Břidlice

Břidlice je laminovaný nebo štěpný klastik sedimentární hornina které se skládají z převahy bahna a jílu ostatní minerály , Zejména křemen a kalcit. Charakteristickými vlastnostmi břidlice jsou zlomy podél tenkých vrstev nebo paralelní vrstvení či podloží nazývané štěpnost. Je nejhojnější sedimentární hornina. Složení (bahno a jíl) břidlice v kategorii sedimentární horniny známý jako bahenní kámen. Rozdíl mezi břidlicí a kalem, je štěpný a laminovaný. Břidličná hornina se snadno rozdělí na tenké kousky podél lamel.

Původ: Detrital/Clastic

Barvy: Černá, šedá

Skupina: Klastická sedimentární hornina

Textura:     Klastický; Velmi jemnozrnná (< 0.004 mm) Silty břidlice . Jílovité břidlice . Písčitá břidlice

Mineralogické složení: Feldspathic Shale, Quartzose Shale, Slídové břidlice

minerály: Jílové minerály, křemen

Cementovací materiály. Vápnitá břidlice . Železná břidlice. Křemičitá břidlice

Depoziční prostředí Povodňová nížina, jezero (daleko od břehu), středokontinentální šelf, delta, přílivová rovina, laguna nebo hlubinné moře

Klasifikace břidlice

Břidlice jsou štěpné klastické sedimentární skály vzniklé přepravou, ukládáním a zhutňováním úlomků bahna a jílu. Štěpnost jílu je jeho hlavní rozlišovací charakteristikou od ostatních sedimentárních hornin. Štěpnost je definována jako vlastnost horniny, která se snadno štěpí podél tenkých těsně od sebe vzdálených (přibližně < 10 mm) rovnoběžných vrstev. Tento faktor štěpnosti je zvýrazněn tím, že ukazuje klasifikaci sedimentů a sedimentárních hornin na základě velikosti úlomků.

Klasifikace na základě textury

Břidlice charakteristicky obsahují jemnozrnné částice bahna a jílu (< 0.063 mm). Jsou proto klasifikovány jako prachovité břidlice nebo jílovité břidlice v závislosti na tom, zda ve složkách horniny dominují prachy nebo jíly. Silty břidlice a jílovité břidlice mohou být souhrnně nazývány jílovitými břidlicemi. Břidlice mohou příležitostně obsahovat také značné množství písků, v takovém případě se mohou nazývat písčité břidlice nebo jedovaté břidlice.

 Klasifikace na základě mineralogického složení

Břidlice mohou být klasifikovány jako křemenné, živcové nebo slídové břidlice v závislosti na převaze minerálů křemene, živec or malé, respektive v hornině po příslušné XRD analýze (Pettijohn, 1957).

 Klasifikace podle typu cementu/cementovacích materiálů.

Břidlice jako jiné sedimentární horniny jsou po uložení a zhutnění stmeleny některými minerály nebo prvky. Při klasifikaci břidlice může být použit dominantní typ tmelícího materiálu, protože to může ovlivnit vlastnosti nebo výkon břidlice, je-li použita jako technický materiál. Běžnými cementovými materiály jsou oxid křemičitý, železo oxid a kalcit nebo vápno. Podle toho lze břidlice klasifikovat jako křemičité, železité nebo vápnité (někdy také nazývané vápnité).

Klasifikace na základě depozičního prostředí

 Sedimentární prostředí jakékoli sedimentární horniny (včetně břidlice) je přirozenou geografickou entitou, ve které se sedimenty hromadí a později se mění na horninu (Reineck a Singh, 1980). Rozeznávají se tři depoziční sedimentární prostředí, a to kontinentální, přechodné nebo okrajové a mořské. Každé depoziční prostředí má různá pododdělení. Břidlice se obecně ukládají v jezerním (kontinentálním), deltaickém (přechodném) a mořském ukládacím prostředí a lze je jako takové klasifikovat; tedy jezerní, deltaické a mořské břidlice (Compton, 1977; Boggs, 1995). Jezerní vklady jsou charakterizovány směsí jílu, bahna a písků; anorganické uhličitanové sraženiny; a různé sladkovodní bezobratlé organismy včetně mlžů, ostrakodů, plžů, rozsivek a různých rostlinných usazenin. Většina jezerních usazenin má tloušťku menší než 10 m. Deltaická ložiska jsou obecně paralická (sestávající z uspořádaných sledů břidlic a pískovců vzniklých v důsledku střídání mořských transgresí a regresí). Vyznačují se také malou hloubkou a koncentrací jílových minerálů kaolinit/illit/montmorillonit. Ložiska mořského prostředí se vyznačují homogenními horninovými sekvencemi (neparalickými), velkou hloubkou, nedostatkem kyslíku a koncentrací illitu/montmorillonitu jílové minerály. Břidlice mořského depozitního prostředí jsou obecně tmavší barvy a bohatší na mořský plankton fosílie než břidlice uložené v jezerních a deltaických prostředích.

Klasifikace na základě obsahu organických látek

Břidlice mohou být klasifikovány jako uhlíkaté nebo bituminózní na základě obsahu organické hmoty (Krumbein a Sloss, 1963). Obsah organické hmoty v uhlíkatých a živičných břidlicích je obecně nad 10 %. Organická hmota vyvolává černé nebo šedé zbarvení břidlic. Černá barva některých břidlic může být také způsobena přítomností sulfidu železa. Pokud převládající obsah organické hmoty pochází z rostlinných fragmentů, jako jsou pylová zrna, stonky a listy, je břidlice klasifikována jako uhlíkatá a depoziční prostředí je obvykle kontinentální (jezerní) nebo přechodné (deltaika nebo laguna). Když dominantní obsah organické hmoty v břidlici pochází ze zvířecích fragmentů, jako jsou fosilie, břidlice je klasifikována jako bituminózní a její depoziční prostředí je obvykle deltaické nebo mořské. Uhlíkaté i bituminózní břidlice jsou důležitými zdrojovými horninami pro tvorbu ropa ropy a zemního plynu v závislosti na jejich množství / typu obsahu kerogenu. Kerogen je ta bahenní břidlice, když je laminovaná

Složení břidlice

Břidlice se skládají z bahna, jílových minerálů a křemenných zrn. Obecně typicky crea barva. V některých případech je barva kamene odlišná. Menší složky mění barvu skály. Výsledek černé břidlice obsahuje více než jedno procento uhlíkatého materiálu a ukazuje na redukční prostředí. Červená, hnědá a zelená barva indikují oxid železitý (hematit – červené), hydroxid železitý (goethit – hnědé a limonit – žlutá) nebo slídové minerály (chloritan, biotit a illite – zelení).

Jílové minerály jsou hlavní složkou břidlice a dalších podobných hornin. Zastoupeny jsou převážně jílové minerály kaolinit, montmorillonit a illit. Jílové minerály pozdně třetihorních slínovců jsou rozpínavé smektity, zatímco ve starších horninách zejména ve středním až raném paleozoiku převládají břidlice illity. Transformace smektitu na illite vyrábí oxid křemičitý, sodík, vápník, hořčík, železo a vodu. Tyto uvolněné prvky tvoří autentický křemen, rohovník, kalcit, dolomitu, ankerit, hematit a albit, všechny stopy po menších minerálech (kromě křemene) nalezených v břidlicích a jiných bahnitých horninách

Organická hmota

Velmi důležitá složka uhlíkatého materiálu v břidlicových horninách. Jedná se o organický materiál, který se obvykle vyskytuje v horninách jako kerogen (směs organických sloučenin s vysokou molekulovou hmotností). Přestože kerogen netvoří více než asi 1 % všech břidlic, naprostá většina kerogenu je v bahenních kamenech. Břidlice, které jsou bohaté na organickou hmotu (>5 %), jsou známé jako černé břidlice. Černá barva je dána těmto horninám organickou hmotou. Organické látky by měly být za normálních podmínek rozkládány bakteriemi, ale vysoká produktivita, rychlé usazování a pohřbívání nebo nedostatek kyslíku ji mohou zachovat. Pyrit je běžný sulfidový minerál v černých břidlicích. Organická hmota a pyrit se vyskytují společně ve stejné hornině, protože oba ke svému vzniku potřebují podmínky bez kyslíku.

Některé břidlice jsou obzvláště bohaté na organickou hmotu. Název tohoto typu rocku je Ropná břidlice. Roponosné břidlice mohou být použity jako fosilní palivo, i když je to poměrně „špinavé“ palivo, protože obvykle obsahuje spoustu nežádoucích (nespalujících) minerálů.

Břidlice a mudrocks obsahují zhruba 95 procent organické hmoty ve všech sedimentárních horninách. To však činí méně než jedno procento hmotnosti v průměrné břidlici. Černé břidlice, které vznikají v anoxických podmínkách, obsahují redukovaný volný uhlík spolu s železem (Fe2+) a síra (S2-). Pyrit a amorfní sulfid železa spolu s uhlíkem vytvářejí černé zbarvení.

Břidlicová formace

Tvorba břidlice jsou jemné částice, které mohou zůstat suspendované ve vodě dlouho poté, co se usadí větší částice písku. Břidlice se obvykle ukládají ve velmi pomalu se pohybující vodě a často se vyskytují v jezerech a lagunových usazeninách, v deltách řek, na záplavových územích a na moři z plážových písků. Mohou být také uloženy v sedimentárních pánvích a na kontinentálním šelfu, v relativně hluboké, klidné vodě.

„Černé břidlice“ jsou tmavé, protože jsou obzvláště bohaté na nezoxidovaný uhlík. V některých paleozoických a druhohorních vrstvách se černé břidlice běžně ukládaly v anoxických redukčních prostředích, například ve stojatých vodních sloupcích. Některé černé břidlice obsahují velké množství těžkých kovů, jako je molybden, uran, vanadium, a zinek.

Na površích z břidlicového podloží jsou někdy zachovány fosilie, zvířecí stopy/nory a dokonce i krátery po dopadu dešťových kapek. Břidlice mohou také obsahovat konkrece sestávající z pyritu, apatit, nebo různé uhličitanové minerály.

Břidlice, které jsou vystaveny teplu a tlaku metamorfózy, se mění na tvrdé, štěpné, metamorfní hornina známý jako břidlice. S pokračujícím nárůstem metamorfního stupně je sekvence fylit, pak břidlice a nakonec rula.

Diageneze a uhlovodíky

Proces illitizace (smektit se přeměňuje na illit) je hlavní změnou, která probíhá v bahenních kamenech během diageneze. Illitizace spotřebovává draslík (poskytovaný obvykle úlomkovým K-živcem) a uvolňuje železo, hořčík a vápník, které mohou být využity dalšími tvořícími minerály, jako je chlorit a kalcit. Teplotní rozsah illitizace je asi 50-100°C3. Obsah kaolinitu také klesá s rostoucí hloubkou pohřbu. Kaolinit se tvoří v horkém a vlhkém klimatu. Sušší mírné klima má tendenci upřednostňovat smektitu. Důvodem je, že velké množství srážek vymývá rozpustné ionty z horniny, zatímco sušší klima tento úkol tak efektivně neplní. Kaolinit je oblíbený ve vlhkém klimatu, protože obsahuje pouze hliník kromě oxidu křemičitého a vody. Hliník je vysoce zbytkový, zatímco složky smektitu (kromě hliníku a železa hořčík a vápník) se snadněji odnesou.

Dalším velkým a ekonomicky velmi důležitým procesem, který probíhá během diageneze (někdy se tato fáze označuje jako katageneze), je zrání kerogenu na uhlovodíky. Kerogen je voskovitá látka uvězněná v hornině, ale zraje na lehčí uhlovodíky, které jsou schopny se z břidlice pohybovat a migrovat nahoru. Tento proces může probíhat při teplotách mezi cca 50-150°C4 (olejové okno). To odpovídá obvykle 2-4 kilometrům hloubky pohřbu. Lehčí uhlovodíky uvolněné během procesů (známých jako katalytické a tepelné krakování) nyní mohou volně migrovat směrem nahoru. Mohou tvořit využitelné rezervoáry ropy a plynu, pokud jsou zastaveny nějakým druhem strukturální pasti, která může být antiklinou nebo a chyba hranice. Horninová vrstva, která zastavuje pohyb vzhůru, je v mnoha případech další vrstvou břidlice, protože zhutněná břidlice je tvrdou bariérou pro kapaliny a plyny. Břidlice může také ze stejného důvodu tvořit vodní nádrž mezi vodonosnými vrstvami — neumožňuje vodě snadno protékat horninou (má nízkou propustnost).

To je také důvod, proč některé ze vzniklých uhlovodíků nejsou schopny migrovat ze zdrojových hornin. Tento zdroj je nám stále alespoň částečně dostupný, pokud vyvrtáme díry a vstříkneme do horniny tlakovou vodu, která způsobí její prasknutí. Tato metoda je známá jako hydraulické štěpení (fracking). Vzniklé trhliny budou udržovány otevřené zrny písku injektovanými vodou a uhlovodíky zachycené v horninách se stanou obnovitelnými. Lámání je ve skutečnosti běžný proces v kůře. Minerální žíly a hráze jsou trhliny v kůře otevřené a utěsněné vysoce natlakovanou tekutinou nebo magmatem.

Význam břidlic pro ropný průmysl

Podle Okekeho (2003) ropný průmysl zahrnuje průzkum, výrobu, přepravu, zpracování a marketing ropy a plynu. Výroba a akumulace ropy zahrnuje tři fáze, jmenovitě generování ve zdrojových horninách, migraci geologickými formacemi a skladování ve skalních nádržích. Horniny zdroje ropy jsou geologické formace, které jsou schopny generovat ropu Uhlí, bahenní kámen a břidlice jsou uznávanými zdrojovými horninami kvůli jejich obsahu organického uhlíku. Tyto organické obsahy, v závislosti na jejich povaze, depozitním prostředí, teplotě, tlaku a hloubce pohřbu, jsou schopny generovat ropu. Ropný plyn se obecně vyrábí ve vysokoteplotních/tlakových, huminových a rostlinných dominantních organických sedimentech, jako je uhlí, zatímco ropa se vyrábí z méně humózních, fosilních dominantních a mírných teplotně/tlakových mořských břidlic. Zdrojové horniny mají velmi nízkou pórovitost a propustnost, a proto jednou vytvořená ropa je zachycena v hornině, ale může se dostat ven v důsledku hydrodynamických tlakových podmínek do blízké porézní horniny, odkud pokračuje v pohybu nebo migraci, dokud není zachycena nebo uložena v vytvoření vhodné geologické nádrže. Ropný olej nebo plyn zachycený v nádržích lze následně využít vrtáním vrtů do nádrží. Mezi takové nádrže patří pískovce, vápence a také puklinové břidlice. Břidlice jako nepropustné horniny jsou také důležitými těsněními ve stratigrafických a strukturálních pastích. Břidlice jsou proto důležité jako zdrojové horniny, rezervoáry a také tulení horniny. Podle Roegierse (1993) tvoří asi 90 % všech útvarů vrtaných v ropném průmyslu břidlice a vápence. Je také známo, že břidlice mohou být problematické v ropném průmyslu. Roegiers (1993) uvádí, že asi 75 % problémů s vrtáním/dokončováním vrtů souvisí s břidlicovými formacemi. Podrobnosti o pozitivních i negativních aspektech břidlice pro ropný průmysl jsou nyní přezkoumány.

Charakteristika a vlastnosti břidlice

Zde jsou různé úrovně definic.

• měkká, jemně vrstevnatá sedimentární hornina, která vznikla ze zpevněného bahna nebo jílu a lze ji snadno rozdělit na křehké desky.
• štěpná hornina, která vzniká zpevněním jílu, bahna nebo bahna, má jemně vrstevnatou nebo laminovanou strukturu a je složena z minerálů v podstatě nezměněných od uložení.
• hornina štěpné nebo vrstvené struktury vzniklá zpevněním jílu nebo jílovitého materiálu.

Žádná z nich nemá nic společného s takzvanou „břidlicovou“ těžbou ropy a plynu. Pravé břidlice, jak je uvedeno výše, jsou převážně jílovité minerály, které jsou také definovány jako třída velikosti (velikost jílu) a běžně se nazývají šedé břidlice. Nádrže produkující uhlovodíky obsahují méně než 50 % jílových minerálů (někdy mnohem méně), splňují definici velikosti částic a jsou bohaté na organické látky. Jednou z nejplodnějších „břidlic“ v USA je formace Woodford. Nese velmi vysokou úroveň organických látek a typicky obsahuje asi 30 % jílových minerálů. Zbytek je na většině území písek/klastický. Jiné „břidlice“ jsou v uhličitanech silnější než jíly.

Využití břidlice

• Břidlice má mnoho komerčních využití. Je to výchozí materiál v keramickém průmyslu pro výrobu cihel, dlaždic a keramiky. Břidlice používaná k výrobě keramiky a stavebních materiálů vyžaduje kromě drcení a míchání s vodou jen malé zpracování.
• Břidlice se drtí a zahřívá s vápenec vyrábět cement pro stavebnictví. Ohřev odvádí vodu a rozkládá vápenec na oxid vápenatý a oxid uhličitý. Oxid uhličitý se ztrácí jako plyn, zanechává oxid vápenatý a jíl, který po smíchání s vodou ztvrdne a nechá se uschnout.
• Ropný průmysl používá frakování k těžbě ropy a zemního plynu z ropných břidlic. Frakování zahrnuje vstřikování kapaliny pod vysokým tlakem do horniny, aby se vytlačily organické molekuly. K extrakci uhlovodíků jsou obvykle zapotřebí vysoké teploty a speciální rozpouštědla, což vede k odpadním produktům, které vzbuzují obavy z dopadu na životní prostředí.

Klíčový bod

• Břidlice je nejběžnější sedimentární hornina, která tvoří asi 70 procent zemské kůry.
• Břidlice je jemnozrnná hornina vyrobená ze stlačeného bahna a jílu.
• Charakteristickým znakem břidlic je jejich křehkost. Jinými slovy, břidlice se snadno dělí na tenké vrstvy.
• Běžné jsou černé a šedé břidlice, ale hornina se může objevit v jakékoli barvě.
• Břidlice je obchodně důležitá. Používá se při stavbě cihel, keramiky, dlaždic a portlandského cementu. Přírodní ďábel a ropa mohou být odstraněny z ropných břidlic.
• Horniny se mohou vyskytovat v hrách, řekách, pánvích a oceánech.
• Běžný je nález vápence a pískovec ležící blízko břidlice.
• Na listech se obvykle vyskytuje břidlice.
• Zhruba 55 % všech sedimentárních hornin tvoří břidlice.
• Některé břidlice mají pravděpodobně vysoký obsah vápníku kvůli fosiliím, které obsahují.
• Břidlice s vysokým obsahem oxidu hlinitého se používá při výrobě cementu.
• Břidlice s vysokým obsahem zemního plynu se v poslední době využívá jako zdroj energie.
• Křemen a další minerály se obvykle nacházejí v břidlici.
• Ačkoli je břidlice normálně šedá, může být černá, pokud obsahuje příliš mnoho uhlíkového materiálu.
• Přibližně 95 % organické hmoty v sedimentární hornině se nachází v břidlici nebo bahně.
• Břidlice vzniká procesem zvaným komprese.
• Břidlice vystavená extrémnímu teplu a tlaku se může lišit ve formě břidlice.
• Po vytvoření se břidlice obvykle uvolňuje do jezer a řek s pomalu tekoucí vodou.
• Jíl je důležitou součástí břidlicových hornin.

Stručný přehled názvů hornin používaných k popisu bahenních kamenů nebo hornin z nich odvozených:

Blátivá skála	Popis
Břidlice	Laminovaný a zhutněný kámen. Hlína by měla převládat nad bahnem.
Jíl	Jako břidlice, ale postrádá jemnou laminaci nebo štěpnost. Hlína by měla převládat nad bahnem.
Hliněná skála	Synonymum jílovce.
Argillit	Poměrně slabě definovaný skalní typ. Jedná se o kompaktní a ztvrdlou horninu pohřbenou hlouběji než většina bahnitých hornin a lze ji považovat za slabě metamorfovaný bahenní kámen. Argillit postrádá břidlicovou štěpnost a není laminovaný tak dobře jako typická břidlice.
Bahenní kámen	Vytvrzené bahno postrádající jemnou laminaci charakteristickou pro břidlice. Bahenní kámen má zhruba stejný podíl hlíny a bahna. „Bláten“ lze považovat za obecný termín, který zahrnuje všechny druhy hornin, které jsou většinou složeny ze zhutněného bahna.
Siltstone	Bahenní kámen, ve kterém převládá bahno nad hlínou.
Mudrock	Synonymum mudstone.
Lutite	Synonymum mudstone, i když se zřídka používá samostatně. Obvykle v kombinaci s nějakým modifikátorem (kalcilutit je velmi jemnozrnný vápenec).
Pelite	Další synonymum mudstone. Může být použit k popisu nezpevněných jemnozrnných sedimentů. Používá se také k popisu jemnozrnných uhličitanů stejně jako lutitu.
Slín	Vápnité bahno. Jedná se o směs jílu, bahna a karbonátových zrn v různém poměru. Může být konsolidovaný, ale v tomto případě se často nazývá opukový kámen.
Sarl	Podobné jako opuka, ale místo uhličitanového bahna obsahuje křemičitá biogenní zrna.
Smarl	Směs sarl a smarl.
Černá břidlice	Černá uhlíkatá břidlice, která za svou barvu vděčí organické hmotě (>5 %). Je bohatý na sulfidické minerály a obsahuje zvýšené koncentrace několika kovů (V, U, Ni, Cu).
Roponosná břidlice	Různé břidlice bohaté na organickou hmotu. Při destilaci se získá uhlovodíky.
Kamencová břidlice	Podobně jako u černé břidlice, ale pyrit se částečně rozložil za vzniku kyseliny sírové, která reagovala se složkami minerálů horniny za vzniku kamence (vodného síranu draselného a hlinitého). Je bohatá na několik kovů stejně jako černá břidlice a byla těžena jako zdroj uranu.
Olistostrome	Chaotická masa bahna a větších srázů se vytvořila pod vodou jako gravitační sesuv bahna. Chybí mu podestýlka.
Zákal	Sediment nebo hornina usazená zákalovým proudem. Tyto usazeniny se tvoří pod vodou jako směs jílu, bahna a vody sesouvající se po kontinentálním svahu (ve většině případů). Turbidit je často složen ze střídajících se prachovitých a jílovitých vrstev.
Flyš	Starý termín v dnešní době z velké části nahrazen turbiditem.
Diamiktit	Čistě popisný termín používaný k popisu jakékoli sedimentární horniny obsahující větší klasty v jemnozrnné matrici. Diamiktit může vzniknout mnoha způsoby, ale ve většině případů se zdá, že jde o litifikované ledovcové kameny.
Tillit	Lithifikovaný špatně vytříděný (větší klasty v bahnité matrici) sediment uložený ledovcem. Tillite je litifikovaná pokladna.
Břidlice	Jemnozrnná metamorfovaná hornina, kterou lze štěpit na tenké pláty (má břidlicovou štěpnost). Břidlice je v naprosté většině případů metamorfovaná břidlice/bahnice.
Metapelit	Jakýkoli metamorfovaný mudstone. Břidlice, fylity a různé břidlice jsou běžné metapelity.
Fylit	Metamorfovaná hornina vyšší než břidlice a nižší než břidlice. Má charakteristický lesk na štěpných plochách, které mu dodává platová slída a/nebo grafit krystaly.

Reference

• Bonewitz, R. (2012). Horniny a minerály. 2. vyd. Londýn: DK Publishing.
• Okeke, OC, & Okogbue, CO (2011). Břidlice: Přehled jejich klasifikací, vlastností a významu pro ropný průmysl. Global Journal of Geological Sciences, 9(1), 75-83.
• Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (2018. října 22). Břidlicová hornina: Geologie, složení, použití. Načteno z https://www.thoughtco.com/shale-rock-4165848
• Přispěvatelé Wikipedie. (2019. dubna 26). Břidlice. Ve Wikipedii, The Free Encyclopedia. Získáno 02:01, 9. května 2019, z https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Shale&oldid=894256126