ไพโรบิทูเมน
ระบบการจำแนกประเภทบิทูเมน ดัดแปลงจาก Abraham และ Curiale
ทั่วไป
หมวดหมู่	สารอินทรีย์
สี	ตัวแปร

ไพโรบิทูเมน เป็น สารอินทรีย์อสัณฐานชนิดหนึ่งที่เป็นของแข็ง ไพโรบิทูเมนส่วนใหญ่ ไม่ละลายในคาร์บอนไดซัลไฟด์และตัวทำละลายอินทรีย์อื่นๆ อันเป็นผลมาจากการเชื่อมโยงโมเลกุลซึ่งทำให้สารอินทรีย์ที่เคยละลายได้ (เช่นบิทูเมน ) กลายเป็นไม่ละลาย^{[ 1 ] [ 2 ]} ไม่ใช่ว่าบิทูเมนที่เป็นของแข็งทั้งหมดจะเป็นไพโรบิทูเมน เนื่องจากบิทูเมนที่เป็นของแข็งบางชนิด (เช่นกิลโซไนต์ ) สามารถละลายได้ในตัวทำละลายอินทรีย์ทั่วไป รวมถึงCS₂ไดคลอโรมีเทนและสารผสม เบนซีน - เมทานอล

แม้ว่าความแตกต่างหลักระหว่างบิทูเมนและไพโรบิทูเมนจะอยู่ที่ความสามารถในการละลาย แต่กระบวนการทางความร้อนที่ขับเคลื่อนการเชื่อมโยงโมเลกุลยังลดอัตราส่วนอะตอมของไฮโดรเจนต่อคาร์บอนจากมากกว่าหนึ่งไปเป็นน้อยกว่าหนึ่ง และในที่สุดเหลือประมาณครึ่งหนึ่ง ควรเข้าใจด้วยว่าทั้งความสามารถในการละลายและอัตราส่วนอะตอม H/C นั้นเป็นไปในลักษณะต่อเนื่อง และบิทูเมนแข็งส่วนใหญ่มีทั้งส่วนที่ละลายได้และละลายไม่ได้ ความแตกต่างระหว่างไพโรบิทูเมนและเคโรเจน ที่เหลืออยู่ ในหินต้นกำเนิดที่สุกงอมนั้นขึ้นอยู่กับหลักฐานทางจุลภาคของการไหลของของเหลวภายในเนื้อหิน และโดยปกติแล้วจะไม่สามารถระบุได้

คำว่าบิทูเมนและไพโรบิทูเมนมีความหมายที่เกี่ยวข้องกันทั้งในเปลือกโลกและในห้องปฏิบัติการ ในทางธรณีวิทยา บิทูเมนเป็นผลผลิตจากการสะสมและการเปลี่ยนแปลงของสารอินทรีย์ สารอินทรีย์ที่สกัดได้ (EOM) ในหินต้นกำเนิดปิโตรเลียมและหินกักเก็บปิโตรเลียมถูกกำหนดให้เป็นบิทูเมน เมื่อสัมผัสกับอุณหภูมิสูงในระดับภูมิภาคในช่วงเวลาทางธรณีวิทยาบิทูเมนจะเปลี่ยนเป็นไพโรบิทูเมนอันเป็นผลจากปฏิกิริยาที่กระตุ้นด้วยความร้อน ซึ่งจะขับไล่ผลิตภัณฑ์น้ำมันและก๊าซที่เบากว่าออกไปและทิ้งสารตกค้างที่ไม่ละลายน้ำซึ่งอุดมไปด้วยคาร์บอน ไพโรบิทูเมนคิดเป็นสัดส่วนที่สำคัญของชะตากรรมสุดท้ายของของเหลวปิโตรเลียมที่เกิดขึ้นจากเคโรเจนในระหว่างกระบวนการเปลี่ยนแปลงทางเคมี ในห้องปฏิบัติการ การทดลองกับหินที่อุดมไปด้วยสารอินทรีย์ (หินดินดานน้ำมันและหินต้นกำเนิดปิโตรเลียม) การสลายตัวของสารอินทรีย์ที่ไม่ละลายน้ำในตอนแรก (ซึ่งกำหนดให้เป็นเคโรเจน) จะสร้างผลิตภัณฑ์ที่เป็นก๊าซและของเหลว ของเหลวที่ละลายน้ำได้ซึ่งยังคงอยู่ในหินที่ได้รับความร้อนถูกกำหนดให้เป็นบิทูเมน เมื่อสัมผัสกับความร้อนต่อไป บิทูเมนจะยังคงเปลี่ยนแปลงและแตกตัวเป็นไพโรบิทูเมนและน้ำมันและก๊าซมากขึ้น

คำว่าบิทูเมนและแอสฟัลต์มักใช้แทนกันได้เพื่ออธิบายผลิตภัณฑ์ปิโตรเลียมที่มีความหนืดสูงถึงของแข็ง ซึ่งถูกนำมาใช้ในการก่อสร้างมาตั้งแต่สหัสวรรษที่ 5 ก่อนคริสต์ศักราช บิทูเมนแตกต่างจากน้ำมันดินซึ่งเป็นคำที่ใช้เรียกผลิตภัณฑ์ที่เกิดจากการไพโรไลซิส ( การกลั่นแบบทำลายล้าง ) ของถ่านหินหรือไม้ น้ำมันดิน ที่ได้จากการกลั่นปิโตรเลียมบางครั้งก็เรียกว่าบิทูเมนหรือแอสฟัลต์เช่นกัน

คำว่า "บิทูเมน" มีที่มาจากภาษาสันสกฤตโดยพบคำว่า jatu ซึ่งหมายถึง "ยางมะติน" และ jatu-krit ซึ่งหมายถึง "การสร้างยางมะติน" หรือ "การผลิตยางมะติน" (หมายถึงต้นสนหรือต้นที่มีเรซิน) บางคนอ้างว่าคำ ในภาษาละตินที่เทียบเท่ากันนั้นมีต้นกำเนิดมาจาก gwitu-men (ที่เกี่ยวข้องกับยางมะติน) และบางคนอ้างว่ามาจาก pixtumens (ยางมะตินที่ไหลออกมาหรือเดือดปุดๆ) ซึ่งต่อมาได้ย่อเหลือเพียง bitumen

Hunt ^{[ 3 ]}นิยามบิทูเมนว่าเป็นสารธรรมชาติที่มีสีความหนืดและความระเหย แปรผัน ได้ โดยประกอบด้วยคาร์บอนและไฮโดรเจนเป็นหลัก นอกจากนี้เขายังนิยามปิโตรเลียมว่าเป็นบิทูเมนรูปแบบหนึ่งที่เป็นก๊าซหรือของเหลวในแหล่งกักเก็บ และสามารถผลิตได้ผ่านทางท่อ บิทูเมนชนิดอื่นๆ มีตั้งแต่มีความหนืดสูงมาก (เช่น น้ำมันหนัก Athabasca และ Venezuelan, บ่อน้ำมันดิน La Brea ) ไปจนถึงของแข็ง (เช่นกิลโซไนต์ , โอโซเซอไร ต์, แกรฮาไมต์ , อิมป์โซไนต์ ) ไพโรบิทูเมนเกิดจากการสลายตัวทางความร้อนและการเชื่อมโยงโมเลกุลของบิทูเมน ไพโรบิทูเมนแตกต่างจากบิทูเมนแข็งชนิดอื่น ๆ ที่เกิดจากการ ปะทุของหิน ต้นกำเนิด ที่มีเคโรเจนสูงในระยะเริ่มต้น (เช่น กิลโซไนต์) และบิทูเมนกึ่งแข็งใน ทรายน้ำมันที่มีความหนืดสูงซึ่งเกิดจากการชะล้างด้วยน้ำและการย่อยสลายทางชีวภาพของน้ำมันดิบแบบดั้งเดิม (เช่นทรายบิทู เมนอะทาบา สกา) ซึ่งทั้งหมดนี้สามารถละลายได้ในคาร์บอนไดซัลไฟด์

ระบบการจำแนกประเภทบิทูเมนแบบโบราณถูกสร้างขึ้นโดยปราศจากความรู้ด้านธรณีเคมีอินทรีย์ที่พัฒนาขึ้นในช่วง 50 ปีที่ผ่านมา เดิมทีไพโรบิทูเมนถูกนิยามว่าเป็นบิทูเมนแข็งที่ไม่ละลายน้ำและไม่หลอมเหลว ระบบการจำแนกประเภทบิทูเมนแข็งดั้งเดิมของอับราฮัม^{[ 4 ]}ซึ่งดัดแปลงมาจากคูเรียเล^{[ 5 ]}แสดงอยู่ในรูปที่ 1 คูเรียเลกล่าวว่าในขณะที่ระบบการจำแนกประเภททางประวัติศาสตร์มีประโยชน์สำหรับการจัดเรียงคอลเลกชันในพิพิธภัณฑ์ แต่ก็ไม่มีประโยชน์สำหรับการสร้างความสัมพันธ์ทางพันธุกรรม และเขาได้เสนอระบบการจำแนกประเภททางเลือกที่แสดงในรูปที่ 2

แม้ว่าจะไม่มีความสัมพันธ์โดยตรงระหว่างระบบการจำแนกประเภทในรูปที่ 1 และ 2 แต่ไพโรบิทูเมนชนิดหนึ่งเป็นส่วนย่อยของบิทูเมนแข็งหลังน้ำมันที่เกิดจากการเสื่อมสภาพทางความร้อนของเคโรเจนและน้ำมัน จากตัวอย่าง 27 ตัวอย่างที่ Curiale ตรวจสอบ ตัวอย่างอิมโซไนต์ 3 ตัวอย่างมีความละลายต่ำ (<3%) และอัตราส่วน H/C ต่ำ (<0.9) ซึ่งเป็นลักษณะเฉพาะของสารอินทรีย์ที่สุกงอมมาก ตัวอย่างเหล่านี้ยังมีปริมาณแอสฟัลทีน ต่ำที่สุด ปริมาณอะโรมา ติกสูงสุด และปริมาณสารระเหยสูงสุดในส่วนที่ละลายได้ คาร์บอนที่สะสมอยู่ร่วมกับ ก้อน ยูเรเนียมก็มีความละลายต่ำและอัตราส่วน H/C น้อยกว่า 1.0 และสอดคล้องกับไพโรบิทูเมนที่มีต้นกำเนิดจากสารอนินทรีย์ สำหรับการเปรียบเทียบน้ำมันดินถ่านหินมีอัตราส่วนอะตอม H/C ประมาณ 0.8 ^{[ 6 ]}

ใน ชุมชน ธรณีเคมี ปิโตรเลียม ไพโรบิทูเมนคือส่วนที่เหลือของน้ำมันที่เปลี่ยนแปลงทางความร้อนซึ่งเกิดขึ้นก่อนหน้านี้ในระหว่างการสุกตัวของเคโรเจน โดยน้ำมันส่วนใหญ่จะเคลื่อนย้ายและสะสมอยู่ในแหล่งกักเก็บน้ำมัน การศึกษา ทางปิโตรกราฟิกของสารตกค้างจากการไพโรไลซิสแบบไฮดรัส ซึ่งถือเป็นการจำลองการก่อตัวของปิโตรเลียมตามธรรมชาติในห้องปฏิบัติการที่ดี แสดงให้เห็นถึงการก่อตัวของเครือข่ายบิทูมินัสต่อเนื่องในช่วงเริ่มต้นของการเปลี่ยนแปลงเคโรเจน ซึ่งบางส่วนจะถูกแปลงเป็นไพโรบิทูเมนเมื่อได้รับความร้อนสูง^{[ 7 ]}คำจำกัดความนี้สอดคล้องกับคำจำกัดความของไพโรบิทูเมนใน พจนานุกรมของ สมาคมวิศวกรปิโตรเลียม : “แอสฟัลต์ธรรมชาติที่แข็งภายในรูพรุน [ของหิน] โดยปกติจะไม่เคลื่อนที่หรือเข้าสู่ปฏิกิริยา” ^{[ 8 ]} ฮันท์^{[ 9 ]}ใช้คำจำกัดความของสารตกค้างที่สุกตัวทางความร้อนนี้เพื่อคำนวณสมดุลของวัสดุสำหรับชะตากรรมของน้ำมันที่ระดับความสุกตัวสูงมาก ทั้งที่คงอยู่ในหินต้นกำเนิดและจากแหล่งกักเก็บ ไพโรบิทูเมนในแหล่งกักเก็บน้ำมันที่สุกตัวทางความร้อนได้รับการจำแนกลักษณะโดยฮวาง^{[ 10 ]} เมื่อไม่นานมานี้ ไพโรบิทูเมนที่คงอยู่ในหินต้นกำเนิดถือว่ามีบทบาทสำคัญในการกักเก็บและผลิตก๊าซหินดินดาน^{[ 11 ]}

ในการกลั่นหินน้ำมัน กากไพโรบิทูเมนมีอัตราส่วนอะตอม H/C ประมาณ 0.5 และมักเรียกว่า^{โค้ก [ 12 ]}ซึ่งมี^อะนาล็อกในการผลิตโค้กปิโตรเลียมและถ่านหินโดยการกลั่นแบบทำลายล้าง แม้ว่าผู้ทำงานบางคน เช่น Wen และ Kobylinski ^{[ 13 ]}จะใช้คำว่าไพโรบิทูเมนอย่างไม่เหมาะสมในฐานะตัวกลางปฏิกิริยาระหว่างเคโรเจนและน้ำมันเพื่อแยกความแตกต่างจากบิทูเมนธรรมชาติ

คำจำกัดความโบราณบางประการของไพโรบิทูเมนรวมถึงพีทและลิกไนต์แม้ว่าวัสดุเหล่านี้จะได้รับความร้อนทางธรณีวิทยาเพียงเล็กน้อยเมื่อเทียบกับที่จำเป็นต่อการก่อตัวของบิทูเมนเหลว หรือแม้แต่ไพโรบิทูเมน สำหรับของแข็งที่ได้จากฮิวมิกในโลก ตำแหน่งที่คล้ายคลึงกันบนเส้นทางการสุกของถ่านหินจะวางไว้ที่อย่างน้อยที่สุดในช่วงบิทูมินัสที่มีความผันผวนปานกลาง (เช่น H/C<0.8, O/C<0.05 และค่าการสะท้อนแสงของวิตริไนต์ >1.0%) [ ^{14 ] [ 15 ] [ 16 ] สำหรับ} ระบบปิโตรเลียม Mukhopadhyay ^{[ 17 ]}ระบุว่าบิทูเมนแข็งเริ่มก่อตัวเมื่อค่าการสะท้อนแสง ของวิตริไนต์ ถึง 0.45% นั่นคือขั้นตอนแรกของการเปลี่ยนเคโรเจนเป็นน้ำมันและก๊าซ นอกจากนี้บิทูเมนยังสะท้อนแสงได้ดีขึ้นเมื่ออายุมากขึ้น โดยเขาให้ค่าการสะท้อนแสงของบิทูเมนที่เทียบเท่ากับ 0.6% สำหรับค่าการสะท้อนแสงของวิตริไนต์ที่ 1.0% ซึ่งสอดคล้องกับขอบเขตระหว่างแอสฟัลต์/อัลเบอร์ไทต์และเอพิ-อิมป์โซไนต์ แม้ว่าคำจำกัดความดั้งเดิมของไพโรบิทูเมนจะรวมถึงบิทูเมนแข็งที่มีอายุน้อย เช่น อัลเบอร์ไทต์ แต่คำจำกัดความที่เชื่อมโยงกับการก่อตัวและการทำลายน้ำมันจากเคโรเจนอย่างใกล้ชิดมากขึ้นจะกำหนดไพโรบิทูเมนว่ามีอัตราส่วน H/C น้อยกว่า 1.0 ในความเป็นจริง คู่มือไบโอมาร์กเกอร์^{[ 18 ]} กำหนดไพโรบิทูเมนว่ามีอัตราส่วน H/C น้อยกว่า 0.5 ซึ่งสอดคล้องกับค่าการสะท้อนแสงของวิตริไนต์ประมาณ 2.0% และ ถ่านหินบิทูมินัสที่มีความผันผวนต่ำถึงกึ่งแอนทราไซต์Hwang et al. ^{[ 10 ]}พบว่าความสามารถในการละลายของบิทูเมนในแหล่งกักเก็บของแข็งลดลงต่ำกว่า 50% สำหรับค่าการสะท้อนแสงของวิตริไนต์ที่ 0.7% และต่ำกว่า 20% สำหรับค่าการสะท้อนแสงของวิตริไนต์ที่มากกว่า 1.0% โดยค่า การสะท้อนแสง ของวิตริไนต์ที่ 1.1% สอดคล้องกับอัตราส่วนอะตอม H/C ที่ 0.8 วอร์เนอร์และคณะ^{[ 19 ]}ยังพบไพโรบิทูเมนในแหล่งน้ำมันเทงกิซที่มี H/C เท่ากับ 0.8 พวกเขายังระบุว่ามีค่าการสะท้อนแสงสูง รวมถึงการเกิดพื้นผิวการสะท้อนแสงแบบโมเสก การไพโรไลซิสให้ผลผลิตน้ำมันบางส่วนที่คล้ายกับน้ำมันที่ได้มา บอร์เดนาฟ^{[ 20 ]}อธิบายว่าไพโรบิทูเมนมีค่าการสะท้อนแสงระหว่าง 1.5 ถึง 2.5% และผลผลิตจากการไพโรไลซิสน้อยกว่า 80 มิลลิกรัมไฮโดรคาร์บอน/กรัมคาร์บอนอินทรีย์ จากคำอธิบายเหล่านี้และการศึกษาการไพโรไลซิสอื่นๆ ทำให้เห็นได้ชัดว่าอัตราส่วน H/C ที่ 0.5 ซึ่งระบุโดยปีเตอร์ส สอดคล้องกับจุดสิ้นสุดของผลผลิตไพโรไลซิส แม้ว่าบิทูเมนจะกลายเป็นสารที่ไม่ละลายน้ำ และกลายเป็นไพโรบิทูเมน ก่อนที่จะถึงจุดนั้นก็ตาม