オイルシェールの地質

オイルシェール地質学は、オイルシェールの形成と組成を研究する地質科学の一分野です。オイルシェールは、多量のケロゲンを含み、腐泥燃料のグループに属する細粒の堆積岩です。^[1]オイルシェールの形成は、さまざまな堆積環境で発生し、組成にかなりのばらつきがあります。オイルシェールは、その組成（方解石などの炭酸塩鉱物、または石英や粘土などの砕屑性鉱物）または堆積環境（大きな湖、浅い海、ラグーン/小さな湖の環境）によって分類できます。オイルシェールの有機物の多くは藻類由来ですが、維管束陸上植物の残骸も含まれている可能性があります。オイルシェールに含まれる有機物（マセラル）の3つの主要なタイプは、テルアルギナイト、ラマルギナイト、ビチューメンです。^{[2]一部のオイルシェール鉱床には}バナジウム、亜鉛、銅、ウランなどの金属も含まれています。^{[1] [3]}

オイルシェール鉱床のほとんどは、中期カンブリア紀、前期および中期オルドビス紀、後期デボン紀、後期ジュラ紀、古第三紀に、藻類沼地堆積物の上に堆積物が堆積して埋没し、続成作用によって有機物がケロジェンに変換されて形成された。 [ ^{1] [4]最大の鉱床は、米国ワイオミング州とユタ州の}グリーンリバー層 の鉱床など、大きな湖の残骸に見られる。大陸棚の浅い海で形成されたオイルシェール鉱床は、一般的に大きな湖盆の鉱床よりもはるかに薄い。^[5]

オイルシェールは腐泥燃料のグループに属します。^[1] 明確な地質学的定義や特定の化学式はなく、その層は必ずしも明確な境界を持つわけではありません。オイルシェールは、鉱物含有量、化学組成、年齢、ケロゲンの種類、堆積履歴において大きく異なり、すべてのオイルシェールが必ずしも厳密な意味でシェールに分類されるわけではありません。 ^{[6]共通の特徴は、低沸点有機溶媒への}溶解性が 低く、熱分解により液体有機生成物を生成することです。^[7]

オイルシェールは、鉱物含有量、ケロゲンの種類、年代、堆積の歴史、由来する生物によって様々な分類があります。既知のオイルシェール鉱床の年代は、カンブリア紀から古第三紀に及びます。岩相は頁岩、泥灰岩、炭酸塩岩で構成されており、いずれも有機物と無機物が密接に結合した混合物です。^[6]

オイルシェールは鉱物組成に基づいて、炭酸塩に富む頁岩、珪質頁岩、キャネル頁岩の3つのカテゴリに分類されています。炭酸塩に富む頁岩は、方解石やドロマイトなどの炭酸塩鉱物を大量に含むことからその名前が付けられています。オイルシェールでは20種類もの炭酸塩鉱物が見つかっており、その大部分は自生または続成作用によるものと考えられています。炭酸塩に富むオイルシェール、特に湖沼起源の鉱床では、通常、有機物に富む層が炭酸塩に富む層に挟まれています。これらの鉱床は風化に強い硬い地層であり、原位置以外で処理することが困難です。^{[8] [9]} 珪質オイルシェールは通常、暗褐色または黒色の頁岩です。^[9]これらは炭酸塩に富んでおらず、石英、長石、粘土、チャート、オパールなどの珪質鉱物が豊富です。珪質頁岩は炭酸塩を多く含む頁岩ほど硬くなく、耐候性も高くないため、原位置以外での抽出に適している可能性がある。^{[8]キャネル頁岩は通常、暗褐色または黒色の頁岩で、他の鉱物粒子を完全に包み込んだ有機物から構成されている。}原位置以外 での抽出に適している。^[9]

ケロゲンの種類による別の分類は、オイルシェールの元の有機物の水素、炭素、酸素含有量に基づいています。この分類は、ヴァン・クレベレン図を使用しています。^[6] 最もよく使われているオイルシェールの分類は、1987年から1991年の間にウーロンゴン大学のエイドリアン・C・ハットンによって開発され、石炭用語から岩石学用語を採用しました。この分類によると、オイルシェールは、最初のバイオマスが堆積した環境に基づいて、陸生、湖生（湖底堆積）、海洋生（海底堆積）に分類されます。^{[2] [3]}ハットンの分類体系は、抽出された石油の収量と組成を推定するのに有効であることが証明されています。^[10]

キャネル炭（キャンドル炭とも呼ばれる）は陸上頁岩の一種で、水素を豊富に含んだ褐色から黒色の石炭で、頁岩のような質感を持つこともある。樹脂、胞子、ワックス、陸上維管束植物由来の表皮物質やコルク質物質、ならびに様々な量のビトリニットとイナーチニットから構成される。湖沼頁岩はラモサイトとトルバナイトからなる。ラモサイトは淡褐色、灰褐色から暗灰色、黒色の油頁岩で、主な有機成分は湖沼のプランクトン性藻類由来のラマルギナイトである。スコットランドのトルバン・ヒルにちなんで名付けられたトルバナイトは黒色の油頁岩で、その有機物は脂質が豊富なボツリオコッカスおよび関連藻類由来のテルアルギナイトである。海成頁岩は、クーカーサイト、タスマナイト、マリナイトの3種類からなる。エストニアのククルセにちなんで名付けられたクケルサイトは、淡褐色の海洋油頁岩で、その主な有機成分は緑藻類Gloeocapsomorpha prisca由来のテルアルギナイトです。タスマニアにちなんで名付けられたタスマナイトは、茶色から黒色の油頁岩で、その有機物は主に海洋起源の単細胞タスマニア藻類由来のテルアルギナイトで構成されています。マリナイトは、灰色から暗灰色、黒色の海洋起源の油頁岩で、主な有機成分は海洋植物プランクトン由来のラマルギナイトとビチューメンで、ビチューメン、テルアルギナイト、ビトリナイトのさまざまな混合物が含まれています。^[3]

腐植燃料としてのオイルシェールは、有機物含有量が低い点で腐植燃料とは異なります。有機物の水素と炭素の原子比は約 1.5 で、原油とほぼ同じで、石炭の 4 ～ 5 倍です。オイルシェールの有機物は複雑な高分子構造を形成し、一般的な有機溶媒には溶けません。^{[1] [10]} オイルシェールにはさまざまな量の鉱物質が混合されています。商用グレードのオイルシェールの場合、有機物と鉱物質の比率は約 0.75:5 ～ 1.5:5 です。^[10]

オイルシェールの有機部分は、主にビチューメン前のビチューメン質基質で構成されており、藻類の残骸、胞子、花粉、草本植物と木本植物のクチクラとコルク質の破片、その他の湖沼植物、海洋植物、陸上植物の細胞残骸などが含まれています。^{[10] [11]} 陸上のオイルシェールには、樹脂、胞子、ワックス状のクチクラ、維管束陸上植物の根と茎のコルク質組織が含まれますが、湖沼のオイルシェールには、藻類に由来する脂質が豊富な有機物が含まれます。海洋のオイルシェールは、海洋藻類、アクリターク、海洋の渦鞭毛藻で構成されています。^[10]オイルシェールの有機物には、有機硫黄（平均約1.8％）と、より低い割合の窒素も含まれています。^[1]

オイルシェールに含まれる有機物（マセラル）の3つの主要なタイプは、テルアルギナイト、ラマルギナイト、ビチューミニットである。テルアルギナイトは、ボツリオコッカスやタスマナイトなどの大きな群落性または厚壁の単細胞藻類で構成される構造化有機物と定義される。ラマルギナイトには、明確な層として発生するが、認識可能な生物学的構造をほとんどまたはまったく示さない薄壁の群落性または単細胞藻類が含まれる。顕微鏡下では、テルアルギナイトとラマルギナイトは、紫外線/青色蛍光灯の下で明るい黄色に染まるため、簡単に認識できる。ビチューミニットは大部分が非晶質で、認識可能な生物学的構造を欠き、顕微鏡下で比較的弱い蛍光を示す。その他の有機成分には、陸上植物の腐植物質に由来するマセラルであるビトリニットとイナーチニットがある。これらのマセラルは、ほとんどのオイルシェールで通常比較的少量で見つかる。^[2]

オイルシェールの鉱物には、方解石、ドロマイト、菱鉄鉱、石英、ルチル、正長石、アルバイト、灰長石、白雲母、角閃石、白鉄鉱、褐鉄鉱、石膏、ナーコライト、ドーソナイト、ミョウバンなどの細粒のケイ酸塩鉱物と炭酸塩鉱物が含まれています。オイルシェール鉱床の中には、バナジウム、亜鉛、銅、ウランなどの金属も含まれているものがあります。^{[1] [3]}

オイルシェール鉱床のほとんどは、中期カンブリア紀、前期および中期オルドビス紀、後期デボン紀、後期ジュラ紀、古第三紀に形成されました。^[1]これらは、淡水から高塩分の湖、大陸棚、潮間帯下の海盆など、さまざまな堆積環境での有機物の堆積によって形成され、三日月湖、泥炭地、湖沼および沿岸湿地、湿原などの河口域に限られていました。^[3]植物がこのような嫌気性水環境で死ぬと、酸素レベルが低いため、細菌による完全な腐敗が妨げられます。^[4]

分解されていない有機物が保存され、オイルシェールを形成するには、藻類の層が十分に厚くなるよう、環境が長期間にわたって均一に保たれる必要があります。最終的には、藻類湿地やその他の制限された環境が破壊され、オイルシェールの蓄積が止まります。藻類湿地堆積物の上に堆積物が堆積すると、次の通常の続成作用によって有機物がケロゲンに変換されます。

• 堆積物が石炭に積み重なって固まり、有機物が圧縮される。
• 継続的な熱と圧縮により、泥炭内の水分と化石植物の細胞内構造から水分が除去され、分子状の水も除去されます。
• メタン生成は、圧力鍋で木材を処理するのと似ており、メタンが生成され、水素、一部の炭素、さらに酸素が除去されます。
• 脱水によりセルロースや他の植物分子からヒドロキシル基が除去され、水素還元石炭またはオイルシェールが生成されます。 ^[4]

オイルシェールは形成過程が似ているものの、石炭とはいくつかの点で異なります。オイルシェールと石炭に含まれる有機物の前駆体は、オイルシェールが藻類由来である点と、石炭に含まれる有機物の多くを構成する維管束陸上植物の残骸も含まれる点が異なります。オイルシェールに含まれる有機物の一部は、前駆体生物の特定に役立つ認識可能な生物学的構造がないため、起源が不明です。このような物質は細菌由来か、藻類やその他の有機物の細菌分解産物である可能性があります。^[3]

炭化水素生成の他のモードと比較して、続成作用中の温度と圧力が低いため、オイルシェールの成熟度は低くなります。継続的に埋没し、時間の経過とともにさらに加熱と圧力が上昇すると、オイルシェールの根源岩から従来の方法で石油とガスを生産できるようになります。^[12]最大の鉱床は、米国ワイオミング州とユタ州のグリーンリバー層の鉱床など、大きな湖の残骸に見られます。大きな湖のオイルシェール盆地は通常、山脈形成によるブロック断層または地殻の歪みのある地域で見つかります。グリーンリバーなどの鉱床は、2,000フィート（610 m）にもなり、シェール1トン（166 L/t）あたり最大40ガロンの石油を産出することがあります。^[9]

大陸棚の浅い海に形成されるオイルシェール鉱床は、一般的に大きな湖沼盆地の鉱床よりもはるかに薄い。これらは通常数メートルの厚さで、数千平方キロメートルに及ぶ非常に広い範囲に広がっている。オイルシェールの 3 つの岩相タイプのうち、珪質オイルシェールはこのような環境でよく見られる。これらのオイルシェールは湖に堆積するオイルシェールほど有機物に富んでおらず、通常、オイルシェール 1 トンあたり 30 ガロンを超える抽出可能な石油は含まれない。ラグーンや小さな湖の環境に堆積するオイルシェールは、ほとんど広範ではなく、石炭を含む岩石と関連していることが多い。^{[5] [9]} これらのオイルシェールは、オイルシェール 1 トンあたり 40 ガロン (166 L/t) という高収量になることがある。しかし、面積が小さいため、商業的に採掘される可能性は低いと考えられている。^[3]

米国には、規模、品位、場所の点で商業開発に適した 2 つの重要なオイルシェール鉱床があります。始新世の グリーンリバー層は、コロラド州、ワイオミング州、ユタ州の一部を覆っています。2 つ目の重要な鉱床は、米国東部のデボン紀のオイルシェールです。どちらの場所にも、埋蔵量と品質が異なるサブ盆地があります。グリーンリバー層のオイルシェールは、グリーンリバー、ユインタ、ピセアンスクリーク、サンドウォッシュ、ワシャキーの 5 つの堆積盆地で見つかります。最初の 3 つは、1960 年代から大規模な探査が行われ、オイルシェール埋蔵量の商業化が試みられてきました。グリーンリバー層には、前期始新世から中期始新世にかけて推定 65,000 平方キロメートル (25,100 平方マイル) を超える面積を覆った 2 つの大きな湖の鉱床が含まれています。 1000万年の間に 、湖は閉鎖系となり、大きさ、塩分、堆積物に多くの変化が生じた。オイルシェールの堆積は、湖で繁殖した藍藻類の豊富な繁殖によるものである。^[3]

米国東部の約75万平方キロメートル（289,580平方マイル）の下にあるオイルシェールは、グリーンリバー盆地とは非常に異なる海洋堆積環境で形成されました。これらの鉱床も商業化の試みが行われており、天然ガスの資源でもあり、低品位のオイルシェールの採掘が行われてきました。これらのオイルシェールは、後期デボン紀から前期ミシシッピ 紀にかけて形成されました。この時期、米国東部の大部分は広く浅い海に覆われていました。オイルシェールは、無酸素状態下でプランクトン性藻類がゆっくりと堆積した結果であると考えられています。海岸線に近い盆地の一部では、オイルシェールの形成を助けた有機混合物に、隆起したアパラチア山脈からの有機物を多く含む堆積物が含まれています。^[3]

ブラジルには、オイルシェール鉱床の重要な場所が 9 か所あります。パライバ渓谷とイラティ層のオイルシェール鉱床の規模、場所、品質は、最も注目を集めています。この 2 つの鉱床には、推定 14 億バレルのシェールオイルが埋蔵されており、 総資源量は 30 億バレル以上になります。「イラティ層」鉱床は 2 つのうち小規模で、推定 6 億バレルのシェールオイルが埋蔵されているのに対し、パライバ渓谷層は 8 億 4000 万バレルですが、前者の方が経済的に実行可能です。^[3]

イラティ層は、12メートル（40フィート）の石灰岩と頁岩で隔てられた2つのオイルシェール層から構成されています。上層は厚い（9メートル（30フィート））のですが、より薄い下層（4メートル（10フィート））の方が価値が高く、シェールオイルの重量パーセントは下層で約12％であるのに対し、上層では7％です。オイルシェールの収量は横方向に変化し、下層では7％、上層では4％程度になることもあります。この層は非常に細粒で層状の堆積物で、色は濃い灰色から茶色、黒まであります。頁岩の60～70％は粘土鉱物で構成されていますが、残りは有機物で構成されています。^[3]

イラティ油頁岩の正確な堆積性については、まだ意見の一致が得られていない。ある説では、イラティ油頁岩の有機物は、淡水から汽水までの塩分濃度の湖沼環境に堆積した藻類に由来するとされている。他の説では、有機堆積物は浅く部分的に制限された海洋環境に堆積した可能性があるとされている。ハットンの分類では、海洋起源の油頁岩とされている。^[3]

エストニアのオルドビス紀のクケルサイトオイルシェールは、バルト海オイルシェール盆地の一部であり、浅い海洋環境に堆積しました。この鉱床は、有機物含有量が40%を超え、シェールオイルとガスへの転換率が66%である世界最高品位の鉱床の1つです。オイルシェールは、厚さ2.5〜3メートル（8.2〜9.8フィート）の単一の石灰質層にあり、7〜100メートル（23〜328フィート）の深さに埋まっています。^[6]盆地の総面積は約3,000平方キロメートル（1,200平方マイル）です。^[1]クケルサイトからの石油収率は30〜47%です。有機物のほとんどは化石緑藻Gloeocapsomorpha priscaに由来し、これは現代のシアノバクテリアであるEntophysalis majorと類似性があり、現存種は潮間帯から非常に浅い潮下帯の海域で藻類マットを形成します。 ^[14]基質鉱物には、マグネシウム含有量の低い方解石、ドロマイト、珪質砕屑鉱物が含まれます。重金属は豊富ではありません。^[3]

オイルシェール鉱床は、ほとんどの従来型石油貯留層の根源岩として、世界中のすべての油田地帯で発見されているが、そのほとんどは経済的に採掘するには深すぎる。^[15]すべての石油およびガス資源と同様に、アナリストはオイルシェール資源とオイルシェール埋蔵量を区別している。「資源」はすべてのオイルシェール鉱床を指し、「埋蔵量」は生産者が既存の技術を使用してオイルシェールを経済的に抽出できる鉱床を表す。抽出技術は継続的に開発されているため、計画者は回収可能なケロゲンの量を推定することしかできない。^{[16] [3]} オイルシェールの資源は多くの国で発生しているが、経済的価値がある可能性のある鉱床が知られているのは33カ国のみである。^{[17] [18]} 十分に調査され、潜在的に埋蔵量として分類できる鉱床としては、米国西部のグリーンリバー鉱床、オーストラリアのクイーンズランド州の第三紀鉱床、スウェーデンとエストニアの鉱床、ヨルダンのエルラジジュン鉱床、フランス、ドイツ、ブラジル、中国、南モンゴル、ロシアの鉱床などがある。これらの鉱床は、フィッシャー分析法を用いて、オイルシェール1トンあたり少なくとも40リットルのシェールオイルを産出すると期待されている。^{[3] [6]}

2008年の推計では、世界のオイルシェール資源は合計689 ギガトンとされており 、これはシェールオイル4.8兆バレル（7600億立方メートル）の産出量に相当し、最大の埋蔵量は米国で、 3.7兆バレル（5900億立方メートル）あると考えられているが、回収可能なのはその一部に過ぎない。^[19]国際エネルギー機関による2010年の世界エネルギー見通し によると、世界のオイルシェール資源は5兆バレル（7900億立方メートル）以上の石油に相当し、そのうち1兆バレル（1600億立方メートル）以上が技術的に回収可能である可能性がある。^[15] 比較のために、2007年1月1日時点で、世界の確認済み在来型石油埋蔵量は1兆3,170億バレル（209.4 × 10 ⁹  m ^{3 ）と推定されている。 [20]世界で最大の商業用鉱床は、}コロラド州、ユタ州、ワイオミング州の一部を覆う 米国のグリーンリバー層にあり、この資源の約70％は米国連邦政府が所有または管理する土地にある。^[21] 米国の鉱床は世界の資源の62％を占め、米国、ロシア、ブラジルの3か国を合わせると、シェールオイル含有量で世界の資源の86％を占める。^[17]これらの数字はまだ暫定的なものであり、いくつかの鉱床の探査や分析がまだ未完了である。^[3]ウィスコンシン大学マディソン校のアラン・R・キャロル教授は、これまでの世界的なオイルシェール評価では見られなかった中国北西部の上部ペルム紀の湖沼オイルシェール鉱床は、規模がグリーンリバー層に匹敵すると考えています。^[22]^

• オイルシェール産業
• オイルシェール埋蔵量

• 米国コロラド州グリーンリバー層のオイルシェールの写真。2012 年 2 月 10 日閲覧。