Petrographische Untersuchungsmethoden von Braunkohle

Petrographische Untersuchungsmethoden von
Braunkohle
Juliane Dietrich
Technische Universität Bergakademie Freiberg, 09599 Freiberg
Abstract. Die Petrographie ist die Lehre vom Aufbau und der Zusammensetzung
von Gesteinen. Sie beschreibt die Eigenschaften des Gesteins, mit deren Hilfe man
Aussagen zur Nutzung der Gesteine treffen kann.
Man unterscheidet zwischen Makro- und Mikropetrographie.
Mit der Makropetrographie werden Eigenschaften beschrieben, die mit dem bloßen Auge zu erkennen sind, wie z.B. Farbe oder Festigkeit. Die Mikropetrographie hingegen findet vor allem im Labor mit Hilfe eines Auflichtmikroskops statt.
Da Braunkohle vor allem aus noch nicht vollständig umgewandelten Pflanzenresten besteht, spricht man auch oft von organischer Petrographie.
Der Fakt, dass Braunkohle aus noch sehr vielen nicht vollständig umgewandelten
Pflanzenteilen besteht, macht die Petrographie der Braunkohlen allerdings um einiges schwieriger als die der Steinkohlen, da die Braunkohle ein wesentlich differenzierteres und somit schwerer zu deutendes Mikrobild aufweist.
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Was ist Braunkohle und woraus besteht sie?
Abb. 1. Schema zur Kohlenbildung (Vorlesungsskript Prof. Volkmann)
Die Hauptentstehungszeit von Braunkohle ist das Tertiär.
Braunkohle ist ein brennbares Sedimentgestein, welches aus verschiedenen Pflanzenresten aufgebaut ist.
Die erste wichtigste Voraussetzung zur Bildung von Braunkohle ist das Vorhandensein eines Moores. Die auf diesem Moor gewachsenen Gräser, Sträucher und
Bäume werden nach ihrem Absterben oberflächennah im Moor abgelagert. Danach werden die Pflanzenteile mit Hilfe von Sauerstoff, Pilzen, aeroben Bakterien
und chemischen Inhaltsstoffen im Grundwasser zersetzt, das heißt, der Holzstoff
Lignin und die Zellulose werden abgebaut und es bilden sich Huminsäuren. Durch
das immer weitere Aufwachsen von Pflanzengenerationen gelangen die zersetzten
Pflanzenteile bald in einen sauerstofffreien Bereich. Aus den abgestorbenen Pflanzen ist so Torf entstanden.
Durch die ständige Überlagerung von immer neuabsterbender Pflanzensubstanz
bei gleichzeitiger Durchtränkung mit Grundwasser können dabei mächtige Torfpakete entstehen. Die untersten Ablagerungen werden somit einem sehr starken
Druck ausgeliefert und in Folge dessen verfestigt. Daraus resultiert die Tatsache,
dass allmählich immer mehr gebundenes Wasser aus dem Torf heraus gepresst
wird, die Porenräume des Torfes verringern sich und die Torfsubstanz verdichtet
sich. Somit wandelt sich die Torfsubstanz Schritt für Schritt in Braunkohle um.
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Die Makropetrographie
Mit Hilfe der Makropetrographie werden all jene Eigenschaften der Braunkohle
beschrieben, die mit dem bloßen Auge zu erkennen sind. Oftmals werden diese
Untersuchungen bereits am grubenfeuchten Flözanschnitt durchgeführt, da sich
nach der Trocknung der Kohle Eigenschaften wie die Farbe oder die Festigkeit
verändert haben können.
Einen Ablaufplan zur makroskopischen Ansprache der Braunkohlen gibt Abbildung 2 wieder.
Abb. 2. Schema Makroskopische Ansprache von Braunkohlen
(Vorlesungsskript Prof. Volkmann)
Dichte und Festigkeit
Die Dichte nimmt mit steigendem Inkohlungsgrad zu.
Während Torf noch mit einer Dichte von 640 kg/m3 sehr leicht und einfach zu
zerbröseln ist, steigt die Dichte der Braunkohle bereits auf 900 – 1000 kg/m3 an.
Sie ist daher schon kompakter, fester und schwerer als Torf. Die Braunkohle lässt
sich aber mit den Händen auch noch zerbrechen. Vor allem an Schichtgrenzen
oder an Grenzen Holz – Grundmasse fällt das Zerbrechen recht einfach.
Farbe
Braunkohlen kommen in den verschiedensten Brauntonstufen vor. Je dunkler die
Kohle erscheint, desto höher ist ihr Inkohlungsgrad.
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Aber es gibt weitere Gründe für die Farbunterschiede. Dunkle Kohlen beinhalten
zum Beispiel wenig Bitumen (Kohlenwasserstoffgemisch) während helle Kohlen
oftmals sehr bitumenreich vorkommen. Schon mit dieser Erkenntnis kann man
erste Aussagen über die Verwendbarkeit der Kohlen machen, da die bitumenreichen Kohlen vor allem zur Teergewinnung genutzt werden.
Einlagerungen
Oft sind in den Kohleflözen anorganische Einlagerungen wie Pyrit, Sand, Kalkspat oder Tonstein eingebettet.
Ein besonderes Merkmal von Braunkohlen sind die eingelagerten Xylite. Dabei
handelt es sich um fossile Hölzer. Man kann sie als teilweise noch unveränderte
Holzstücke wie auch als komplett veränderte Gehölze finden. Je nach Form und
Erhaltungsgrad sind Xylite positiv für die Brikettierfestigkeit. Lediglich der vergelte Xylit ist brikettierungünstig.
Aber auch Reste der einst auf dem Moor gewachsenen Bäume oder Sträucher sowie Fusit, Samen, Früchte oder Zapfen und schwarzglänzende Humusgele lassen
sich in verschiedenen Größen und Formen in den Kohleflözen wiederfinden.
Für die makroskopische Beschreibung der Braunkohlen ist vor allem das Verhältnis von Grundmasse und Einlagerungen sowie die Art der Einlagerungen von Bedeutung für die weiteren Kohlenveredlungsprozesse.
Schichtung
Weil Braunkohle aus vielen pflanzlichen Geweberesten aufgebaut ist, kann es zu
einer Schichtung der Kohle kommen. Diese entsteht, wenn die stark korrodierten,
aber noch erkennbaren Pflanzenreste alle in eine bevorzugte Lage eingeregelt
worden sind. Ungeschichtete Kohlen hingegen entstehen, wenn das Pflanzenmaterial unregelmäßig abgelagert wurde und durch mechanische Einwirkungen zerstört
wurde. Dadurch ging die Sedimentschichtung verloren.
Faziesanalyse
Als Fazies einer Braunkohle bezeichnet der Kohlengeologe einen bestimmten Typ
des Moores. Unterschieden werden fünf verschiedene Faziesbereiche, welche entscheidend für die spätere Nutzung der Braunkohle sind. Anhand der Kenntnis,
welche Fazies vorliegt, kann bestimmt werden, ob aus der Kohle einmal Koks,
Briketts oder Kesselkohle hergestellt wird (siehe dazu Abb. 3).
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Abb. 3. Faziesbereiche und Verwendungszweck von Braunkohlen (Vorlesungsskript Prof. Volkmann)
Makrolithotypen
Die bisherigen Ausführungen bezogen sich vor allem auf Proben aus den Kohlenflözen. Nun sollen allerdings einmal die Kohlenflöze im Ganzen betrachtet werden. Ein Kohlenflöz besteht aus mehreren makroskopisch erkennbaren Kohlelagen, die als Lithotypen bezeichnet werden. Die Mächtigkeit der
Braunkohlenlithotypen liegt im Dezimeter- bis Zentimeterbereich.
Abbildung 4 zeigt die Einteilung der Braunkohlen nach ihrer Farbe und nach ihrem Aufbau beziehungsweise der vorhandenen Schichtung. Als Lithotypen werden definierte Eigenschaften der Grundmasse bezeichnet.
Weiterhin werden außerdem noch Unterteilungen in Varietäten der einzelnen Lithotypen unternommen. Varietät heißt, dass es noch einmal eine bestimmte Spezialisierung des Lithotyps gibt. Xylitführend bedeutet, dass man makroskopisch
noch Zweige-, Äste- und Wurzelreste erkennen kann. Gewebeführend hingegen
werden Kohlen bezeichnet, die makroskopische Pflanzenteile beinhalten, welche
aber keine Holzstruktur besitzen (Nadel- und Blattreste). Mit vergelt bezeichnet
der Kohlengeologe eine Kohle, die deutlich mit Gelen durchtränkt ist.
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Abb. 4. Makropetrographische Klassifikation von Weichbraunkohlen, aus Braunkohlenbrikettierung S. 60
Durch die unterschiedlichen Anteile der einzelnen Lithotypen am Flözaufbau und
den damit vorherrschenden Eigenschaften wird die Nutzung jedes Flözes bestimmt. Zum Beispiel kann man sagen, dass unvergelte sgK und ugK gute Brikettierkohlen darstellen.
Die Mikropetrographie
Das Mikrobild der Braunkohle kann sehr vielseitig und kompliziert sein, da es aus
einer Vielzahl kleinster, inhomogener Bestandteile aufgebaut ist. Diese Bestandteile nennt man Macerale. Sie sind die kleinsten im Lichtmikroskop erkennbaren
Einheiten der Kohlen und sind somit vergleichbar mit den Mineralen der Gesteine.
Die Macerale können zu drei großen Gruppen zusammengefasst werden, welche
sich in ihren chemischen und petrographischen Eigenschaften unterscheiden.
Die bedeutendste Gruppe sind die Huminite, da sie anteilsmäßig die eigentlichen
Kohlebildner darstellen. Huminite bilden sich, wenn die Pflanzenbestandteile, die
aus Zellulose und Lignin aufgebaut sind, sofort nach dem Tod der Pflanze oder
nach dem Abwerfen der Pflanzenteile unter Wasserbedeckung gelangen. Geschieht dies nicht und die Pflanzenteile sind zeitweise der Verwitterung und der
teilweisen subaerischen Zersetzung ausgesetzt, bilden sich Inertinite - eine weitere
Maceralgruppe der Braunkohle. Die dritte Maceralgruppe wird von allen Pflanzenbestandteilen gebildet, die gegenüber Luftsauerstoff resistent sind. Diese, vor
allem Harze und Wachse, werden als Liptinite bezeichnet.
Tabelle 1 zeigt noch einmal zusammengefasst die Macerale mit den dazu gehörigen Maceralgruppen von Braunkohle und deren Herkunft.
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Maceral- Gruppe
Maceral
Genetische Zuordnung
Sporinit
inkohlte Produkte von Sporen,
Cutinit
Pollen, Algen, Harze,
Restinit
Kutikulen, ätherische Öle
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Suberinit
Liptinit
Alginit
Liptodetrinit
Chlorophyllinit
Bituminit
Fluorinit
Huminit
Inertinit
Textinit (unvergelt)
humose pflanzliche Gewebe
Ulminit (vergelt)
mit erkennbaren Zellstrukturen
Attrinit (unvergelt)
feiner humoser Detritus,
Densinit (vergelt)
Gewebefragmente
Gelit
strukturlose Humusgele, Humate
Corpohuminit
oxidierte Gerbstoffkomponenten
Fusinit
frühe thermische bzw. mikrobielle
Semifusinit
Inkohlungsprodukte humoser und
Macrinit
bituminöser Ausgangssubstanzen,
Sclerotinit
Pilzsporen
Inertodetrinit
Tab.1. Die Macerale der Braunkohle, aus „Einführung in die Auflichtmikroskopie“ S. 287
Maceralanalyse
Für die Maceralanalyse der Braunkohle stellt man aus den gesammelten Kohleproben zunächst Stückschliffe oder Körnerschliffe her. Diese polierten Anschliffe
werden dann mit Hilfe eines Auflichtmikroskops untersucht. Ölimmersions- Objektive verstärken dabei die Kontraste.
Gleichzeitig mit der Ölimmersionsmikroskopie kann die Lumineszenzmikroskopie
durchgeführt werden. Hintergrund dieser Methode ist die Bestrahlung der Probe
mit ultraviolettem Licht. Trifft das UV- Licht die Macerale beginnen diese in einem charakteristischen Eigenlicht aufzuleuchten und sind damit exakt bestimmbar.
Zu unterscheiden sind die Macerale aber vor allem auf Grund ihrer verschieden
Reflexionsvermögen, welches ausschlaggebend für die Helligkeit des Macerals im
Auflicht- Hellfeld ist. Aber auch die Gestalt, der Vergelungsgrad und der Grad der
Destruktion können bei der Identifikation der Macerale von Bedeutung sein.
Liptinit erscheint unter dem Auflichtmikroskop sehr dunkel. Er besitzt das geringste Reflexionsvermögen. Sie sind vor allem durch ihre intensive Fluoreszenz eindeutig zu charakterisieren.
Abb. 5. Liptinit, aus Einführung in die Sedimentpetrologie S. 212
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Abb. 6. Huminit, aus Sedimente und Sedimentgesteine S.693
Der Huminit kann auf Grund seiner relativ dichten Masse das auffallende Licht
besser reflektieren als die Liptinite. Er erscheint deshalb in einem hellen Grauton
(in der Abbildung mit „G“ bezeichnet).
Mit steigenden Vergelungsgrad nimmt
die Reflektanz (Helligkeitszunahme) der
Huminitmacerale zu und die Lumineszenz nimmt weiter ab. Außerdem können
stark begrenzte Schrumpfrisse auftreten.
Inertinite erscheinen unter dem Mikroskop als die hellsten Bestandteile der
Braunkohle. Auf Grund ihrer hohen
Dichte besitzen sie das höchste Reflexionsvermögen.
Im Gegensatz dazu fluoreszieren Inertinite nur schwach oder gar nicht.
Abb. 7. Inertinit, aus Einführung in die Sedimentpetrologie S. 212
Die Untersuchungen werden mittels Point- Counter- Analyse durchgeführt. Dazu
wird eine maximal 500fache Gesamtvergrößerung eingestellt und die im Fadenkreuz befindlichen Macerale werden gezählt. Es müssen mindestens 500 Punkte
ausgezählt werden.
Die Ergebnisse der Maceralanalyse bilden die Grundlage für weitere Untersuchungsverfahren im Hinblick auf die Brikettierfähigkeit der Kohle.
Mikrolithotypen – die quantitative mikropetrographische Analyse
Mikrolithotypen (MLT) sind Vergesellschaftungen der Macerale. Sie sind nur unter dem Mikroskop erkennbar und haben eine Mindestgröße von 50µm. Man unterscheidet zwischen mono-, bi- und trimacere MLT je nachdem, wie viele Maceralgruppen miteinander vergesellschaftet sind.
Die Untersuchung der Mikrolithotypen ist unter der Bezeichnung quantitative
mikropetrographische Analyse (QMA) aus der Braunkohlenpetrographie nicht
mehr wegzudenken.
Verwendet werden probenrepräsentative Körneranschliffe. Die Analyse selbst
wird mit dem Point- Counter- System und einem automatischen Gleittisch bei einer 250- bis 400fachen Gesamtvergrößerung unter Anwendung von Ölimmersion
im Auflicht durchgeführt. Um repräsentative Aussagen treffen zu können ist eine
Mindesterfassung von 1000 Punkten notwendig und eine Doppelanalyse empfehlenswert.
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Mit der QMA können die Brikettier- und Verkokungseigenschaften der Braunkohle exakt bestimmt werden.
Wie auch die Macerale werden die Mikrolithotypen in 3 Gruppen eingeteilt: die
huminitische Gruppe, die aus Textit, Detrit und Gelit besteht, die Liptit- und die
Inertit- Gruppe.
Als Textit bezeichnet man die
MLT, die aus gut erhaltenen Pflanzengeweben aufgebaut sind. Die
weniger vergelten Eu- und MedioTextite besitzen ein gutes Brikettiervermögen, sind aber schwierig
aufzubereiten.
Abb. 8. Textit, aus Kohle- ein Kapitel aus dem Tagebuch der Erde, S. 62
Detrit ist der MLT, der in nichtvergelter oder nur schwach vergelter
Form die besten Brikettiereigenschaften besitzt.
Detrit ist der Detritus (zerfallende,
sich zersetzende organische Substanz) der Kohle.
Abb. 9. Detrit, aus Kohle- ein Kapitel aus dem Tagebuch der Erde, S. 62
Gelite sind homogenisierte, vergelte Bestandteile der Kohle.
Sie besitzen die veredlungsungünstigsten Eigenschaften, da sich der
Gelit nicht in den Brikettkornverband einfügt und durch Bildung
von Schrumpfrissen einen schnellen Zerfall des Briketts verursacht.
Abb. 10. Gelit, aus Kohle- ein Kapitel aus dem Tagebuch der Erde, S. 62
Allgemein kann man sagen, dass mit steigender Vergelung die Kohlequalität sinkt.
Vergelung bedeutet, dass sich in der Grundmasse, sowie in vereinzelt gebildeten
Klüften und Hohlräumen der Braunkohle Humusgele angesammelt haben und die
Kohle durchtränkt haben.
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Als die Mikrolithotypen Inertit und Liptit werden die Vergesellschaftungen der
jeweiligen Macerale bezeichnet. Also Inertinit ist das Maceral und Inertit der Mikrolithotyp (zum Beispiel: Fusinit – Fusit).
Warum gibt es Unterschiede in der Petrographie von
Braunkohlen?
Der Hauptgrund für die unterschiedliche Zusammensetzung der Braunkohle ist
vor allem in der unterschiedlichen Entstehung der Kohlen zu suchen.
Zum einen ist das Ausgangsmaterial nicht immer das Gleiche. Das heißt, nicht auf
jedem Moor wachsen die gleichen Pflanzengemeinschaften und dadurch werden
natürlich auch nicht immer haargenau die gleichen Torfschichten gebildet. Durch
diese unterschiedlichen Torfschichten entstehen dann in Folge der biochemischen
Phase der Inkohlung noch unterschiedlichere Kohleschichten.
Weiterhin sind die unterschiedlichen Vertorfungsbedingungen ein wesentlicher
Grund für die unterschiedliche Petrographie der Braunkohlen. Solche Bedingungen sind vor allem das Klima, der Grundwasserstand und das Säuren- und Basenangebot während der Moor-, Torf- und Braunkohlenentwicklung.
References
- Prof. Norbert VOLKMANN, Vorlesungsskript „Einführung in die Lagerstättenlehre –
Kohle, Erdöl, Erdgas“ , Sommersemester 2008,
- Hans FÜCHTBAUER, Sedimente und Sedimentgesteine. 4., gänzlich neubearbeitete Auflage, Stuttgart 1988
- Ludwig BAUMANN, Otto LEEDER: Einführung in die Auflichtmikroskopie.1. Auflage,
Leipzig 1991
- Maurice E. TUCKER, Einführung in die Sedimentpetrologie. 1. Auflage, Stuttgart 1985
- PÄTZ/RASCHER/SEIFERT, Kohle- ein Kapitel aus dem Tagebuch der Erde. 1. Auflage,
Leipzig 1986
- Hans Joachim CHRISTOPH, Kohlenpetrographisches Praktikum. 1. Auflage, Freiberg
1960
- KRUG/NAUNDORF et al., Braunkohlenbrikettierung- Grundlagen und Verfahrenstechnik. 1. Auflage, Leipzig 1984
- Dichte: http://home.eduhi.at/member/ams/PCDichte.htm
http://www.reedag.ch/index.html?Schwimmerschalter/Glossar%20Dichte%20Sch
wimmerschalter.htm