زغال‌سنگ و نفت چگونه به وجود می‌آيند؟

مقدمه

نحوه تشکیل نفت-گردش معکوس در کارگاه آفرینش ، شاید درک آنچه را که بحران انرژی خوانده می‌شود ، میسر کند. کل قضیه ، میلیاردها سال قبل و با فرآیندهای تبدیل انرژی خورشيد به آدنوزین تری فسفات (ATP) آغاز شد. کلروفیل‌ها و سایر رنگدانه‌های گیاهان ، انرژی خورشید را برای تبدیل دی‌اکسیدکربن ، آب و مواد معدنی به اکسیژن و ترکیبات آلی انرژی‌دار ، به کار برده و غذای موجودات کوچک و بزرگ از جمله انسان اندیشه‌ورز را فراهم می‌آورند. این فرآیند پُر سود ، همچنین باعث افزایش ذخایر معدنی آلی (از قبیل : هیدروکربن‌های زغال‌سنگ ، نفت و گاز طبیعی) می‌شود.

مراحل تشکیل انوع زغال‌سنگ

زغال سنگ نام یک كانی سياه رنگ و پر انرژی است ، كه از بقایای درختان ، بوته‌ها و سایر گیاهان زنده‌ی سال به وجود می‌آید. نشو و نمای این گیاهان در دوره‌هایی که آب و هوای زمین ملایم و مرطوب زغال سنگ ، يك سنگ رسوبی است.بود ، صورت گرفت. اگر چه برخی از معادن زغال‌سنگ 400 میلیون سال قبل و در دوره انسان سیلوری (Silurian : انسان سیلوری در دوره سوم از دوران اول زمین‌شناسی ظاهر شد. ویژگی این دوره ظهور گیاهان خشکی است.) تشکیل یافته است ، اما قسمت اعظم این ذخایر تقریبا 250 میلیون سال پیش و در دوره فوقانی و تحتانی دوران‌های کربونیفر (Carboniferous : دوره کربونیفر یا زغال‌خیز به بخشی از زمان می‌گویند که به پایان دوران اول زمین‌شناسی مربوط بوده و از حدود 345 میلیون سال قبل آغاز می‌شود.) پدید آمدند. سپس اوضاع برای رشد سرخس‌های دانه‌دار گرمسیری بسیار عظیم و درختان بدون گل غول پیکر ، در باتلاق‌های وسیع فراهم شد. این گیاهان بعد از خشک شدن و از بین رفتن به داخل باتلاق‌ها می‌افتادند و بر اثر خروج اکسیژن ، فساد بی‌هوازی تسریع می‌شد. پوشش گیاهی به ماده‌ای لجن مانند ، به نام پیت (Peat) تبدیل شد. پیت‌ها بسته به درجه فساد ، برخی قهوه‌ای و اسفنجی و بعضی سیاه و فشرده بودند. دریا بر روی چنین ته‌نشست‌هایی پیشروی کرد و رسوبات معدنی بر روی آنها فرو نشست. پیت در زیر فشار خشک و سخت شد و به زغال‌سنگ پیت (لنیت یا لیگنیت ، که به زغال‌سنگ قهوه‌ای نیز موسوم است) تبدیل شد. فشار بیشتر و گذشت زمان ، زغال‌سنگ قیردار را به وجود آورد ، که هر 6 متر ضخامت رسوب گیاهان نخستین به ۰.۳ متر زغالسنگ تبدیل شده بود. فشارهای زیادتر که ناشی از چین‌خوردگی پوسته زمین ، به صورت رشته کوههای عظیم بود ، سخت‌ترین و مرغوب‌ترین نوع زغالسنگ ، یعنی آنتراسیت (Anthracite) را به وجود آورد. کیفیت زغال‌سنگ از روی نسبت مقدار کربن تثبیت شده ، به مقادیر رطوبت و ماده‌ی فرار (ماده‌ای که بر اثر حرارت به گاز تبدیل می‌شود) تعیین می‌گردد.

منشأ نفت و گاز طبیعی

با همه تلاش گسترده و صرف وقت فراوانی که برای یافتن و استخراج نفت و گاز طبیعی صورت گرفته است ، انسان هنوز درباره منشأ این مواد به نحو شگفتی بی‌اطلاع است. پاره‌‌ای واقعیت‌های پذیرفته شده در این مورد عبارتند از :

۱- نفت و گاز از ترکیباتی با منشأ زیست شناختی (بیولوژیکی) تشکیل شده‌اند.

۲- قسمت اعظم انواع نفت محتوی پورفیرین (مجموعه‌ای از ترکیبات هیدروکربن‌دار) است ، که یا از کلروفیل و یا از « همین » (Hemin) - ماده قرمز کننده‌ی خون - مشتق شده‌اند.

۳- قسمت‌های لیپیدی موجودات (چربی‌ها و مومها) ، منبع سرشاری برای تشکیل نفت و گاز فراهم آورده‌اند.

۴- امکان دارد که در اوضاع فعلی بتوان هیدروکربن‌های نفت‌مانند را در رسوب‌های جوان دریایی پیدا کرد.

* بايد توجه داشت كه : نفت معمولا با سنگ‌های رسوبی که بر اثر فعالیت‌های دریایی ته‌نشین شده‌اند ، توأم است.

حدسی دیگر  در رابطه با تشكيل نفت

احتمالا ماده‌ای آلی که نفت را به وجود آورده است ، شامل گیاهان پلانکتونی تک‌ یاخته‌ای از قبیل دیاتمها (Diatom : جلبک تک یاخته‌ای یا چند یاخته‌ای بوده ، که دارای جدارهای یاخته‌ای سیلیسی است) ، جلبک سبز و آبی و حیوانات پلانکتونی تک یاخته‌ای مانند فورامینی‌فرا (Foraminefera : موجود ذره‌‌بینی دارای پوسته آهکی) بوده است. این شکلهای ابتدایی حیات ، در بیش از یک میلیارد سال قبل فراوان بودند و می‌توانسته‌اند به عنوان منبع ذخایر نفت موجود در سنگهای دوران قبل از کامبرین (Precamberian : قدیمیترین دوران زمین‌شناسی) و اواخر دوران اول زمین‌شناسی مورد استفاده واقع شده باشند. پس از مرگ این یاخته‌ها ، حفظ مواد آلی ، مستلزم دفن سریع آنها در زیر رسوب‌های ریزبافت و رسی ‌است. مواد مدفون شده باید از تأثیر اکسیژن محفوظ بمانند ، زیرا اکسیژن باعث شکستن مولکول‌ها و نابودی کامل مواد می‌شود.

دیاژنز

دیاژنز به مجموعه اعمالی گفته می‌شود که در ضمن آن ، تغییرات شیمیایی ، رسوبات سست را به صخره تبدیل می‌کند. این پدیده با حرارت و فشار نسبتا پایین صورت می‌گیرد. دياژنز از این واقعیت ناشی می‌شود که نفت را می‌توان به مقادیری که از نظر تجاری مقرون به صرفه باشد ، در اعماق بین 30 تا 7500 متر پیدا کرد. این تفاوت عمیق معرف آن است که برای تشکیل نفت ، وجود فشار یک ضرورت اجتناب‌ناپذیر نیست. دمای زیاد (یعنی بالاتر از 600 درجه سانتیگراد) نیز ضرورتی ندارد.

ترکیبات نفت خام

نفت خام   نفت خام مايعی تيره رنگ است و بوی مخصوصی دارد. اين مايع ترکیبی از هزاران ماده شیمیایی مختلف بوده ، که از گازهای بسیار سبک تا مواد نیمه جامدی مانند قیر ، موم یا پارافین در آن یافت می‌شود. تقریبا 8 درصد نفت موجود در سنگ‌های دوران اول زمین‌شناسی و 63 درصد آن در سنگ‌های دوران سوم زمین‌شناسی و 29 درصد در سنگ‌های دوره‌ی اول از دوران چهارم زمین‌شناسی تا عصر یخچال‌ها یافت می‌شود.

افسانه‌های بابلیان در مورد نفت

کلمه بابلی نپتو (Naptu) (که به یونانی به صورت نفتا (Naphtha) تغییر شکل داد و به معنای مایع قابل اشتعال به کار می‌رفت) ، 2000 سال قبل از میلاد مسیح رایج و به مفهوم شعله کردن استعمال می‌شد. در الواح معبد بابل ، از آن به عنوان چیزی بد یمن یاد شده و از خدایان خشمگین ، که آن را با برق آسمان به آتش کشیده است ، سخن به میان آمده است. صدای گازی که از شکاف سنگ‌ها خارج می‌شود ، توسط شاه توکولتی نینورتا (King Tukulti Ninurta) - پادشاه بابل در 885 سال قبل از میلاد - به عنوان صدای خدایان ، که از شکاف صخره‌ها سخن می‌گویند ، توصیف شده است.

پالایش نفت

نفت خام حاصل از چاه دارای مواد ناخواسته (از قبیل آب و جامداتی مانند : شن ، قیر و گازهای متان و اتان) می‌باشد. برای جداسازی اینگونه عوامل ، آن را وارد مخازنی می‌کنند ، تا جامدات موجود در آن ته‌نشین شده و گازهای آن خارج شود. سپس وارد جداساز سانتریفوژی می‌شود ، که نقش آن جدا کردن تتمه آب ، گاز و جامدات معلق در آن می‌باشد. برای حذف نمک‌های معدنی ، نفت را با آب ولرم می‌شویند. آنگاه قسمتی از نفت توسط لوله به پالایشگاه فرستاده شده و قسمتی جهت صدور به بنادر تلمبه می‌شود.

تقطیر

برای تفکیک برش‌های متشکله نفت خام ، عملیات فیزیکی و شیمیایی چندی بر روی آن به عمل می‌آورند ، تا فرآورده‌های مورد نیاز جامعه امروزی را تولید نمایند. از مهمترین آنها تقطیر جزء به جزء نفت است که در برج تقطیر صورت می‌گیرد. تقطیر جزء به جزء عبارت است از یک سری تبخیر و ميعان که در سینی‌های یک برج استوانه‌ای صورت می‌گیرد. مایعات خالص در فشار محیط ، در دمایی به جوش می‌آیند که در آن دما ، فشار بخار آن برابر فشار محیط گردد. مایعات مخلوط در حدود دمایی که حاصل جمع فشار‌های جزئی عوامل تشکیل‌دهنده‌ی آنها برابر فشار محیط می‌گردد ، به جوش می‌آید. در نقطه جوش ، فازهای بخار و مایع در حال تعادل می‌باشند. چنانچه فشار کاهش یابد ، تبخیر صورت می‌گیرد و در حالت معکوس ميعان اتفاق می‌افتد. از فشار بخار برای محاسبه ترکیب گازهای مخلوط در حالت تعادل استفاده می‌شود. وقتی که اجزای تشکیل‌دهنده‌ی یک محلول در برج تقطیر به طور دائم جدا می‌شوند ، بخارهایی که به سمت بالا حرکت می‌کنند ، با ترکیبات فرارتر مایع برگشت‌کننده که به سمت پایین سرازیر است ، برخورد کرده و غلیظ تر می‌گردند.

انواع تقطیر

۱- تقطیر در فشار محیط : در این روش ، فرآیند تقطیر در فشار محیط صورت می‌گیرد.

۲- تقطیر با بخار آب : وقتی که تقطیر در مجاورت بخار ماده‌ی مخلوط نشدنی صورت می‌گیرد ، فشار بخار یکی از مواد ، تحت تأثیر دیگری قرار نگرفته و مخلوط در دمایی که مجموع فشارهای جزئی آنها برابر فشار محیط گردد ، تقطیر می‌شود.

۳- تقطیر در خلأ : در این روش ، فرآیند تقطیر در خلأ (در فشار 40 میلیمتر جیوه) صورت می‌گیرد.

۴- تقطیر در خلأ و بخار : این روش با انتقال گرما توسط بخار آب و با استفــاده‌ی همزمـــان از پمپ خلأ ، جهت کاهش فشار کلی صورت می‌گیرد. به طور کلی این روش دارای اشکالاتی بوده و از آن زیاد استفاده نمی‌شود.

۵- تقطیر در فشار : این روش برعکس تقطیر در خلأ بوده و باعث می‌شود که فرآیند تقطیر ، در دمای بیشتری نسبت به آن در فشار محیط صورت گیرد و دمای بالاتر باعث گسسته شدن مولکول‌های نفت گردیده و ترکیب آنها را تغییر می‌دهد.

۶- روش‌های جدید تقطیر : این روش‌ها شامل یک یا دو مرحله تقطیر در فشار محیط بوده ، که توسط تقطیر با بخار همراه می‌شود.