Untersuchung der Nanostruktur von Organik in organisch-reichen Tonsteinen und Kohlen

In den letzten Jahren wurde großer Fortschritt bei der Auflösung von Nanostrukturen in verschiedenen Materialien erzielt. Im Bereich der Geowissenschaften eröffnet diese Entwicklung die Möglichkeit bisher ungeklärte Fragestellungen zu erforschen. Viele dieser Fragen beziehen sich auf die chemische und strukturelle Zusammensetzung des organischen Materials in feinkörnigen Sedimenten und Kohlen und ihre Veränderung unter zunehmender Wärmebelastung in der Erdkruste. Es wird vermutet dass diese Prozesse auf der Nanoebene wichtigen Einfluss auf (1) die Speicherung von Methan in neugebildeten Poren und (2) den Einbau von Spurenelementen in organischem Material (Kerogen) und neugebildeten Mineralen hat, wobei bisher unbekannt ist, inwiefern sich verschiedene Kerogentypen in dieser Hinsicht unterscheiden. Ziel des Forschungsvorhabens ist einerseits die Entwicklung, Form und Konnektivität von Nanoporen mit Herkunft des organischen Materials, der mineralischen Zusammensetzung der Gesteine, sowie deren Temperaturüberprägung in Beziehung zu setzen und andererseits den Einbau von anorganischen Elementen in die organische Substanz, bzw. neugebildete Minerale zu studieren. Dies ermöglicht die Evaluierung ökonomisch höchst relevanter Aspekte für einen Probensatz aus dem Dniepr-Donets Becken (Ukraine), bestehend aus schwermetallreichen Kohlen sowie organisch- reichen Tonsteinen mit unterschiedlicher thermischer Überprägung: i) Speicherung von Erdgas in Tonsteinen ii)Beeinträchtigung der Barrierewirkung von Tonsteinen durch neugebildete Porosität iii) Methan in Kohlen als Rohstoff und/oder Risiko bei der Kohlegewinnung iv)Arten der Anreicherung toxischer Schwermetalle in Kohlen Zur Porenraumcharakterisierung werden innovative elektronenoptische Verfahren aus den Materialwissenschaften kombiniert. Erste Versuche, hochauflösende elektronenmikroskopische Techniken im Bereich der Geowissenschaften anzuwenden, brachten vielversprechende Ergebnisse. Allerdings konzentrierten sich diese Untersuchungen auf Proben mit Kerogentyp II (marines organisches Material) welcher bevorzugt durch die thermische Überprägung in nanoporöses Festbitumen umgewandelt wird. Bisher ist jedoch unklar, ob sich Nanoporen auch im primären organischen Material (z.B. Algen) bilden, bzw. wann die Bildung des porösen Festbitumens ihr Maximum erreicht. Im Rahmen des Projektes werden für die Erkennung der primären organischen Bestandteile und deren Unterscheidung von sekundär gebildeten Bitumenarten die hochauflösenden bildgebenden Verfahren mit der Bestimmung organisch geochemischerParameter(molekulareZusammensetzung, Isotopenverhältnisse) sowie konventioneller Kohlemikroskopie kombiniert. Der gewählte Probensatz erlaubt die Erweiterung der Untersuchungen auf Gesteine mit unterschiedlichen Mischungen von Kerogentyp II und III (gebildet aus Landpflanzen), welcher deutlich weniger zur Bildung von porösem Festbitumen neigt. Die Berücksichtigung von Kohlen erleichtert überdies die eindeutige Zuordnung der organischen Partikel zu ihrer pflanzlichen Ausgangssubstanz. Da die Änderung der chemischen Zusammensetzung des Kerogens mit der thermischen Überprägung vermutlich auch Einfluss auf den Einbau toxischer Spurenelemente hat, wird überdies deren Vorkommen in den ausgewählten Kohlen unterschiedlicher Zusammensetzung und Reife in-situ mittels spezieller Verfahren bestimmt. Diese ermöglichen ortsaufgelöst bis in den Nanometerbereich die chemische Zusammensetzung einer Probe zu messen. Die Gesamtheit der genannten analytischen Verfahren erlaubt ein umfassendes Verständnis der Wechselwirkung zwischen Chemismus und Nanostruktur von Organik in geologischen Materialien.

Die Speicher-, Retentions- und Transporteigenschaften von Tonsteinen und Kohlen in Bezug auf primäre und sekundäre Energieträger werden stark von den strukturellen Eigenschaften dieser Gesteine beeinflusst. Ein Hauptziel des Forschungsprojektes war die Charakterisierung der Porenraumentwicklung im organischen Anteil von Tonsteinen und Kohlen mit Hilfe innovativer, hochauflösender bildgebender Verfahren und zusätzlicher, komplementärer Techniken (z.B. Adsorptionstests, organisch-geochemische Analysen). Ein umfassendes Verständnis der Porenraumentwicklung in organischem Material sowie der zahlreichen kontrollierenden Faktoren konnte aufgebaut werden. So haben nicht nur die Art des organischen Materials oder die Mineralogie der Tonsteine Einfluss auf die Entwicklung der Poren, sondern auch die Temperatur- und Drucküberprägung (Porengeometrie und Orientierung) während der Versenkung der Gesteine. Grundsätzlich hat sich gezeigt, dass sekundäre Poren im durch Bildgebung auflösbaren Bereich (> 5 nm) fast ausschließlich in Festbitumen - ein Transformationsprodukt primären organischen Materials - vorkommen. Primäre Poren konnten in Liptiniten (z.B. Alginit), nicht aber in terrestrisch-gebildeten Kohlebestandteilen visualisiert werden. Nichts desto trotz konnte über Gasadsorption ein beträchtliches Gasspeicherungspotential in Mikroporen (< 2 nm) auch für terrestrisch abgelagerte Organik nachgewiesen werden. Die vor allem an solche Bestandteile gebundenen, hochmolekularen bituminösen Anteile tragen nachweislich besonders zur sorptionsaktiven inneren Oberfläche bei. Die Kombination bildgebender Verfahren mit Physisorptionsmessungen ermöglichte eine skalenübergreifende Charakterisierung. Da die Klüftigkeit bzw. das spröde Bruchverhalten von Gesteinen vor allem für den Transport im Kontinuummaßstab essentiell ist, wurden phasenspezifische, mikromechanische Eigenschaften an organischen Bestandteilen (= Mazerale) in Kohlen und auch an Mineralphasen in den Tonsteinen bestimmt. Hierbei konnten unter anderem mazeralspezifische Eigenschaften mit Ablagerungsbedingungen korreliert und weiters gezeigt werden, dass aufgrund der unterschiedlichen mikromechanischen Eigenschaften von detritären und authigenen Mineralphasen diagenetische Veränderungen auch für die mechanische Integrität von Gesteinen von größter Wichtigkeit sind. Im Zuge dieses Projektes wurde die Kombination von hochauflösender Bildgebung und Bildbearbeitungstechniken methodisch weiterentwickelt und die Implementierung mikromechanischer Tests auf geologische Proben erfolgreich vorangetrieben. Die Kombination fortgeschrittener, geochemischer Untersuchungen mit einer auf Bildanalytik und Sorptionsmessungen basierenden Porenraumcharakterisierung ist neuartig und soll in kommenden Forschungsprojekten ausgebaut und etabliert werden.