内容
- 什么是页岩？
- 页岩的用途
- 常规石油和天然气
- 非常规石油和天然气
- 页岩用于生产粘土
- 用于生产水泥的页岩
- 油页岩
- 页岩的组成
- 页岩的颜色
- 黑色和灰色页岩
- 红色，棕色和黄色页岩
- 绿色页岩
- 页岩的水力特性
- 页岩土的工程性质
- 膨胀土
- 边坡稳定性
- 页岩沉积环境
页岩： 页岩破碎成锐利边缘的薄片。它以多种颜色出现，包括红色，棕色，绿色，灰色和黑色。它是最常见的沉积岩，在全世界的沉积盆地中都可以找到。
什么是页岩？
页岩是一种细颗粒的沉积岩，是由粉尘和通常称为“泥浆”的粘土大小的矿物颗粒的压实形成的。这种成分将页岩置于称为“泥岩”的沉积岩中。页岩有别于其他泥岩，因为它是易裂变和层压的。 “层状”是指岩石由许多薄层组成。 “易裂变”是指岩石容易沿着薄片分裂成薄片。
页岩的用途
一些页岩具有使其成为重要资源的特殊属性。黑色页岩含有有机物，有时会分解成天然气或石油。可以将其他页岩压碎并与水混合以生产可以制成各种有用物体的粘土。
常规石油和天然气储层： 该图示出了包含油和天然气的“防倾斜阱”。灰色岩石单元是不可渗透的页岩。这些页岩单元中形成石油和天然气，然后向上迁移。一些石油和天然气被困在黄色砂岩中，形成一个油气藏。这是“常规”储层-意味着石油和天然气可以流过砂岩的孔隙空间并从井中开采。
常规石油和天然气
黑色有机页岩是世界上许多最重要的石油和天然气矿藏的烃源岩。这些页岩从沉积在形成页岩的泥浆中的微小有机质颗粒中获得黑色。随着泥土被埋入地下并变暖，一些有机物质被转化为石油和天然气。
石油和天然气由于密度低而从页岩中移出并通过沉积物向上迁移。石油和天然气经常被困在上覆岩石单元（如砂岩）的孔隙空间内（参见插图）。这些类型的石油和天然气沉积物被称为“常规储层”，因为流体很容易流过岩石的孔隙并进入开采井。
尽管钻井可以从储层岩石中提取大量的石油和天然气，但其中很多仍被困在页岩中。这种石油和天然气很难清除，因为它被困在很小的孔隙中或被吸附在组成页岩的粘土矿物颗粒上。
非常规油气藏： 该图说明了能够开发非常规石油和天然气田的新技术。在这些气田中，油气被保存在页岩或其他不可渗透的岩石单元中。为了生产石油或天然气，需要特殊的技术。一种是水平钻井，其中垂直井偏离水平井，因此它将穿透很长一段储层岩石。第二是水力压裂。通过这种技术，一部分井被封闭，水被泵入以产生足够高的压力，使周围的岩石破裂。结果是高度裂缝的储层被较长长度的井眼穿透。
非常规石油和天然气
在1990年代后期，天然气钻井公司开发了新的方法来释放困在页岩微小孔隙中的石油和天然气。这一发现意义重大，因为它释放了世界上一些最大的天然气矿藏。
德克萨斯州的Barnett页岩是在页岩储层岩石中开发的第一个主要天然气田。从Barnett页岩生产天然气是一个挑战。页岩中的孔隙非常小，以至于气体很难通过页岩进入井内。钻探人员发现，他们可以通过在压力高到足以使页岩致裂的压力下将水泵入井中来增加页岩的渗透性。这些裂缝从孔隙中释放出一些气体，并使该气体流到井中。该技术被称为“水力压裂”或“加氢裂化”。
钻探人员还学习了如何钻探至页岩水平并将井旋转90度，以在页岩层中水平钻探。这样就形成了一个穿过储层岩石的带很长“产油层”的井（参见插图）。这种方法称为“水平钻孔”。
水平钻井和水力压裂彻底改变了钻井技术，为开发几个巨大的天然气田铺平了道路。这些包括阿巴拉契亚山脉的马塞勒斯页岩，路易斯安那州的海恩斯维尔页岩和阿肯色州的费耶特维尔页岩。这些巨大的页岩储层拥有足够的天然气，可以满足美国长达20年或更长时间的需求。
砖瓦的页岩： 页岩被用作制造多种类型的砖，瓦，管，陶和其他制成品的原料。砖和瓦是用于房屋，墙壁，街道和商业建筑的最广泛使用和高度期望的材料。图片版权iStockphoto / Guy Elliott。
页岩用于生产粘土
每个人都与由页岩制成的产品接触。如果您住在砖砌房屋中，在砖砌道路上行驶，住在有瓦屋顶的房屋中或将植物放在“陶土”花盆中，则您每天都会与可能由页岩制成的物品接触。
许多年前，这些相同的物品都是用天然粘土制成的。但是，大量使用耗尽了大部分的小粘土沉积物。需要新的原材料来源，制造商很快发现，将磨碎的页岩与水混合会产生通常具有相似或优越性能的粘土。如今，曾经由天然粘土制成的大多数物品已被几乎相同的由泥土制成的物品所代替，这些粘土是通过将细磨的页岩与水混合制成的。
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用于生产水泥的页岩
水泥是另一种通常用页岩制成的常见材料。为了制造水泥，将破碎的石灰石和页岩加热到足够高的温度，以蒸发掉所有水并将石灰石分解为氧化钙和二氧化碳。二氧化碳以排放物的形式损失掉，但氧化钙与加热的页岩相结合，可制成粉末，与水混合后会变硬并使其干燥。水泥用于制造建筑行业的混凝土和许多其他产品。
油页岩： 一种岩石，其中包含大量固态干酪根形式的有机材料。固体的有机材料最多可占岩石的1/3。该样本大约四英寸（十厘米）。
油页岩
油页岩是一种岩石，其中包含大量的干酪根形式的有机物质。多达1/3的岩石可以是固态干酪根。可以从油页岩中提取液态和气态烃，但是必须对岩石进行加热和/或用溶剂处理。这通常比钻探将石油或天然气直接产出井中的岩石的效率低得多。从油页岩中提取碳氢化合物会产生排放物和废物，造成严重的环境问题。这就是为什么世界上大量的油页岩矿床没有得到积极利用的原因之一。
油页岩通常满足“页岩”的定义，因为它是“由至少67％的粘土矿物组成的层压岩”。但是，有时它含有足够的有机物质和碳酸盐矿物，以至于粘土矿物不到岩石的67％。
页岩岩心样品： 当钻探页岩进行石油，天然气或矿产资源评估时，通常会从井中回收岩心。然后可以测试岩心中的岩石，以了解其潜力以及如何最好地开发资源。
页岩的组成
页岩是一种主要由粘土大小的矿物颗粒组成的岩石。这些微小的晶粒通常是粘土矿物，例如伊利石，高岭石和蒙脱石。页岩通常含有其他粘土大小的矿物颗粒，例如石英，石和长石。其他成分可能包括有机颗粒，碳酸盐矿物，氧化铁矿物，硫化物矿物和重矿物颗粒。岩石中的这些“其他成分”通常由沉积的页岩环境决定，并且它们通常决定岩石的颜色。
黑色页岩： 有机物丰富的黑色页岩。天然气和石油有时被困在这类页岩的微小孔隙中。
页岩的颜色
像大多数岩石一样，页岩的颜色通常取决于少量特殊材料的存在。仅有百分之几的有机材料或铁会显着改变岩石的颜色。
页岩气的作用： 自1990年代后期以来，数十种以前无法生产的黑色有机页岩已成功开发成有价值的气田。请参阅文章：“什么是页岩气？”
黑色和灰色页岩
沉积岩中的黑色几乎总是表明有机物质的存在。仅有百分之一或百分之二的有机物质可以使岩石具有深灰色或黑色。另外，这种黑色几乎总是意味着由在缺氧环境中沉积的沉积物形成的页岩。任何进入环境的氧气都会迅速与腐烂的有机碎片发生反应。如果存在大量氧气，有机碎片将全部腐烂。缺氧的环境也为硫化物矿物（如黄铁矿）的形成提供了适当的条件，黄铁矿是大多数黑色页岩中发现的另一种重要矿物。
黑色页岩中有机残渣的存在使其成为石油和天然气发电的候选者。如果保留有机材料并在埋葬后适当加热，则可能会产生石油和天然气。巴内特页岩，马塞勒斯页岩，海恩斯维尔页岩，费耶特维尔页岩和其他产气岩都是产生天然气的深灰色或黑色页岩。北达科他州的巴肯页岩和得克萨斯州的伊格福特页岩就是产生石油的页岩实例。
灰色页岩有时含有少量有机物。但是，灰色页岩也可以是含有钙质物质的岩石，也可以是仅导致灰色的粘土矿物。
尤蒂卡和马塞勒斯页岩： 阿巴拉契亚盆地的两个黑色有机页岩被认为含有足够的天然气来供应美国数年。这些是Marcellus页岩和Utica页岩。
红色，棕色和黄色页岩
沉积在富氧环境中的页岩通常含有微小的氧化铁或氢氧化铁矿物颗粒，例如赤铁矿，针铁矿或褐铁矿。分布在岩石中的这些矿物中仅有百分之几会产生许多类型的页岩所呈现的红色，棕色或黄色。赤铁矿的存在会产生红色页岩。褐铁矿或针铁矿的存在会产生黄色或棕色页岩。
绿色页岩
偶尔发现绿色页岩。这不足为奇，因为构成这些岩石大部分体积的某些粘土矿物和云母通常呈绿色。
天然气页岩井： 在不到十年的时间里，页岩气在能源领域突飞猛进。水力压裂和水平钻井等新的钻井和开发方法可以挖掘困在有机页岩致密基质中的石油和天然气。图片版权iStockphoto /爱德华·托德（Edward Todd）。
页岩的水力特性
水力学性质是岩石的特征，例如渗透率和孔隙率，反映了其保持和传输水，油或天然气等流体的能力。
页岩的粒径非常小，因此间隙空间很小。实际上，它们是如此之小，以至于石油，天然气和水很难通过岩石。因此，页岩可以用作石油和天然气捕集阱的盖层，并且也是阻止或限制地下水流的蓄水层。
尽管页岩中的间隙空间很小，但它们会占据大量的岩石。这使页岩可容纳大量的水，气或油，但由于渗透率低，因此无法有效地传输它们。石油和天然气工业通过使用水平钻井和水力压裂技术在岩石内部产生人工孔隙度和渗透率，从而克服了页岩的这些限制。
页岩中的某些粘土矿物具有吸收或吸附大量水，天然气，离子或其他物质的能力。页岩的这一特性使其能够有选择地，顽强地保持或自由释放流体或离子。
膨胀土图： 美国地质调查局为下48个州准备了一张广义的膨胀土壤图。
页岩土的工程性质
页岩和由它们衍生的土壤是最麻烦的材料。它们的体积和性能会发生变化，这通常会使它们成为不可靠的建筑基材。
滑坡： 页岩是易发生滑坡的岩石。
膨胀土
一些页岩土质中的粘土矿物具有吸收和释放大量水的能力。水分含量的这种变化通常伴随着体积变化，该变化可能高达百分之几。这些材料称为“膨胀土”。当这些土壤变湿时，它们会膨胀，而当它们变干时，它们就会收缩。体积变化的力和运动可能会削弱或损坏放置在这些材料上或内部的建筑物，道路，公用事业线或其他结构。膨胀土壤是美国建筑物基础破坏的最常见原因之一。
页岩三角洲： 三角洲是沉积物沉积物，是在溪流进入静止的水体时形成的。溪流的水速突然降低，被输送的沉积物沉降到底部。三角洲是沉积最大量泥浆的地方。上图是密西西比三角洲的卫星视图，显示了其分布渠道和分布间沉积。三角洲周围明亮的蓝色水充满了沉积物。
边坡稳定性
页岩是最常与滑坡有关的岩石。风化作用使页岩转变为富含粘土的土壤，该土壤通常具有非常低的剪切强度-特别是在潮湿时。当这些低强度材料潮湿并在陡峭的山坡上时，它们可以缓慢或快速地向下倾斜。人为超载或挖掘经常会引发故障。
火星上的页岩： 页岩也是火星上非常常见的岩石。这张照片是由火星好奇号漫游车的桅杆相机拍摄的。它显示了大风火山口中露出的薄层裂变页岩。好奇心在大风火山口的岩石中钻孔，并在钻屑中发现了粘土矿物。 NASA图片。
页岩沉积环境
泥土的堆积始于岩石的化学风化作用。这种风化作用将岩石分解成粘土矿物和其他小颗粒，这些颗粒通常成为当地土壤的一部分。一场暴雨可能会将土地上的细小土壤颗粒冲入溪流中，使溪流呈“泥泞”状。当水流减慢或进入站立的水域（如湖泊，沼泽或海洋）时，泥浆颗粒沉降到底部。如果不受干扰并被掩埋，那么这些淤泥的堆积可能会转变成称为“泥岩”的沉积岩。这就是大多数页岩的形成方式。
页岩形成过程并不局限于地球。火星探测器在火星上发现了许多露头，它们的沉积岩单元看上去就像地球上发现的页岩一样（见图）。