Pangea

Minden, ami földtudomány

5 perc geológia: Athabasca olajhomok

2018. június 03. 20:38 - Tranquillius

Viszonylag kevesen gondolnak úgy Kanadára, mint a világ harmadik legnagyobb olajtartalékával rendelkező államára. A Sziklás-hegység keleti tövében elterülő Alberta államban egy másfél Magyarországnyi területen 166 milliárd hordó kitermelhető olajat rejt a föld. A jól megszokott olajkutak helyett azonban több száz négyzetkilométernyi letarolt fenyőerdőt találni az olajmezőkön, ahol a kitermelés egy része külszíni fejtéssel zajlik. A leginkább Szarumán vasudvardi ork-keltetőjére hasonlító tajgán 1967 óta zajlik termelés és várhatóan egyre nagyobb erdőterület esik áldozatul majd a kora kréta időszaki homokban létrejött fekete arany bányászatának.

canada-oks-three-new-oil-sands-projects.jpgTajga helyett tájseb (forrás)   

A kanadai olajhomok történetét számtalan aspektusból vizsgálhatnánk. Például gazdaságföldrajzi szempontok alapján; mekkora részt képvisel a világ és Kanada nyersanyagtermelésében a bitumenes olajhomok? Megvizsgálhatnánk mekkora környezeti kárt okoznak a külszíni bányák, milyen hatással vannak az élővilágra a feldolgozás következtében gombamód szaporodó zagytározók? Érdekes lehet a gazdasági háttér is; milyen olajárak kellenek ahhoz, hogy a kitermelés gazdaságos legyen? Egyáltalán hányféleképpen lehet kitermelni az olajhomokot? Minderre megpróbálunk majd kitérni, de mai bejegyzésünk vezérfonala az olajhomok geológiája lesz. Honnan származik ez a szobahőmérsékleten szilárd nyersanyag? Milyen az összetétele? Mikor és hogyan keletkezett és miért tudott ilyen hatalmas mennyiségben felhalmozódni? 

oilsands.jpgZagytározó Fort McMurraytól északra (forrás)

Kanada nyersanyagkészletének túlnyomó többsége az 1,4 millió négyzetkilométeres Nyugat-Kanadai-üledékgyűjtő-medencében található. Az öt tartományra kiterjedő harmadidőszaki üledékek szenet, földgázt és kőolajat zárnak magukba. Az üledékrétegek kibillent helyzetben vannak; miközben nyugaton, a Sziklás-hegység alatt körülbelül hat kilométer vastagságúak, addig keleten, a Kanadai-pajzs irányában teljesen elvékonyodnak és megszűnnek. A kanadai olajhomokkincs 95%-a Alberta tartományban található, a maradék rész is onnan nyúlik át Saskatchewan tartományba. Talán így már érthető, hogy a tartomány székhelyéül szolgáló Edmonton hokicsapatát miért éppen Oilersnek (azaz olajbányászoknak) nevezik.

location-map-of-the-athabasca-oil-sands-and-other-major-oil-sands-deposits-in-alberta.pngOlajhomok lelőhelyek Albertában

Alberta államban "hagyományos" (conventional) szénhidrogének kitermelése is zajlik, de az itt fellelhető nyersanyag legnagyobb része az ún. nem-hagyományos (unconventional) kategóriába tartozik. A kettő közötti különbséget a legegyszerűbben úgy lehet leírni, hogy a hagyományos szénhidrogén magától jön a felszínre. Vagy csak éppen egy kicsit kell rásegíteni. Ezek az olajok kevésbé viszkózusak, a föld mélyében ún. csapdában találhatók, ahová a kőzetek pórusaiban vándoroltak el. Legtöbbször víz és földgáz is van ebben a csapdában, mindezek mellé pedig hatalmas nyomás társul, ezért a záróréteg átfúrása után a kőolaj egyszerűen a felszínre spriccel. Ezzel szemben a nem konvencionális szénhidrogének leginkább egy fekete, büdös kőre emlékeztetnek. 

mcmurray_fm_2017.jpgA McMurray formáció rétegfeje az a Steepbank folyó mentén (forrás: wikipédia)

Kanada olajhomok lelőhelyeit először az Athabasca-folyó és annak mellékvizei tárták föl. A folyóvölgyek bevágódtak az olajhomokot tartalmazó üledékrétegekbe, ahol az emberiség a jégkorszak elmúltával a maga igényeinek megfelelően hasznosíthatta. Nagy utat tett meg az emberiség, míg a kenuk vízhatlanításától eljutott a nagyipari kitermelésig, de még nagyobb volt az az út, amit az elhalt tengeri lények maradványai tettek meg abban a tengeri üledékben, amely már száz millió évnél régebben zárja őket magába.

gettyimages-471795257-1024x683.jpgÍgy néz ki egy marék olajhomok (forrás)

Az albertai olajhomok jelentős része a McMurray formációban található. Ez a formáció a Mannville csoport legidősebb üledékrétegeit alkotja, a barremi és apti emeletben képződött keresztrétegzett homok alkotja. Legnagyobb vastagsága körülbelül hatvan méter. A formáció lerakódásának kezdetén, körülbelül 125 millió évvel ezelőtt Alberta területe szárazföldi terület volt. A felszínt a devon időszak famenni korszakában (~370 millió éve) képződött, de azóta lepusztult meszes és dolomitos kőzetek borították. A térszínt sűrű folyóhálózat tagolta, ezek az ős-folyók délről észak felé szállították vizüket egy sekély tengerbe. Ez a sekély tenger a térszín fokozatos süllyedése miatt a kora kréta során egyre nyomult dél felé a szárazföld rovására. A transzgresszió során fokozatosan változott a McMurray formáció üledéke. A legalsó tagozat még folyóvízi üledékeket tartalmaz, melyek a devon mészkőfelszín legmélyebb részeit borítják csupán. A középső tagozatban már megjelennek hullámfodrok, jelezvén, hogy a tenger előrenyomulása miatt az üledékképződés már egy torkolatvidéken zajlott. A legfelső tagozat felhalmozódás már sekély nyílt tengeren történt, de még mindig közel a partokhoz. A McMurray formáció fedőkőzetét alkotó Clearwater formáció palái pedig már nyílt tengerből ülepedtek le. 

Felmerülhet a kérdés, hogy hogyan képződhetett kőolaj ebben a tengerparti környezetben? A válasz rövid: sehogy.

stratigraphy.jpgOlajhomok formációk Északkelet-Albertában (forrás)

Bővebben kifejtve az Albertában bányászott olajhomok szervesanyaga egy anoxikus eseményből származik, csakhogy nem a kora kréta időszakból, hanem háromszor olyan régről; a paleozoikumból. Már említettük, hogy a McMurray formáció alatt devon időszaki kőzeteket találunk. A devon időszak végén zajlott le a földtörténet öt nagyobb kihalási eseménye közül a második. Ez a kihalási esemény elsősorban a tengeri élőlényeket érintette. Az albertai bitumenes kőzetek kialakulását konkrétan a Hangenberg eseményhez kötik, amely körülbelül 359 millió éve zajlott le és összefüggésben volt a késő devon kihalási eseménnyel. A déli féltekén ekkor zajló jegesedés következtében drasztikusan lecsökkent a világtengerek szintje. Ezzel párhuzamosan a szárazföldi növények térhódítása következtében egyre több szerves anyag jutott a tengerekbe, ami az oxigénszint csökkenéséhez és algavirágzáshoz vezetett. Ennek a biológiai eseménynek az emlékét őrizték azok a fekete kőzetek, amelyek a kora kréta időszakban a McMurray formáció feküjét alkották. Most, hogy a szervesanyag keletkezésére fényt derítettünk, még mindig nem tisztáztuk hogyan került át a szénhidrogén a felső-devon kőzetekből a kora kréta időszaki laza, homokos üledékekbe.

Az elhalt tengeri lények maradványai bomlása során megfelelő hőmérséklet és nyomás hatására könnyű olaj keletkezik. Amikor a Sziklás-hegység elkezdett felgyűrődni a könnyű olajat magába záró rétegek — például az ún. Exshaw formáció — kibillentek és a szénhidrogének nyomás hatására kelet, északkelet felé vándoroltak a mai lelőhely irányába. A könnyű olaj környezetében jelentős mennyiségű víz is volt. A vízben élő mikroorganizmusok pedig szépen lassan lebontották ezeket a szénhidrogéneket egy felszín-közeli biodegradációs folyamat során. A könnyű olajból egyre nehezebb olaj lett, jelentős kén és nehézfém tartalommal. Ez az átalakulás már a szénhidrogénnel átitatott McMurray formációban ment végbe körülbelül 10 millió évvel annak lerakódása után. De vajon miért maradt meg itt a szénhidrogén és miért nem vándorolt tovább a később lerakódott üledékekbe? 

bitumen_form.jpgOlajhomok rétegek elhelyezkedése (forrás

Alberta államban a McMurray formációnál fiatalabb rétegekben is folyik olajbányászat pl. az albai korszakban (112-99,6 millió éve) lerakódott Grand Rapids formációban. A szénhidrogének jelentős részét a már említett Clearwater formáció kőzetei ejtették csapdába. Ezek a nem-áteresztő palák megakadályozták a McMurray formációban felgyűlő szénhidrogének további vándorlását és egyben el is zárták a levegőtől. Az Albertában bányászott olajhomok ugyanis nagyon érzékeny a légköri oxigénre, ezért nem is lehet minőségromlás nélkül tárolni; célszerű helyben feldolgozni. 

Hogyan kell elképzelni egy marék tipikus olajhomokot? Az olajhomok, hasonlóan a talajhoz, nem konszolidált üledékes kőzet, azaz a lerakódása óta eltelt százmillió év alatt sem vált szilárd kőzetté. Szemcséi nem kötődnek egymáshoz közöttük szabadon áramlik a víz. Összetétele rétegenként változhat. Átlagosan 10%-a bitumen, 5% víz és 85% szilárd rész. Helyenként a bitumen tartalom a 20%-ot is elérheti. A szénhidrogén, víz és homok részecskék teljesen elkeverednek egymással. A szilárd anyag összetételét tekintve alapvetően kvarchomok (>80%), de van benne némi káliföldpát és agyagásványok (kaolinit, illit, klorit és szmektit). Jellemzően minél nagyobb a víz és az agyagásvány tartalom annál kevesebb a bitumen és annál rosszabb minőségű az olajhomok. Fontos tisztáznunk, hogy az olajhomokból nem kőolajat termelnek ki, hanem bitument. Ez egy nagyon viszkózus, azaz sűrűn folyós szénhidrogén, más néven extra nehézolaj. Előfordulhat, hogy szobahőmérsékleten szilárd halmazállapotú. Az Albertában bányászott bitumen 4-5% ként tartalmaz, továbbá nyomokban nehézfémeket, úgymint nikkelt és vanádiumot. Két fő alkotórésze van, az aszfaltán és a maltén, közülük az előbbi felelős a nagy viszkozitásért. Magas asztfaltán tartalom esetén a bitumen ragadós és nehéz, ami megnehezíti a hagyományos finomítását. Az Athabasca-folyó völgyében bányászott bitumen 14-18% aszfaltánt tartalmaz. 

Albertában három nagyobb medencében zajlott le bitumenesedés, a legnagyobb közülük az Athabasca-medence, tőle nyugatra található a Peace River-medence és délre a Cold Lake-medence, amely átnyúlik Saskatchewan tartományba. Míg keleten az olajhomok a felszín közelében található és külszíni fejtéssel bányászható, addig nyugat felé egyre nagyobb mélységből kell a felszínre hozni teljesen más technológiával. Összesen 140 ezer négyzetkilométeren található olajhomok. A külszíni fejtés által érintett terület ennek mindössze 3%, (ami még mindig akkora mint Csongrád megye), ennek ellenére a teljes olajtermelés 20%-a ilyen módon zajlik. A legnagyobb tájsebek az Athabasca folyó két partján találhatók, Fort McMurray városától északra, ott, ahol az olajhomok a felszínen van.

012-rj_20130618-fort-mcmurray-oilsands-aerial-1898-2o1b2434.jpgFort McMurray, in situ kitermelés: 2013. június 18. Kép: Ryan Jackson / Edmonton Journal

A Föld olajtartalékának 10%-át az albertai üledékek tárolják. Két ezer milliárd hordó olajról van szó, melynek kevesebb mint 10%-át lehet a jelenleg ismert technológiával hasznosítani. 

Az olajhomok kitermelése során valamilyen technikai eljárással el kell választani a kőzettől a kőolajat. Ez a szeparáció olajpala esetén repesztéssel, olajhomok esetében pedig hő vagy vízgőz injektálásával történik. Már 1883-ban sikerült víz segítségével elválasztani a bitument a homoktól. 1926-ban pedig szabadalmaztatták azt a forróvizes módszert, amelyből végül kifejlődött a ma is alkalmazott eljárás. Három egyszerű lépésen keresztül nyerhetünk olajat az olajhomokból:

  1. A bitumen elválasztása a víztől és a homoktól.
  2. A bitumen feljavítása könnyebb olajjal
  3. A bitumen finomítása

Albertában vannak olyan bitumenek is amelyeket feljavítás nélkül is lehet finomítani, ezek többségét nem külszíni bányászattal nyerik, hanem ún. in situ eljárással, amikor a 60 méternél mélyebb rétegekbe forró vízgőzt szi0vattyúznak és a csökkentett viszkozitású bitument a vízzel együtt kiszivattyúzzák. A vizet tisztítás után újrahasznosítják, a bitument pedig higítják. A higított bitumen kb 60%-a olyan finomítókba kerül, ahol nehézolajat is képesek feldolgozni, 40%-ból pedig további tisztítás során eltávolítanak mindenféle vizet és szilárd szennyeződést, valamint csökkentik a kéntartalmát és a viszkozitást is. Ezt a terméket már lehet csővezetéken szállítani a világpiacok felé. Hacsak a környezetvédők nem feküdnének keresztbe az ilyen terveknek. 

alex_mclean_oilsands_14_growing_pyramids_of_sulfur_a_byproduct_of_upgrading_bitumen_mildred_lake_alberta_canada_140407-0743.jpgEgyre növekvő kénpiramisok Mildred Lake mellett (forrás)

Az olajhomok kitermelése ugyanis egy kifejezetten piszkos és környezetszennyező munka. 1 hordó (=159 liter) homokolaj előállítása során 80-100 kg üvegházgáz (kén-dioxid, nitrogén oxidok, szén-dioxid) kerül a légkörbe, ez akár 6-37%-al nagyobb érték lehet mint a hagyományos kitermelésnél. Éves szinten az olajhomokból származó bitumen 60 megatonna üvegházgázt bocsát a légkörbe. Kanada teljes évi kibocsátásának ez 8,5%-át adja. Tény azonban az is, hogy a technológia fejlődésével az üvegházgáz kibocsátás fokozatosan csökken, ezt azonban ellensúlyozza a kitermelés bővülése.

athabasca_cover_ipad_1920x1080.jpgAz Athabasca folyó menti olajhomok kitermelés által érintett terület növekedése 1984-2011 között (forrás)

Annak ellenére, hogy az olajipari cégek kötelezettséget vállaltak a tajga rekultivációjára, ennek még nyoma sincs egyelőre. A külszíni fejtés, a hozzá csatlakozó beruházások (zagytározók, finomítók, vezetékek, utak), valamint az aranylázhoz hasonló közép-albertai népességrobbanás egyelőre csak falja a tajgát. 

Az olajhomok bányászat körüli felkorbácsolt indulatokat jól érzékelteti a friss hír, miszerint a kanadai kormány 3,5 milliárd amerikai dollárt költene el a Kinder Morgan Canada Ltd. által feladott óriási csővezeték projektre, amely az Alberta államban bányászott olajat juttatná el a világpiacra Vancouver kikötőjén keresztül. A Sziklás-hegységen keresztül haladó olajvezetéket nem csak az őslakosok, környezetvédők, helyi közösségek támadják, de British Columbia állam vezetése is ellenzi. Az állami kivásárlás éppen ezt hivatott áthidalni, azonban a környezetvédelmi érveket mellőző politikai döntés befolyásolhatja a közelgő választásokat is. Nem véletlen, hogy a angol-holland olajipari óriás a Shell, a norvég Statoil, a Houston Marathon Oil társaság, az ugyancsak houstoni Conoco-Phillips is elkezdte eladni az kanadai olajhomok érdekeltségeit, mivel a kitermelés látványa komoly presztízsveszteséget okozhat a céges "brand" számára. 

mcmurray.jpgA Suncor vállalat olajfinomítója az Athabasca folyó mellett, háttérben a Syncrude finomítója (forrás)

Mindezek ellenére nem várható, hogy a drága és szennyező olajhomok-kitermelés a jövőben környezetvédelmi aggályok miatt félbeszakadna. A világpiaci árak már annál nagyobb kényszerítő erővel bírnának…

4 komment

A bejegyzés trackback címe:

https://pangea.blog.hu/api/trackback/id/tr6013775060

Kommentek:

A hozzászólások a vonatkozó jogszabályok  értelmében felhasználói tartalomnak minősülnek, értük a szolgáltatás technikai  üzemeltetője semmilyen felelősséget nem vállal, azokat nem ellenőrzi. Kifogás esetén forduljon a blog szerkesztőjéhez. Részletek a  Felhasználási feltételekben és az adatvédelmi tájékoztatóban.

pitcairn2 2018.06.03. 23:06:47

a forgalomban lévő (USD) pénzmennyiséggel kiigazított kőolajárak speciel a padlón vannak

fred.stlouisfed.org/graph/?g=k4ya

tnt 2018.06.04. 20:12:09

nagyon érdekes .. frankó meló .. gratula ... :-)

gigabursch 2018.06.06. 07:25:33

Köszi azt írást.
Ez most nekem sokmindent helyretett, ami a be-bejövő hírekben nem egyértelmű.

Egyébként próbálkoznak valami környezettudatosabb olajelszippantás kidolgozásával?

Másik kérdés:
Ott, ahol az olajhomokos kőzetet a helyi folyóvizek természetesen átvágták, mennyire jellemző az olajszármazékok természetese vízbemosódása? Magyarán: mennyire olajosak a halak?