Contenu
- Qu'est-ce que le schiste?
- Utilisations du schiste
- Pétrole conventionnel et gaz naturel
- Pétrole non conventionnel et gaz naturel
- Schiste utilisé pour produire de l'argile
- Schiste utilisé pour produire du ciment
- Schiste bitumineux
- Composition de schiste
- Couleurs de schiste
- Schiste noir et gris
- Schiste rouge, brun et jaune
- Schiste vert
- Propriétés hydrauliques des schistes
- Propriétés d'ingénierie des sols de schiste
- Sols Expansifs
- Stabilité des pentes
- Environnements de dépôt de schiste
Schiste argileux: Le schiste se brise en morceaux minces aux arêtes vives. Il apparaît dans une large gamme de couleurs, notamment le rouge, le marron, le vert, le gris et le noir. C'est la roche sédimentaire la plus répandue et on la trouve dans les bassins sédimentaires du monde entier.
Qu'est-ce que le schiste?
Le schiste est une roche sédimentaire à grain fin qui se forme à partir du compactage de particules minérales de la taille d'un limon et d'une argile que nous appelons communément «boue». Cette composition place le schiste dans une catégorie de roches sédimentaires appelée "mudstones". Le schiste se distingue des autres mudstones car il est fissile et laminé. "Laminé" signifie que la roche est composée de nombreuses couches minces. "Fissile" signifie que la roche se scinde facilement en minces morceaux le long des tôles.
Utilisations du schiste
Certains schistes ont des propriétés spéciales qui en font des ressources importantes. Les schistes noirs contiennent des matières organiques qui se décomposent parfois pour former du gaz naturel ou du pétrole. D'autres schistes peuvent être broyés et mélangés à de l'eau pour produire des argiles pouvant être transformées en une variété d'objets utiles.
Réservoir de pétrole et de gaz naturel conventionnel: Ce dessin illustre un "piège anticlinal" contenant du pétrole et du gaz naturel. Les unités de roche grise sont des schistes imperméables. Le pétrole et le gaz naturel se forment dans ces unités de schiste puis migrent vers le haut. Une partie du pétrole et du gaz se retrouve piégée dans le grès jaune pour former un réservoir de pétrole et de gaz. Il s’agit d’un réservoir «conventionnel» - c’est-à-dire que le pétrole et le gaz peuvent circuler dans les pores du grès et être produits à partir du puits.
Pétrole conventionnel et gaz naturel
Les schistes organiques noirs sont la source de nombreux gisements de pétrole et de gaz naturel parmi les plus importants au monde. Ces schistes tirent leur couleur noire de minuscules particules de matière organique qui se sont déposées avec la boue à partir de laquelle ils se sont formés. La boue étant enfouie et réchauffée dans la terre, une partie de la matière organique s'est transformée en pétrole et en gaz naturel.
Le pétrole et le gaz naturel ont migré du schiste vers le haut et à travers la masse de sédiments en raison de leur faible densité. Le pétrole et le gaz étaient souvent piégés dans les pores d'une unité de roches sous-jacente telle qu'un grès (voir l'illustration). Ces types de gisements de pétrole et de gaz sont appelés "réservoirs classiques" car les fluides peuvent facilement s'écouler à travers les pores de la roche et dans le puits d'extraction.
Bien que le forage puisse extraire de grandes quantités de pétrole et de gaz naturel de la roche réservoir, une grande partie de celle-ci reste emprisonnée dans les schistes. Ce pétrole et ce gaz sont très difficiles à extraire car ils sont piégés dans de minuscules espaces poreux ou adsorbés sur des particules minérales argileuses qui constituent le schiste.
Réservoir de pétrole et de gaz non conventionnel: Ce dessin illustre les nouvelles technologies qui permettent le développement de champs de pétrole et de gaz naturel non conventionnels. Dans ces gisements de gaz, le pétrole et le gaz sont contenus dans des schistes ou une autre unité de roche imperméable. Pour produire ce pétrole ou ce gaz, des technologies spéciales sont nécessaires. L'un est le forage horizontal, dans lequel un puits vertical est dévié sur l'horizontale afin qu'il puisse pénétrer sur une longue distance de la roche réservoir. La seconde est la fracturation hydraulique. Avec cette technique, une partie du puits est obturée et de l'eau pompée pour produire une pression suffisamment élevée pour fracturer la roche environnante. Il en résulte un réservoir fortement fracturé, pénétré par une longue longueur de forage.
Pétrole non conventionnel et gaz naturel
À la fin des années 90, les sociétés de forage au gaz naturel ont mis au point de nouvelles méthodes pour libérer le pétrole et le gaz naturel emprisonnés dans les minuscules espaces poreux du schiste. Cette découverte était importante car elle a permis de débloquer certains des plus grands gisements de gaz naturel au monde.
Barnett Shale, au Texas, a été le premier grand gisement de gaz naturel développé dans un réservoir de schiste. Produire du gaz à partir du schiste de Barnett était un défi. Les espaces poreux dans le schiste sont si petits que le gaz a du mal à se déplacer dans le schiste et dans le puits. Les foreurs ont découvert qu'ils pouvaient augmenter la perméabilité du schiste en pompant de l'eau dans le puits sous une pression suffisamment élevée pour le fracturer. Ces fractures ont libéré une partie du gaz des pores et ont permis à ce gaz de s'écouler dans le puits. Cette technique est connue sous le nom de "fracturation hydraulique" ou "hydrofracing".
Les foreurs ont également appris à forer jusqu'au niveau du schiste et à tourner le puits à 90 degrés pour forer horizontalement à travers l'unité de schiste. Cela a produit un puits avec une très longue "zone de paiement" à travers le réservoir (voir illustration). Cette méthode est connue sous le nom de "forage horizontal".
Le forage horizontal et la fracturation hydraulique ont révolutionné la technologie de forage et ouvert la voie au développement de plusieurs champs de gaz naturel géants. Ceux-ci incluent les schistes de Marcellus dans les Appalaches, les schistes de Haynesville en Louisiane et de Fayetteville en Arkansas. Ces énormes réservoirs de schiste contiennent suffisamment de gaz naturel pour répondre à tous les besoins des États-Unis pendant vingt ans ou plus.
Schiste en brique et tuile: Le schiste est utilisé comme matière première pour la fabrication de nombreux types de briques, carreaux, tuyaux, poteries et autres produits manufacturés. La brique et la tuile sont parmi les matériaux les plus utilisés et les plus recherchés pour la construction de maisons, de murs, de rues et de structures commerciales. Copyright de l'image iStockphoto / Guy Elliott.
Schiste utilisé pour produire de l'argile
Tout le monde est en contact avec des produits à base de schiste. Si vous vivez dans une maison en brique, conduisez sur un chemin de brique, dans une maison au toit de tuile ou conservez des plantes dans des pots en "terre cuite", vous êtes quotidiennement en contact avec des objets probablement fabriqués à partir de schiste.
Il y a de nombreuses années, ces mêmes articles étaient fabriqués à partir d'argile naturelle. Cependant, une utilisation intensive a épuisé la plupart des petits dépôts d'argile. Ayant besoin d'une nouvelle source de matières premières, les fabricants ont vite découvert que le mélange de schiste finement moulu avec de l'eau produirait une argile ayant souvent des propriétés similaires ou supérieures. Aujourd'hui, la plupart des articles qui étaient autrefois fabriqués à partir d'argile naturelle ont été remplacés par des articles presque identiques fabriqués à partir d'argile, fabriqués en mélangeant de l'eau de schiste finement broyée.
Kits Rock & Mineral: Procurez-vous un kit de roches, de minéraux ou de fossiles pour en savoir plus sur les matériaux de la Terre. La meilleure façon de se renseigner sur les roches est de disposer d'échantillons disponibles pour les tests et les examens.
Schiste utilisé pour produire du ciment
Le ciment est un autre matériau commun souvent fabriqué avec du schiste. Pour fabriquer du ciment, le calcaire et les schistes concassés sont chauffés à une température suffisamment élevée pour permettre à toute l'eau de s'évaporer et de se décomposer en oxyde de calcium et en dioxyde de carbone. Le dioxyde de carbone est perdu sous forme d’émission, mais l’oxyde de calcium associé au schiste chauffé forme une poudre qui durcira si elle est mélangée à de l’eau et laissée sécher. Le ciment est utilisé dans la fabrication du béton et de nombreux autres produits destinés au secteur de la construction.
Schiste bitumineux: Roche contenant une quantité importante de matière organique sous forme de kérogène solide. Jusqu'à un tiers de la roche peut être constituée de matière organique solide. Ce spécimen mesure environ dix centimètres de diamètre.
Schiste bitumineux
Le schiste bitumineux est une roche qui contient des quantités importantes de matière organique sous forme de kérogène. Jusqu'à 1/3 de la roche peut être du kérogène solide. Les hydrocarbures liquides et gazeux peuvent être extraits des schistes bitumineux, mais les roches doivent être chauffées et / ou traitées avec des solvants. Cela est généralement beaucoup moins efficace que le forage de roches qui produiront du pétrole ou du gaz directement dans un puits. L'extraction des hydrocarbures du schiste bitumineux produit des émissions et des déchets qui causent de graves problèmes environnementaux. C'est l'une des raisons pour lesquelles les vastes gisements de schiste bitumineux au monde n'ont pas été utilisés de manière agressive.
Les schistes bitumineux répondent généralement à la définition des "schistes" en ce sens qu'il s'agit "d'une roche stratifiée composée d'au moins 67% de minéraux argileux". Cependant, il contient parfois suffisamment de matières organiques et de minéraux carbonatés pour que les minéraux argileux représentent moins de 67% de la roche.
Échantillons de carottes de schiste: Lors du forage de schiste pour l'évaluation du pétrole, du gaz naturel ou des ressources minérales, un noyau est souvent récupéré du puits. La roche dans le noyau peut ensuite être testée pour en apprendre davantage sur son potentiel et sur la meilleure façon de développer la ressource.
Composition de schiste
Le schiste est une roche composée principalement de grains minéraux de taille argileuse. Ces minuscules grains sont généralement des minéraux argileux tels que l'illite, la kaolinite et la smectite. Le schiste contient habituellement d'autres particules minérales de la taille de l'argile, telles que le quartz, le chert et le feldspath. Les autres composants peuvent inclure des particules organiques, des minéraux carbonatés, des oxydes de fer, des sulfures et des grains de minéraux lourds. Ces "autres constituants" dans la roche sont souvent déterminés par l'environnement de dépôt des schistes et ils déterminent souvent la couleur de la roche.
Schiste noir: Schiste noir riche en matière organique. Le gaz naturel et le pétrole sont parfois piégés dans les minuscules espaces poreux de ce type de schiste.
Couleurs de schiste
Comme la plupart des roches, la couleur du schiste est souvent déterminée par la présence de matériaux spécifiques en quantités mineures. Quelques pour cent seulement de matières organiques ou de fer peuvent altérer de manière significative la couleur d'une pierre.
Les gaz de schiste jouent: Depuis la fin des années 90, des dizaines de schistes organiques noirs auparavant improductifs ont été transformés avec succès en champs de gaz précieux. Voir l'article: "Qu'est-ce que le gaz de schiste?"
Schiste noir et gris
Une couleur noire dans les roches sédimentaires indique presque toujours la présence de matières organiques. Seulement un ou deux pour cent de matières organiques peuvent donner une couleur gris foncé ou noir à la roche. De plus, cette couleur noire implique presque toujours que le schiste se forme à partir de sédiments déposés dans un environnement pauvre en oxygène. L'oxygène qui pénétrait dans l'environnement réagissait rapidement avec les débris organiques en décomposition. Si une grande quantité d'oxygène était présente, les débris organiques se seraient tous décomposés. Un environnement pauvre en oxygène fournit également les conditions appropriées pour la formation de minéraux sulfurés tels que la pyrite, un autre minéral important que l'on trouve dans la plupart des schistes noirs.
La présence de débris organiques dans les schistes noirs en fait des candidats pour la production de pétrole et de gaz. Si la matière organique est conservée et correctement chauffée après l’enfouissement, du pétrole et du gaz naturel peuvent être produits. Les schistes de Barnett, de Marcellus, de Haynesville, de Fayetteville et d’autres roches productrices de gaz sont tous des schistes gris foncé ou noirs qui produisent du gaz naturel. Les schistes Bakken du Dakota du Nord et Eagle Ford du Texas sont des exemples de schistes bitumineux.
Les schistes gris contiennent parfois une petite quantité de matière organique. Cependant, les schistes gris peuvent aussi être des roches contenant des matériaux calcaires ou simplement des minéraux argileux qui donnent une couleur grise.
Utica et les schistes de Marcellus: On pense que deux schistes organiques noirs dans le bassin des Appalaches contiennent suffisamment de gaz naturel pour alimenter les États-Unis pendant plusieurs années. Ce sont les schistes Marcellus et Utica.
Schiste rouge, brun et jaune
Les schistes qui se déposent dans des environnements riches en oxygène contiennent souvent de minuscules particules d'oxyde de fer ou de minéraux d'hydroxyde de fer tels que l'hématite, la goéthite ou la limonite. Quelques pour cent seulement de ces minéraux distribués dans la roche peuvent produire les couleurs rouge, brune ou jaune présentées par de nombreux types de schiste. La présence d'hématite peut produire un schiste rouge. La présence de limonite ou de goethite peut produire un schiste jaune ou brun.
Schiste vert
On trouve parfois des schistes verts. Cela ne devrait pas être surprenant, car certains des minéraux argileux et des micas qui constituent la majeure partie du volume de ces roches sont généralement de couleur verdâtre.
Puits de schiste de gaz naturel: En moins de dix ans, le schiste a explosé dans le secteur de l'énergie. De nouvelles méthodes de forage et de développement de puits, telles que la fracturation hydraulique et le forage horizontal, peuvent exploiter le pétrole et le gaz naturel emprisonnés dans la matrice étroite de schistes organiques. Copyright de l'image iStockphoto / Edward Todd.
Propriétés hydrauliques des schistes
Les propriétés hydrauliques sont les caractéristiques d'une roche telles que la perméabilité et la porosité qui reflètent sa capacité à retenir et à transmettre des fluides tels que l'eau, le pétrole ou le gaz naturel.
Le schiste a une très petite taille de particules, de sorte que les espaces interstitiels sont très petits. En fait, ils sont si petits que le pétrole, le gaz naturel et l'eau ont du mal à se déplacer dans la roche.Le schiste peut donc servir de couche de couverture pour les pièges à pétrole et à gaz naturel. Il s'agit également d'un aquiclude qui bloque ou limite l'écoulement des eaux souterraines.
Bien que les espaces interstitiels dans un schiste soient très petits, ils peuvent occuper un volume important de la roche. Cela permet au schiste de contenir des quantités importantes d’eau, de gaz ou de pétrole, mais ne peut pas les transmettre efficacement en raison de la faible perméabilité. L’industrie pétrolière et gazière surmonte ces limites en utilisant des forages horizontaux et une fracturation hydraulique pour créer une porosité artificielle et une perméabilité dans la roche.
Certains des minéraux argileux présents dans le schiste ont la capacité d'absorber ou d'adsorber de grandes quantités d'eau, de gaz naturel, d'ions ou d'autres substances. Cette propriété du schiste peut lui permettre de retenir ou de libérer librement et librement des fluides ou des ions.
Carte des sols expansifs: Le United States Geological Survey a préparé une carte généralisée des sols expansifs pour les 48 États inférieurs.
Propriétés d'ingénierie des sols de schiste
Les schistes et les sols qui en dérivent sont parmi les matériaux les plus difficiles à utiliser. Ils sont soumis à des changements de volume et de compétence qui en font généralement des substrats de construction peu fiables.
Glissement de terrain: Le schiste est une roche sujette aux glissements de terrain.
Sols Expansifs
Les minéraux argileux de certains sols dérivés du schiste ont la capacité d’absorber et de libérer de grandes quantités d’eau. Ce changement de teneur en humidité s'accompagne généralement d'un changement de volume pouvant aller jusqu'à plusieurs pour cent. Ces matériaux sont appelés "sols expansifs". Lorsque ces sols deviennent humides, ils gonflent et, lorsqu'ils sèchent, ils rétrécissent. Les bâtiments, les routes, les lignes de distribution ou d’autres structures placées sur ou à l’intérieur de ces matériaux peuvent être affaiblis ou endommagés par les forces et le mouvement du changement de volume. Les sols expansifs sont l’une des causes les plus courantes des dommages causés aux bâtiments par les fondations aux États-Unis.
Delta de schiste: Un delta est un dépôt de sédiment qui se forme lorsqu'un cours d'eau pénètre dans un plan d'eau immobile. La vitesse de l'eau du ruisseau diminue soudainement et les sédiments transportés se déposent au fond. Les deltas sont ceux qui déposent le plus grand volume de boue terrestre. L'image ci-dessus est une vue satellite du delta du Mississippi, montrant ses canaux de distribution et ses gisements interdistributaires. L'eau bleue brillante qui entoure le delta est chargée de sédiments.
Stabilité des pentes
Le schiste est la roche la plus souvent associée aux glissements de terrain. Les intempéries transforment le schiste en un sol riche en argile, qui présente normalement une très faible résistance au cisaillement, notamment lorsqu'il est humide. Lorsque ces matériaux peu résistants sont mouillés et sur une colline escarpée, ils peuvent lentement ou rapidement descendre la pente. La surcharge ou l'excavation par des humains entraînera souvent une défaillance.
Schiste sur Mars: Le schiste est également un rocher très répandu sur Mars. Cette photo a été prise par le mât de la caméra Mars Curiosity Rover. Il montre des schistes fissiles en couches minces affleurant dans le cratère Gale. Curiosity a foré des trous dans les roches du cratère Gale et a identifié des minéraux argileux dans les déblais. Image de la NASA.
Environnements de dépôt de schiste
Une accumulation de boue commence par l’altération chimique des roches. Cette altération décompose les roches en minéraux argileux et autres petites particules qui font souvent partie du sol local. Une tempête de pluie peut entraîner de minuscules particules de terre de la terre vers les ruisseaux, ce qui leur donne un aspect «boueux». Lorsque le cours d'eau ralentit ou pénètre dans un plan d'eau tel qu'un lac, un marais ou un océan, les particules de boue se déposent au fond. Si elle n’est pas dérangée et est enterrée, cette accumulation de boue pourrait être transformée en une roche sédimentaire connue sous le nom de "mudstone". C'est ainsi que se forment la plupart des schistes.
Le processus de formation de schiste ne se limite pas à la Terre. Les rovers martiens ont trouvé beaucoup d'affleurements sur Mars avec des unités de roches sédimentaires qui ressemblent aux shales trouvés sur Terre (voir photo).