انرژي در سنگ ها

تمدن امروزي، نياز شديدي به انرژي دارد. انرژي مورد نياز اين تمدن، به طور كلي از خورشيد و زمين تأمين مي‌‌شود. تكنولوژي امروزي توانسته به مقدار بسيار ناچيزي انرژي خورشيد را به طور غيرمستقيم در كنترل انسان درآورد ولي قسمت اعظم انرژي مورد نياز انسان از زمين كسب مي‌‌شود، اين انرژي به صورت زغال‌‌سنگ، نفت و گاز يعني سوخت‌‌هاي فسيلي در ميان سنگ‌‌‌‌هاي رسوبي ذخيره شده‌‌اند و يا گرمايي است كه از درون زمين به سنگ‌‌هاي نزديك به سطح زمين انتقال پيدا مي‌‌كند و يا حاصل گردش مواد بر اثر نيروي گرانشي است.

حفاري در معدن

بيشتر انرژي كشور‌هاي اروپايي از ذغال سنگ به دست مي‌آيد.

ذغال سنگ

تشكيل ذغال سنگ

تشكيل زغال سنگ از رسوبات مردابي

مهاجرت اوليه نفت

مهاجرت اوليه نفت

بعضي از انواع نفت گيرها

چاه نفت

يك چاه نفت در حال

زغال سنگ و صنعت ذوب آهن

زغال سنگ از سال‌ها پيش به عنوان يك جسم سوختني به كار مي‌رفته است. با گسترش صنعت ذوب آهن، استفاده از ذغال سنگ براي احياي سنگ آهن و تهيه فلز آهن رواج يافت. علاوه بر اين به هنگام آماده سازي زغال سنگ براي استفاده در كوره‌هاي فولاد سازي، گازهايي كه در داخل آن محبوس بوده اند از آن خارج مي‌شود. اين گازها تركيبي از هيدروكربن‌هاي مختلف اند و مواد بسيار زيادي از آن‌ها به دست مي‌آيد. در واقع در كنار كارخانه‌ها ذوب آهن يك پالايشگاه هم ايجاد مي‌شود كه از گازهاي حاصله از ذغال سنگ، تغذيه مي‌كنند.

منشأ زغال سنگ

زغال سنگ در بين ساير مواد معدني ، اهميت ويژه‌ي دارد و در واقع نوعي سنگ رسوبي است. در بسياري از موارد مي‌توان آثار ساقه و ريشه گياهان را در داخل لايه‌هاي زغال و سنگ‌هاي اطراف آن مشاهده كرد و اين مطلب نشان دهنده منشا گياهي آن است .
گياهان قديمي كه زغال از آنها درست شده است، تا حد زيادي شبيه گياهان امروزي و فوق العاده متنوع بوده اند به گونه‌ي كه فقط در زغالهاي دوره كربونيفر بيش از 3000 نوع گياه تشخيص داده اند.
نحوه تجمع مواد اوليه- اگر چه منشأ گياهي زغال مورد قبول تمام متخصصين زغال است اما در مورد چگونگي تجمع مواد گياهي دو نظريه مختلف تحت عنوان نظريه‌هاي درجازا و دگرجازا وجود دارد.
مطابق نظريه درجازا، زغال در همان محل رويش گياهان تشكيل شده است. بر اساس اين نظريه، شرايط آب و هوايي مناسب سبب شد كه جنگلهاي انبوهي به وجود آيد، تنه درختان بر زمين افتاد و توده‌ي از مواد اوليه گياهي جمع شد. در مرحله بعد، سيلابهايي كه از محل مي‌گذشت، گل و لاي همراه خود را بر جاي گذاشت و بدين ترتيب روي مواد گياهي با پوششي از اين مواد پوشيده شد و به ترتيبي كه بعداّ خواهيم ديد، اين مواد به زغال تبديل شدند.
مطابق نظريه دگرزاجا، سيلابهاي موسمي و طغيان رودخانه‌هايي كه از نزديكي جنگلهاي مي‌گذشت، سبب شد كه درختان زيادي كنده شود و توسط رودخانه به دريا يا باتلاق حمل گردد و در آنجا رسوب كند و سپس به زغال تبديل شود.
در حوضه‌هاي زغالي مختلف دلايلي در تأييد هر يك از اين دو نظريه وجود دارد و در بعضي از حوضه‌ها هم به نظر مي‌رسد كه هر دو نظريه صادق باشند يعني در عين حال كه پيشروي دريا در جنگل سبب تشكيل بعضي از لايه‌ها شده است، رودخانه‌ها نيز مقدار زيادي مواد گياهي با خود حمل كرده و مواد اوليه ساير لايه‌ها را فراهم نموده اند.
چگونگي تبديل مواد گياهي به زغال- پس از تجمع مواد گياهي، اين مواد طي مراحلي به زغال تبديل مي‌شوند.
دراولين مرحله، تجزيه مواد گياهي به ويژه دراثر فعاليت باكتريهاي مختلف شروع مي‌شود. از آنجا كه بعضي از عناصر تشكيل دهنده گياه نظير اكسيژن و هيدروژن از آن خارج مي‌شوند، لذا به تدريج درصد كربن آن اضافه شده و پس از مدتي، بقاياي گياهان به زغال نارس تبديل مي‌شود. مواد گياهي تجزيه شده به تدريح با قشري از رسوبات گل ولاي پوشيده شده و فشرده تر مي‌شوند. مدتي كه از رسوب گل و لاي گذشت، فعاليت باكتريها متوقف مي‌شود ولي به مرور كه زغال خام به اعماق فرو مي‌رود، در اثر افزايش فشار لايه‌هاي رويي فشار و دماي محيط افزايش مي‌يابد وطي آن زغال نارس به زغال قهوه‌ي و سپس به انواع ديگر زغال تبديل مي‌شود.
زغال انواع مختلف دارد كه بسته به نوع، براي موارد خاصي بكار مي‌رود. بعضي از انواع مرغوب آن در صنايع فولاد مصرف دارد و به نام زغال سنگ كك شو معروف اند. انواع ديگر آن نيز براي ايجاد حرارت به عنوان سوخت به كار مي‌روند و آنها را زغال‌هاي حرارتي مي‌نامند.

نفت

نفت ماده معدني مايع و سياه رنگي است كه بوي مخصوصي دارد. بايد توجه داشت كه آنچه در زندگي روزمره به عنوان نفت در بخاري و چراغ نفتي استفاده مي‌كنيم در واقع نفت سفيد و يكي از محصولاتي است كه در اثر پالايش از نفت طبيعي به دست مي‌آيد.
چگونگي تشكيل نفت- مواد اوليه نفت، عمدتاّ موجودات ريزي اند كه به حالت شناور در آب دريا قرار دارند. اين موجودات شناور كه امروزه نيز به فراواني ديده مي‌شوند، داراي بعضي تركيبات (نظير اسيدهاي چرب) هستند كه ماده اصلي تشكيل دهنده نفت است.
مدت زمان زندگي جانوران و گياهان شناور نفت ساز معمولاّ كوتاه است و قسمتي از بقاياي اين موجودات بركف دريا فرو مي‌ريزد. تعداد موجودات شناور بسيار زياد است. بايد توجه داشت كه تمام بقاياي اين موجودات به كف حوضه رسوبي نمي رسند و بخش عمده ا‌ي از آنها قبل از رسوب اكسيد شده و يا توسط جانوران ديگر خورده مي‌شوند. اما به هر حال، آن بخش از بقايا كه در كف حوضه رسوب مي‌كنند نيز حجم زيادي دارند و براي تشكيل مقدار قابل توجه نفت، كافي هستند.
مواد آلي كه به كف حوضه رسوبي مي‌رسند، بايد به نحوي حفظ شوند و عامل حفظ آنها رسوبات ريزي است كه همراه آنها رسوب مي‌كنند و باعث حفظ اين مواد مي‌شوند. به طوري كه ديده مي‌شود، براي تشكيل نفت شرايط خاصي لازم است زيرا علاوه بر وجود مواد اوليه، محيط رسوبي نيز بايد كم عمق باشد تا آن مواد بتوانند در زمان كوتاهي رسوب كنند واز سوي ديگر مقدار اكسيژن بايد صفر يا ناچيز باشد تا از اكسايش انها جلوگيري شود. اكنون اين مسأله روشن مي‌شود كه چرا با وجودي كه موجودات شناور به ميزان زياد در حوضه‌هاي رسوبي وجود دارند، در تمام آنها نفت تشكيل نمي شود.
مواد دانه ريزي كه همراه با بقاياي موجودات رسوب مي‌كنند، بعدها به سنگ تبديل مي‌شوند و به نام سنگ مادر معروف اند.
چگونگي تبديل مواد آلي به تركيب‌هاي مختلف كربن و هيدروژن (هيدروكربن‌ها) كه نفت را تشكيل مي‌دهند، فرايند پيچيده‌ي است كه در باكتري‌هاي غير هوازي نقش اصلي را به عهده دارند. اين باكتريها كه در اغلب رسوبات دريايي وجود دارند به مرور سبب تجزيه مواد آلي و تبديل آنها به نفت مي‌شوند.
مهاجرت اوليه نفت- رسوبات اوليه حاوي مواد نفت به صورت لجني است كه 70 تا 80 درصد آن مايع و بقيه رسوبات مختلف است. بيش از 99 درصد مايع موجود در اين لجن را آب دريا (آب شور) و فقط كمتر از يك درصد آن را نفت تشكيل مي‌دهد.
با ادامه رسوبگذاري در حوضه رسوبي، وزن رسوبات و بنابراين فشار مؤثر بر لجن حاوي نفت زيادتر مي‌شود و آن را متراكم تر مي‌كند. تراكم رسوبات سبب مي‌شود كه مايعات موجود از آن خارج شوند و بدين ترتيب حركت آب همراه با نفت از خلل و فرج سنگ مخزن آغاز مي‌شود كه آنرا مهاجرت اوليه مي‌گويند.
واضح است كه در اعماق زمين ، فضاي خالي به صورت غار وجود ندارد و آب و نفت از درون منافذ ريز موجود در سنگها حركت مي‌كنند. گرچه درابتداي كار حركت آب و نفت به سمت بالا است اما با اضافه شدن تراكم رسوبات، حركت جانبي نيز انجام مي‌گيرد و بدين ترتيب مهاجرت مخلوط آب و نفت ادامه مي‌يابد. مهاجرت اوليه نفت ممكن است به چند صد كيلومتر برسد.

بخش عمده‌ي از نفتي كه بدين ترتيب تشكيل شده است، ضمن مهاجرت اوليه هدر مي‌رود اما اگر در مسير حركت آب و نفت محل مناسبي براي تجمع نفت وجود داشته باشد، مخلوط آب و نفت در آن به دام مي‌افتد و تجمع مي‌يابد.
نفتگيرها- نفتگيرها ساختمانهاي طبيعي مناسبي هستند كه نفت در داخل آنها جمع مي‌شود. براي اينكه نفتگيري تشكيل شود اولاّ بايد سنگ مخزن مناسبي با تخلخل و قابليت نفوذ خوب وجود داشته باشد. ثانياّ بايد روي آن با سنگ غيرقابل نفوذي كه به آن پوش سنگ مي‌گويند، پوشيده شود. ثالثاّ وضعيت هندسي آن براي تجمع نفت مناسب باشد.
نفتگيرها انواع مختلفي دارند كه معروفترين آنها نفتگيرهاي تاقديسي، گسلي و مختلط است.(شكل زير)

مهاجرت ثانوي نفت- پس از آن كه مخلوط آب و مواد نفتي در داخل نفتگير به دام افتاد، در اثر اختلاف چگالي آب، نفت و گاز، اين سه بخش به تدريج از يكديگر جدا مي‌شوند و سه لايه مختلف را در داخل نفتگير، تشكيل مي‌دهند. اين مرحله را مهاجرت ثانوي مي‌گويند.
گرچه در حالت كلي معمولاّ در نفتگيرها به ترتيب سه لايه گاز، نفت و آب رويهم قرار دارند ولي اين امر هميشه صادق نيست و ممكن است در يك نفتگير فقط گاز يا آب وجود داشته باشد.

تركيب نفت

به طور كلي نفت را مي‌توان به عنوان تركيبات مختلف هيدروژن و كربن تعريف كرد كه به آنها هيدروكربن گفته مي‌شود. هيدروكربن‌هاي تشكيل دهنده نفت از نظر مشخصات شيميايي و فيزيكي با هم متفاوت اند و ممكن است حالت گازي، مايع و يا جامد داشته باشند.
معدودي از نفتها، بي رنگ و بي بو هستند ولي اغلب آنها رنگ تيره و بوي مشخصي دارند. اگر مولكولهاي تشكيل دهنده تركيبات نفتي بزرگ باشند ، آن را نفت سنگين و در عير اين صورت، نفت سبك مي‌گويند. از سوي ديگر، در مواردي كه درصد گوگرد نسبت به نفت زياد يا كم باشد به ترتيب آن را نفت ترش و شيرين مي‌نامند.

استخراج نفت

استخراج نفت با استخراج ساير مواد معدني متفاوت است. براي يافتن نفت معمولا" از سه روش حفاري، لرزه نگاري و ثقل سنجي استفاده مي‌شود.
پس از آنكه به كمك عمليات اكتشافي، وجود نفت در منطقه شناسايي شد، اقدام به حفر چاههاي عميق مي‌كنند. پس از برخورد چاه به نفتگير به علت فشار موجود در مخزن، نفت اغلب خود به خود بالا مي‌آيد. نفت خامي كه بدين ترتيب توليد مي‌شود مستقيماّ قابل استفاده نيست بلكه ابتدا در دستگاههاي بهره بر داري، آّب،گاز و مواد گوگردي آنرا جدا مي‌كنند و سپس برا‌ي تصفيه به پالايشگاه مي‌فرستند. در پالايشگاه نفت را تصفيه كرده و انواع مواد نفتي از قبيل نفت سفيد، بنزين، هواپيما، روغن و... را از آن تهيه مي‌كنند. نفت تصفيه شده به وسيله لوله به محل مصرف يا بنادر بارگيري حمل مي‌شود.
 

انرژي زمين گرمايي(ژئوترمال)

بررسي‌هاي مختلف مانند اندازه گيري دماي آب‌هاي چشمه‌هاي آبگرم و يا اندازه گيري دماي سنگ‌هاي داخل يك معدن نشان مي‌دهد كه درون زمين گرم است. بررسي‌ها نشان داده است كه دما در پوسته و گوشته فوقاني حدود 15 تا 60 درجه سانتي گراد در هر كيلومتر عمق افزايش مي‌يابد. اين تغيير در دماي زمين را «درجه زمين گرمايي» مي‌نامند. چون با پايين رفتن از سطح زمين دما افزايش مي‌يابد، لذا منشاء انرژي گرمايي بايد درون زمين باشد.
مطالعات نشان مي‌دهند كه مقدار گرمايي كه بر اثر فرايندهاي دروني به سطح زمين مي‌رسد، در نقاط مختلف آن متفاوت است. اين مقدار افزايش گرما به دوري و نزديكي به كوه‌هاي آتش فشان و نوع سنگ‌ها بستگي دارد. مثلا" درجه زمين گرمايي در مناطق نزديك به كوه‌هاي آتش فشاني و سنگ‌هايي كه قدرت هدايت گرمايي خوبي دارند به حدود 60 درجه سانتي گراد در هر كيلومتر مي‌رسد.
در مناطقي كه درجه زمين گرمايي بالاست، چاه‌هايي حفر مي‌كنند و با مواد منفجره سنگ‌هاي ته چاه را منفجر مي‌كنند كه تخلخل سنگ بالا رود و سپس با فرستادن آب به داخل چاه و بازيافت بخارآبي كه توسط انرژي گرمايي سنگ‌ها در اين مناطق به وجود آمده براي توليد الكتريسيته و گرما استفاده مي‌كنند. يكي از كشورهاي پيشگام در استفاده از اين انرژي كشور ايسلند است.
امروزه در كشورهايي چون ايتاليا، زلاندنو، كانادا، آمريكا و چند كشور ديگر از اين نوع انرژي استفاده مي‌كنند.
در كشور ما هم مطالعاتي در جهت استفاده از اين نوع انرژي انجام گرفته است. مناطق دماوند، سبلان، خوي و ماكو با پتانسيل انرژي زمين گرمايي مرغوب معرفي شده اند. اولين چاه آزمايشي در اطراف كوه سبلان (مشكين شهر) حفر شده و به زودي عمليات بهره وري از اين نوع انرژي در منطقه ياد شده به بهره برداري مي‌رسد.

واژگان

انرژي گرمايي(Geothermal)
انرژيي كه در سنگ‌هاي داغ زمين وجود دارد.

تورب(Peat)
زغال سنگ نارس به علت وجود آب زياد بسيار بد مي‌سوزد.

چاه نفت(Oil wett)
چاهي كه براي به دست آوردن نفت و گاز حفر مي‌شود.

درجه زمين گرمايي(Geothermal gradient)
ميزان دمايي كه در هر كيلومتر از عمق زمين وجود دارد

زغال سنگ(Coal)
نوعي سنگ رسوبي است كه بقاياي گياهي فراوان دارد. فشار و گرما بر روي بقاياي مدفون شده گياهي سبب خروج آب و كربن دي اكسيد مي‌شود و در نتيجه درصد كربن افزايش پيدا مي‌كند.

زغال سنگ قهوه اي(Lignite)
زغال سنگي كه حدود 50 درصد آن آب است و به خوبي نمي سوزد.

نفت شيرين(Sweet Oil)
نفت خامي كه مقدار گوگرد آن كم باشد.

مخزن نفت (Oil pool)
محلي كه تراكم نفت زياد و نفت قابل استخراج است.

نفت خام(Petroleum)
نفتي كه از زمين استخراج مي‌شود (قبل از اينكه به پالايشگاه برده شود)

نفتگير(Oil trap)
محلي كه نفت مي‌تواند در آنجا ذخيره شود.

گاز (Gas)
همان تركيبات نفت را دارد با اين تفاوت كه تعداد مولكول‌هاي كربن آن نسبت به نفت كم تر است.

سنگ پوشش (Cap rock)
به دسته اي از سنگ‌ها كه مانع از مهاجرت نفت مي‌شوند، سنگ پوشش مي‌گويند. سنگ‌هاي پوششي را اغلب سنگ‌هاي تبخيري (انيدريت، گچ) يا دانه ريز( شيل، مارن) كه نفوذپذير هستند، تشكيل مي‌دهند.

سنگ مخزن(Reservoirrock)
به دسته اي از سنگ‌هاي متخلخل كه نفت و گاز را در خود جاي مي‌دهند. سنگ‌هايي مانند سنگ آهك و ماسه سنگ از بهترين سنگ‌هاي مخزن هستند.