با واحدهای سنگی رسوبی پیدا کرده‌اند که دقیقاً شبیه شیل‌های یافت شده در زمین هستند (به عکس مراجعه کنید).

کاربرد سنگ شیل

شیل‌ها از نظر تجاری اهمیت زیادی دارند و به ویژه در صنعت سرامیک کاربردهای زیادی دارند. آن‌ها ماده اولیه ارزشمندی برای کاشی، آجر و سفال هستند و منبع اصلی آلومینا برای سیمان پورتلند را تشکیل می‌دهند. اکسید کلسیم همراه با پودر سنگ شیل در ساخت سیمان استفاده می‌شود و عامل سفت شدن سیمان پس از مخلوط شدن با آب و خشک شدن آن است. استفاده از نسبت‌های مناسب در میکسر سنگ مصنوعی، در نهایت سیمان و سنگ های مهندسی شده باکیفیت نتیجه می‌دهد.

سنگ شیل‌ را می‌توان خرد کرد و با آب مخلوط کرد تا خاک رس تولید شود. سپس از خاک آن برای ساخت اشیاء تزئینی مختلف، گلدان های سفالی و سقف سفالی استفاده کرد. سال‌ها پیش همین اقلام از خاک رس طبیعی ساخته می‌شدند. اما استفاده زیاد از رس، بیشتر ذخایر کوچک خاک رس را به اتمام رساند. تولیدکنندگان که به منبع جدیدی از مواد اولیه نیاز داشتند، کشف کردند که مخلوط کردن شیل ریز آسیاب شده با آب، رسی تولید می‌کند که اغلب خواص مشابه یا بهتری دارد. بنابراین، اکثر اقلامی که زمانی از خاک رس طبیعی تولید می‌شدند، امروزه با مخلوط کردن shale ریز آسیاب شده با آب، جایگزین شده‌اند.

برخی از shale‌ها خواص ویژه‌ای دارند که آنها را به منابع مهمی تبدیل می‌کند. شیل‌های سیاه حاوی مواد آلی هستند. چنانچه درصد و کیفیت این مواد آلی بالا باشد، می‌توان آن‌ها را تجزیه کرد و گاز و نفت طبیعی به دست آورد. پیشرفت در روش‌های بازیابی ممکن است روزی شیل نفتی را به منبعی کاربردی برای نفت مایع تبدیل کند.

از دیگر کاربردهای مهم shale، استخراج گاز از برخی از آن هاست. این شیل ها، گاز شیل نام دارند. گاز طبیعی از چاه‌هایی که به سازندهای shale راه دارند، قابل استخراج و تولید است. به طور کلی، این سنگ هم به عنوان منبع و هم به عنوان مخزن گاز طبیعی عمل می‌کند.

چرا مطالعه و بررسی Shale ها مهم است؟

1. شیل ها ماده اولیه برای ساخت بسیاری از مواد و متریال ساخت کالاهای اساسی مثل کاشی و سرامیک سفال و سقف های سفالی محسوب می‌شوند.
2. در عملیات عمرانی و ساختمان سازی، چنانچه خاک ها و سنگ های حاوی shale در محل بررسی و شناخته نشود، خسارات مالی و جانی جبران ناپذیری به بار خواهد آورد. زیرا خاک های شیلی، مستعد خزش و ایجاد زمین لغزه هستند.
3. بررسی و مطالعه آن‌ها، همانند یک راهنما، به اکتشاف منابع بزرگ نفت و گاز در سایر سازندهای رسوبی (بجز سازندهای شیلی) کمک می‌کند.
4. Shaleها خودشان به تنهایی منبع و منشاء نفت و گاز طبیعی هستند. شیل‌های آلی سیاه، سنگ منشأ بسیاری از مهم‌ترین ذخایر نفت و گاز طبیعی جهان هستند. وجود بقایای آلی در این سنگ، آن‌ را به گزینه‌های مناسبی برای تولید نفت و گاز تبدیل می‌کند. اگر مواد آلی پس از دفن شدن حفظ و به درستی گرم شوند، ممکن است نفت و گاز طبیعی تولید شود.

نفت و گاز طبیعی به دلیل چگالی کم، می‌تواند از ساختار لایه‌ای شیل خارج شود و از میان توده رسوبی به سمت بالا حرکت کند. نفت و گاز اغلب در فضاهای خالی یک واحد سنگی رویی مثل ماسه‌ سنگ به دام می‌افتد (به تصویر مراجعه کنید). این نوع از ذخایر نفت و گاز به عنوان “مخازن متعارف” شناخته می‌شوند؛ زیرا سیالات می‌توانند به راحتی از منافذ سنگ عبور کرده و به چاه استخراج برسند. اگرچه حفاری می‌تواند مقادیر زیادی نفت و گاز طبیعی را از سنگ مخزن استخراج کند، اما بخش زیادی از آن در داخل ساختار لایه ای Shale به دام می‌افتد و باقی می ماند. به دست آوردن این نفت و گاز باقی مانده بسیار دشوار است. زیرا در فضاهای منافذ ریز به دام افتاده یا در سطح ذرات کانی های رس تشکیل دهندۀ shale، جذب می‌شود.

در تصویر زیر یک مخزن نفت و گاز طبیعی متعارف نشان داده شده است؛ یک “تله تاقدیس” را نشان می‌دهد که حاوی نفت و گاز طبیعی است. واحدهای سنگی خاکستری رنگ، شیل نفوذناپذیر هستند. نفت و گاز طبیعی در این واحد تشکیل می‌شود؛ سپس به سمت بالا مهاجرت می‌کند. مقداری از نفت و گاز در ماسه ‌سنگ (لایه زرد رنگ) به دام می‌افتند و یک مخزن نفت و گاز تشکیل می‌دهند. این یک مخزن “متعارف” است – به این معنی که نفت و گاز می‌توانند از طریق فضای منافذ ماسه ‌سنگ جریان یافته و از چاه تولید شوند.