أنواع الوقود الأحفوري

أنواع الكيروجين Types of Kerogen

• الوقود الأحفوري يتشكّل من بقايا الكائنات الحية النباتية والحيوانية.
• يشمل الوقود الأحفوري أنواعًا مختلفة منها: الفحم الحجري والنفط والغاز الطبيعي.
•  المواد العضوية المكوِّنة للوقود الأحفوري تتحول إلى موادَّ عضويةٍ أكثرَ تعقيدا بعد تعرُّضِها للضغط والحرارة تُسمّى الكيروجين.
• توجَدُ ثلاثةُ أنواع رئيسة من الكيروجين استنادًا إلى أصلها الذي تكوّنت منه وهي:

                                             1- الكيروجين I يتكوّن من بقايا الطحالب المائية في بيئة بحيرية.
                                             2- الكيروجين II يتكوّن من بقايا العوالق النباتية والحيوانية والطحالب في بيئة بحرية.
                                             3- الكيروجين III يتكوّن من بقايا نباتات تنمو على اليابسة في بيئة قاريّة.

• يضيف بعض العلماء نوعًا رابعًا من الكيروجين هو الكيروجين IV ولكنه نوع نادر وغير قادر على إنتاج النفط أو الغاز الطبيعي.

نُضْجُ الكيروجين Maturation of Kerogen

• يمُرُّ الكيروجين بمراحلَ متتاليةٍ حتى يتحوّل إلى نفط أو غاز طبيعي:

1- ففي البداية وعند درجات الحرارة المنخفضة التي لا تتجاوز °50C تكون البكتيريا اللاهوائيةُ هي المسؤولةَ عن تحلل مادة الكيروجين، فتقل نِسَبُ الأكسجين والنيتروجين والكبريت فيه، وهذا يؤدي إلى زيادة تركيز المركَّبات الهيدروكربونية. ولا تُعَدُّ مادةُ الكيروجين في هذه المرحلة مادّةً ناضجة، ويقدِّرُ العلماء أنّ عُمقَ الرسوبيات الحاوية على الكيروجين في هذه المرحلة تتراوح ما بين (4.5- 1)Km.ويُعَدُّ الصّخرُ الزيتي صخرًا يحتوي على مادة الكيروجين غيرِ الناضجة. 

                                                                        
                                    2- بعد هذا العُمق، تُصبِح درجة الحرارة هي المسؤولةَ عن نُضج الكيروجين اعتمادًا على المَمال الحراريّ Geothermal Gradient وهو مُعدَّلُ التغيّر في درجة الحرارة بزيادة العُمق، ويقدِّرُها العلماء ما بين(25-30) C°/Km، وهي متغيّرة من منطقة إلى أخرى اعتمادًا على الظروف الجيولوجية والطبوغرافية. ويُصبح الكيروجين ناضجًا
عندما ترتفع درجة الحرارة بالحدّ الكافي الذي يسمح بتولّدِ النفط ومن ثم الغاز الطبيعي. وتُسمّى عمليةُ تحوّل مادة الكيروجين المدفونة تحت الطبقات الرسوبية إلى نفط أو غاز طبيعي بالنُّضج .Maturation اعتمادًا على نُضج مادة الكيروجين العضوية وخصائص كلّ نوع،فإن الوقودَ الأحفوري يُصَنَّفُ إلى أنواع مختلفة منها: الفحم الحجري والنفط.

 

أتحقّق: أقارن بين نوع مادة الكيروجين I والكيروجين II من حيث نوعُ بقايا الكائنات الحية التي تكوّنت منها.

يتكون الكيروجين I من بقايا الطحالب المائية في بيئة بحيرية. بينما يتكون الكيروجين II من العوالق النباتية والحيوانية والطحالب في بيئة بحرية. 

 

البترول Petroleum

• البترول خليط معَقَّدٌ من المواد الهيدروكربونية يتشكّل في الطبيعة. 
• يوجَدُ البترولُ بالحالة السائلة أو الغازية أو الصُّلبة، ولكنه يُطلَقُ غالبًا على الحالة السائلة من المواد الهيدروكربونية.
• يتكون البترول من النفط والغاز الطبيعي والقار والأسفَلت.

 

النفط Oil

• النفط Oil هو الحالة السائلة من البترول، ويتباين لونُه بحسب تركيبه من اللون الأسود إلى الأسود البنّي أو الأسود المُصْفَرِّ، ويُسمّى أيضًا النفطَ الخام Crude Oil . 
• يمثّل الجدول أدناه التركيب الكيميائي للنفط.

                                      

•  تشكّل المواد الهيدروكربونية ما بين % 97 - % 50 من مكوِّناته بحسْبِ نوع النفط. كذلك يحتوي على نسبة من النيتروجين والأكسجين والكبريت تتراوح ما بين 10% - 6% . ويمكن أن يحتوي أقل من % 0.1 من عناصر فلزيةٍ مثل النحاس والنيكل والفانيديوم والحديد.

                                                     

 

• يتولد النفط من الكيروجين عند دفنِه في أعماق كبيرة نتيجة ارتفاع درجة الحرارة، وقد توصّل العلماء من خلال العديد من الدراسات التجريبية أنّ تولُّدَ النفط من الكيروجين يحدُثُ عند درجات حرارة تتراوح بين (120-  60)°C كما يوضح الشكل أدناه 

                                                              

 

الغاز الطبيعي Natural Gas

• الغاز الطبيعي Natural Gas هو الحالة الغازية من البترول.
• يُسمّى أيضًا الغازَ الأحفوريَّ. وهو غاز عديم اللون والرائحة يتكون بشكل أساسي من الميثان  CH4 وكميات أقلَّ من الإيثان C₂H₆ والبروبان C₃H₈ .
• قد يحتوي على نِسَبٍ قليلة من ثاني أكسيد الكربون ، وبخار الماء أو النيتروجين، أو كبريتيد الهيدروجين. ;كما يمثّل الجدول أدناه

                                                    

• يتواجَدُ الغاز الطبيعي مصاحبًا للنفط في مِصيدة النفط، أو يتواجد منفردًا، وقد توصّل العلماء إلى أن الغاز الطبيعي يتولّد من الكيروجين عند درجات حرارة تتراوح تقريبا ما بين( 225 -  120) C°، وفي الغالب فإن النفط والغاز الطبيعي يتولدان من الكيروجين II .

 

الأسفَلت Asphalt

• الأسفَلت Asphalt ويُسمّى أيضًا البتيومين Bitumen . ويُعَدُّ أحدَ أنواع الوقود الأحفوري غيرِ التقليدية، وهو بقايا موادَّ هيدروكربونيةٍ عالية اللزوجة، تكون في الحالة شِبْهِ السائلة إلى الحالة الصُّلبة، ولونُه ما بين البني إلى الأسود.

                                                                

• قد يتشكل الأسفَلت في صخور المصدر أو في الصخور الخازنة بعد هجرة النفط.
• في صخور المصدر قد يتشكل الأسفَلت قبل تولّد النفط في أثناء مراحل تطور المادة العضوية التي تحدُث بعد عملية دفنها، بسبب التحلل البيولوجي بوساطة البكتيريا لمادة الكيروجين.
• يمكن أن ينتجَ الأسفَلتُ أيضًا بعد تولد النفط عند وجود شقوق أو صدوع، حيث يتحرك النفط نحو سطح الأرض خلالها؛ فتتحرر المواد المتطايرة، وتتبخر المواد الغازية وتتركز مادة الأسفَلت.
• كلّما زادت عمليات التحلل يصبح الأسفَلتُ أكثرَ صلابةً.
• أما تكوّن الأسفَلت في الصخور الخازنة فينتُج من تسرُّب النفط نحو الأعلى وتبخّر المواد الهيدروكربونية الخفيفة منه أو بسبب زيادة نشاط البكتيريا المحلّلة للمواد الهيدروكربونية المكوّنة له وزيادة تركيز  المواد الهيدروكربونية الصّلبة.

 

أبحثُ:
استعمالات الأسفَلت: يوجَدُ الأسفَلت إما بشكل طبيعي في بعض صخور القشرة الأرضية، أو بشكل صناعي نتيجة عمليات تكرير النفط، وتقوم مِصفاة البترول من خلال وحدة متخصّصة بإنتاج حوالي 100ton يوميّا من الأسفَلت. يستخدَمُ الأسفَلت الطبيعي والصناعي في رصْف الطرق بالخَلطَة الأسفَلتية. أبحث عن استخداماتٍ أخرى للأسفَلت،
 

يستخدم الأسفلت في العديد من الاستخدامات منها: استخدام الأسفلت شبه الصلب في الخلطات الأسفلتية التي تستخدم في بناء الطرق، واستخدام الأسفلت السائل فيستخدم في ربط الطبقات الأسفلتية مع بعضها البعض، كما يستخدم كمادة عازلة في الأسطح والجدران ويستخدم أيضا في الصناعات الكهربائية مثل البطاريات الكهربائية.

 

رمال القار Tar Sands

• تتكوّن رمال القار Tar Sands التي تُسمّى أيضًا بالرمال النفطية من صخور رملية تحتوي بداخلها على موادَّ هيدروكربونيةٍ ثقيلة(الأسفَلت).

                                                          

• تكوّن رمالُ القار من حُبَيبات معدنية محاطَةٍ بغشاء رقيق من الماء وتوجَدُ بين الحُبيبات مادةُ الأسفَلت.

                                                       

• تقدَّرُ نسبة  مادة الأسفَلت في رمال القار بحوالي % 10 من كتلة الصّخر الرملي.
• يفسِّرُ العلماء تشكُّلَ رمال القار نتيجة هجرة النفط إلى خزانات مكوَّنة من الصخر الرملي توجدُ على أعماق ضَحْلة أقلَّ من 2Km ودرجات حرارة أقلَّ من 80^oC بحيث أصبح النفط عُرضةً للتحلل الحيوي (البيولوجي) بوساطة البكتيريا الهوائية ما أدى إلى مزيد من تحلّل المواد الهيدروكربونية الخفيفة والمتوسطة وتطايرها وترسيب المواد الهيدركربونية الثقيلة بين حُبَيبات الرمل

 

أستنتِجُ فائدة طبقة الماء الرقيقة حول حُبيبات الرمل في عملية  استخلاص البترول من رمال القار.

وجود طبقة الماء الرقيقة حول الحبيبات يسهل عملية استخلاص النفط من رمال القار حيث يقلل من تلاصق النفط بالحبيبات.

 

الصّخر الزيتيّ Oil Shale

• الصّخر الزيتيّ Oil Shale هو أحدُ صخور المصدر التي لم تُدفَنْ بعُمْقٍ كافٍ لتنضُجَ.
• تتكوّن صخور المصدر غالبًا من صخر الغَضار الذي يحتوي على كمية كبيرة من الكيروجينَ.
• على الرغم من أن صخورَ المصدر قد تحتوي على المواد الهيدروكربونية، إلا أنه يجب تسخينُها على درجات حرارة تصل ما بين (400-500) C°  ليحدُثَ لها انحلالٌ حراريّ ليتِمّ توليدُ النفط والغاز الطبيعي من الكيروجين الموجود فيها.

                                           

• يتشكّلُ الصّخر الزيتيّ في بيئات مختلفة بحْرية أو قاريّة أو بُحيرية،
• لا يوجد تركيب كيميائي محدَّد لمادة الكيروجين المكوِّنة له؛ وذلك لأن بقايا الكائنات الحية التي تكونت منها بعضُها نباتات نمت على اليابسة، وبعضُها كائنات بحرية مِجهرية نباتية أو حيوانية، ومع ذلك فإن جميع أنواع الكيروجين تتكوّن بشكل رئيسي من المواد الهيدروكربونية.
• غالبًا ما يتم تصنيفُ الصخر الزيتي بحسبِ المحتوى المعدني إلى ثلاثة أنواع رئيسة: الصخر الزيتي الغني بالكربونات، والصخر الزيتي الغني بالمواد السليكاتية، والصخر الزيتي الشّمعي ذو الأصل القاري الغني بالمواد العضوية النباتية.

 

أبحثُ:
أستخدم مصادر المعرفة المختلفة ومنها شبكةُ الانترنت لتحديد الاختلاف بين خصائص الصخر الزيتي ورمال القار.

يختلف الصخر الزيتي عن رمال القار حيث أن الصخر الزيتي هو عبارة عن صخر رسوبي يحتوي على مواد عضوية (الكيروجين) ويتم استخراج النفط الصخري منه بالتسخين، بينما رمال القار عبارة عن صخر رملي يحتوي على مادة الإسفلت في مساماته ويحتاج أيضًا إلى تسخين للاستخراج النفط منه.

 

تجربة : أنواع الوَقود الأحفوري
تختلف أنواع الوقود الأحفوري اعتمادًا على مصدرها، ومقدارِ درجات الحرارة التي تعرّضت لها في أثناء تشكُّلِها، فما خصائصُ بعض أنواع الوقود الأحفوري.

المواد والأدوات:
عينات لأنواع مختلفة من الوقود الأحفوري تشمل: (نفط خام، وصخر زيتي، وأسفَلت، ورمال القار)، ولهب بِنسن .

إرشادات السلامة:
- غسلُ اليديْنِ جيّدًا بالماء والصابون بعد إجراء التجربة.
- الحذرُ عند وضع المكوّناتِ داخلَ الكؤوس الزجاجية.

خطوات العمل:
1 - أتفحّص العينات التي تمثّل الوقود الأحفوري، وأحدّد خصائص كلّ نوع من حيث: اللّون، والحالة الفيزيائية، والرائحة.
2 - ألاحِظ المادة العُضويّة السوداء اللّون في عينة رمال القار.
3 - ألاحِظ احتراقَ عينة الصخر الزيتي من خلال تقريب طرَف العينة من لهب بِنسن المشتعل بمساعدة المعلم.
4 - أتفحّص لزوجة كلّ من النفط الخام والأسفَلت.

التحليل والاستنتاج
1 - أصنّف العينات من حيثُ الحالةُ الفيزيائية.

الصخر الزيتي ورمال القار في الحالة الصلبة، النفط في الحالة السائلة بينما الأسفلت في الحالة ما بين الصلبة والسائلة .

2 - أصِفُ: ماذا حصل لعينة الصخر الزيتي عند حرقِها؟

سوف تشتعل أطراف العينة وتنتج دخان من الحرق . بسبب احتوائها على مادة الكيروجين.

3 - أقارن بين لُزوجَة النفط الخام والأسفَلت.

النفط الخام أقل لزوجة من الأسفلت وقد يكون الأسفلت في الحالة شبه الصلبة.

 

الفحم الحجريّ Coal

• الفحم الحجريّ يتشكّل من تحلّلِ بقايا نباتات دُفِنت بعد موتِها تحت طبقات مختلفة من الصخور الرسوبية بعيدةٍ عن الأكسجين، وأنه اعتمادًا على مقدار درجة الحرارة والضغط التي تتعرض لها تلك البقايا تتشكّلُ أنواعٌ مختلفة من الفحم الحجري.
• يُقسَمُ الفحمُ الحجريّ إلى:

الخُثُّ Peat

• يتكوّن الخُثُّ في المرحلة الأولى من مراحل تشكُّلِ الفحم الحجري عند درجات حرارة وضغط منخفضة نسبيّا.
• يتكوّن الخُثّ من بقايا نباتات متحلّلة جزئيّا حيث تظهر فيه بقايا الجذور والأفرع. 

                                                   

اللّغنيت Lignite

• بزيادة الضغط والحرارة يتحوّل الخُثُّ إلى نوع آخرَ من الفحم الحجري يُسمّى اللّغنيتَ، ويُسمّى أيضًا الفحمَ البُنيَّ.
• يحتوي اللغنيت على نِسبة كربون أعلى من الخُثّ، ويكون أكثر صلابة منه، ولكنه لا يزال يحتوي على نِسبة كبيرة من بقايا النباتات المتحلّلة جزئيّا.
• يشكّل فحم اللّغنيت النسبة الأعلى من الاحتياطي العالمي من الفحم الحجري.

                                                         

الفحم البتيوميني Bituminous Coal

• مع زيادة درجة الحرارة والضغط، وبمرور الزمن يتكوّن الفحم البتيوميني، يحتوي هذا النوعُ من الفحم على نِسبة من الكربون تصِل إلى % 86 ، ويتمّ حرقُ الفحم البتيوميني في مراجلَ صناعيةٍ لصنع فحم الكوك Coke وهو فحم معالَجٌ يُستَخدَمُ في صناعة الحديد الصُّلب.

                                                      

الأنثراسيت Anthracite

• يُعَدُّ فحمُ الأنثراسيت المرحلةَ الأخيرة من مراحل تشكُّلِ الفحم الحجري.
•  يستغرِق تشكُّلُه فترة زمنية طويلة نِسبة إلى الأنواع الأخرى من الفحم الحجري.
• يحتاج الأنثراسيت إلى درجات حرارة وضغط عاليَين. ونتيجة لذلك فهو يُعَدُّ أقسى أنواع الفحم الحجري،
• يتكوّن معظمُه من الكربون. وعند حرق فحم الأنثراسيت يُنتِجُ كميّةً كبيرة من الحرارة.

                                                                                 

أتحقّق: أفسّر سبب صلابةِ الأنثراسيت نِسبة إلى باقي أنواع الفحم الحجري

يعد الأنثراسيت أكثر صلابة من باقي أنواع الفحم الحجري لأنه يحتاج إلى حرارة وضغط عاليين لتشكله.