ทรายน้ำมัน (oil sands หรือ tar sands) เป็นแหล่งสะสมปิโตรเลียมแบบไม่ปกติ ประกอบด้วยส่วนผสมของทราย ดินเหนียว น้ำ และ บิทูเมน (bitumen) ซึ่งเป็นน้ำมันดิบที่มีความหนืดสูงและหนาแน่น การศึกษาธรณีวิทยาและกำเนิดของทรายน้ำมันช่วยให้เข้าใจถึงกระบวนการที่ทำให้เกิดแหล่งสะสมนี้ ความท้าทายในการสกัด และบทบาทของทรายน้ำมันในระบบพลังงานโลก โดยแหล่งทรายน้ำมันที่สำคัญ ได้แก่ แคนาดา (โดยเฉพาะในอัลเบอร์ตา) และ เวเนซุเอลา

ส่วนประกอบ

ทรายน้ำมันเป็นส่วนผสมที่หลากหลายซึ่งประกอบด้วย บิทูเมน เป็นไฮโดรคาร์บอนที่มีความหนืดสูง เป็นส่วนที่สามารถนำมาใช้เป็นแหล่งพลังงานได้ ต้องใช้ความร้อนหรือสารเคมีเพื่อแยกออกจากทราย ทรายและดินเหนียว เป็นโครงสร้างพื้นฐานที่ประกอบอยู่ในแหล่งสะสม น้ำ ปกคลุมเม็ดทรายเป็นชั้นบาง ๆ และมีบทบาทสำคัญในกระบวนการแยกบิทูเมน แร่ธาตุและโลหะ เช่น ซัลไฟด์ ไพไรต์ และโลหะหนัก เช่น วานาเดียมและนิกเกิล ที่เกี่ยวข้องกับบิทูเมน

การเกิด

การเกิดทรายน้ำมันเป็นกระบวนการหลายขั้นตอนที่เกิดขึ้นตลอดช่วงเวลาหลายล้านปี รวมถึง

1) การกำเนิดไฮโดรคาร์บอนจากหินต้นกำเนิด ทรายน้ำมันเกิดจากปิโตรเลียมที่มาจาก หินต้นกำเนิด (source rocks) ซึ่งมีอินทรียวัตถุจำนวนมาก เมื่อได้รับความร้อนและแรงดันในชั้นธรณีวิทยา ทำให้เกิดไฮโดรคาร์บอน

2) การเคลื่อนย้ายและการสะสมตัว หลังจากเกิดปิโตรเลียมแล้ว ไฮโดรคาร์บอนที่มีน้ำหนักเบาจะเคลื่อนตัวผ่านชั้นหินที่มีรูพรุนหรือรอยแตก ไปสะสมตัวในกับดัก (traps) เช่น โครงสร้างธรณีวิทยาหรือการเปลี่ยนแปลงทางชั้นหิน

เพิ่มเติม : ปิโตรเลียมและการสำรวจ : ความรู้เบื้องต้น

3) การย่อยสลายและการเปลี่ยนแปลงทางชีวภาพ ไฮโดรคาร์บอนในทรายน้ำมันผ่านกระบวนการย่อยสลายทางชีวภาพ (biodegradation) ซึ่งเกิดจากจุลินทรีย์ที่บริโภคส่วนประกอบไฮโดรคาร์บอนที่เบากว่า เหลือไว้เฉพาะส่วนที่หนักกว่าและหนืดกว่า

การเกิดปิโตรเลียม (Origin of Petroleum) ในสภาพแวดล้อมที่ปิโตเลียมสามารถเกิดขึ้นได้ ต้องประกอบด้วยปัจจัยหรือองค์ประกอบที่สำคัญต่างๆ ดังนี้

1) หินต้นกำเนิด (source rock) ปิโตรเลียมเกิดจากซากพืชและสัตว์ที่ตายทับถมร่วมกับตะกอนเป็นเวลาหลายล้านปี และกลายเป็น หินดินดานน้ำมัน (oil shale) ซึ่งมีสีดำ ต่อมาเมื่อหินได้รับความร้อน ทำให้หินเปลี่ยนเป็นสารคล้ายกับขี้ผึ้งมีโมเลกุลใหญ่ขึ้น เรียกว่า เคโรเจน (kerogen) ซึ่งเป็นสารประกอบไฮโดรคาร์บอนที่อยู่ในรูปของแข็ง โดยหากมีอุณหภูมิอยู่ในช่วงที่เหมาะสม (oil หรือ gas window) หรือหากพิจารณาตามหลัก การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิตามความลึก (geothermal gradient) อุณหภูมิที่เหมาะสมนั้นจะอยู่ที่ระดับความลึกจากพื้นผิวโลกประมาณ 3-9 กิโลเมตร น้ำมันดิบและก๊าซธรรมชาติจะสามารถก่อตัวขึ้นได้ ทำให้เกิดน้ำมันดิบได้ หลังจากนั้นจะไหลหรือเคลื่อนย้ายออกไปกักเก็บใน หินกักเก็บ (reservoir rock)

โดยปกติน้ำมันดิบก่อตัวขึ้นที่ระดับความลึกประมาณ 4-6 กิโลเมตร ส่วนก๊าซธรรมชาติก่อตัวขึ้นที่ประมาณ 5-9 กิโลเมตร แต่หากหินดินดานน้ำมันอยู่ในระดับลึกเกินไปจะเกิดการสูญเสียน้ำมันดิบและก๊าซธรรมชาติ ซึ่งหากภายในชั้นหินมีน้ำใต้ดินร่วมด้วย เมื่อน้ำมันดิบและก๊าซธรรมชาติเคลื่อนเคลื่อนย้ายไปกักเก็บในโคร้างสร้างปิดกั้น โดยชั้นบนสุดจะเป็นก๊าซธรรมชาติ รองรับด้วยน้ำมันดิบและน้ำ ตามลำกับ 

2) หินอุ้มน้ำมันหรือหินกักเก็บ (reservoir rock) โดยส่วนใหญ่เป็นหินที่มี ความพรุน (porosity) สูงมากพอที่จะให้น้ำมันดิบซึมผ่านได้ เช่น หินทราย ทำหน้าที่ให้น้ำมันดิบมายึดเกาะ ซึ่งถูกปิดกั้นไม่ให้ปิโตรเลียมไหลสู่ด้านบนด้วย โครงสร้างปิดกั้น (trap) 

3) ชั้นหินกักเก็บปิโตรเลียม (trap) โดยส่วนใหญ่เป็นหินที่มีความพรุนต่ำ เช่น หินดินดาน คอยปิดกั้นไม่ให้ปิโตรเลียมไหลขึ้นสู่พื้นผิวโลกได้

แหล่งสำคัญ

แหล่งทรายน้ำมันมีการกระจายตัวทั่วโลก โดยแหล่งที่สำคัญ ได้แก่

1) อัลเบอร์ตา ประเทศแคนาดา แหล่งทรายน้ำมันขนาดใหญ่ที่สุดของโลกอยู่ในภูมิภาค Athabasca, Peace River และ Cold Lake โดยเป็นส่วนหนึ่งของแอ่งตะกอน Western Canada Sedimentary Basin เกิดขึ้นในยุคปลายครีเทเชียส

2) เขต Orinoco Belt ประเทศเวเนซุเอลา แหล่งทรายน้ำมันขนาดใหญ่ในเขต Orinoco มีคุณสมบัติเป็นน้ำมันหนักมาก (extra-heavy oil) ซึ่งมีความหนืดสูง

3) แหล่งอื่น ๆ แหล่งเล็กกว่าในประเทศอื่น เช่น รัสเซีย สหรัฐอเมริกา (ยูทาห์) และตะวันออกกลาง มีลักษณะเฉพาะทางธรณีวิทยาที่แตกต่างกัน

สภาพแวดล้อมทางธรณีวิทยา

สภาพแวดล้อมที่พบทรายน้ำมันมักเกี่ยวข้องกับระบบแม่น้ำและปากแม่น้ำ ทรายน้ำมันจำนวนมากเกิดในระบบแม่น้ำโบราณหรือพื้นที่ปากแม่น้ำ พื้นที่ชายฝั่งทะเลตื้น พื้นที่เหล่านี้เหมาะสมสำหรับการสะสมตัวของอินทรียวัตถุและตะกอนที่สร้างหินต้นกำเนิด

การสกัดและผลิต

การนำบิทูเมนออกจากทรายน้ำมันเป็นกระบวนการที่มีความซับซ้อนและส่งผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อม

1) การทำเหมืองและเทคนิคในแหล่ง (in situ) เหมืองเปิด ใช้สำหรับแหล่งที่อยู่ใกล้ผิวดิน ต้องขุดดินและทรายปริมาณมาก เทคนิคในแหล่ง เช่น Steam-Assisted Gravity Drainage (SAGD) ใช้ไอน้ำฉีดเข้าไปเพื่อลดความหนืดของบิทูเมน

2) ผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อม การทำลายที่ดิน การทำเหมืองผิวดินเปลี่ยนแปลงภูมิทัศน์อย่างมาก การใช้น้ำ การสกัดทรายน้ำมันใช้น้ำในปริมาณมาก การปล่อยก๊าซเรือนกระจก กระบวนการสกัดใช้พลังงานสูงและปล่อย CO₂ จำนวนมาก

บทบาทในพลังงานโลก

ทรายน้ำมันเป็นแหล่งพลังงานที่สำคัญ แต่ยังมีความท้าทายในด้านสิ่งแวดล้อมและความยั่งยืน

1) ความสำคัญทางเศรษฐกิจ ในประเทศอย่างแคนาดา ทรายน้ำมันเป็นรากฐานสำคัญของเศรษฐกิจ โดยมีการลงทุนอย่างต่อเนื่องเพื่อพัฒนาแหล่งนี้

2) การเปลี่ยนผ่านสู่พลังงานสะอาด แม้ว่าทรายน้ำมันจะเป็นแหล่งพลังงานที่เชื่อถือได้ แต่เผชิญกับแรงกดดันจากนโยบายด้านสิ่งแวดล้อมและการหันไปใช้พลังงานหมุนเวียน

อนาคตของทรายน้ำมัน

1) นวัตกรรมทางเทคโนโลยี เทคโนโลยีใหม่ เช่น การใช้สารละลายช่วยในการสกัด และการดักจับและกักเก็บคาร์บอน (CCS) สามารถลดผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมได้

2) นโยบายและกฎระเบียบ กฎระเบียบด้านสิ่งแวดล้อมที่เข้มงวดขึ้นและความมุ่งมั่นระดับโลกในการลดการปล่อยก๊าซเรือนกระจก อาจกำหนดทิศทางของการพัฒนาทรายน้ำมันในอนาคต

ธรณีวิทยาและกำเนิดของทรายน้ำมันสะท้อนถึงกระบวนการธรณีวิทยาที่ซับซ้อนและเป็นส่วนสำคัญในประวัติศาสตร์ของไฮโดรคาร์บอน แม้ว่าจะเป็นแหล่งพลังงานที่มีศักยภาพ แต่ทรายน้ำมันยังต้องเผชิญกับความท้าทายทั้งในด้านเทคโนโลยีและสิ่งแวดล้อม การสร้างสมดุลระหว่างประโยชน์ทางเศรษฐกิจและความยั่งยืนด้านสิ่งแวดล้อมจะกำหนดบทบาทของทรายน้ำมันในระบบพลังงานโลกต่อไปในอนาคต

. . .
บทความล่าสุด : www.mitrearth.org
เยี่ยมชม facebook : มิตรเอิร์ธ – mitrearth