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Was Kohle unter dem Mikroskop verrät

Was Kohle unter dem Mikroskop verrät.
Dr. Udo Maerz, vom 15.11.2012

Die mit dem Devon (ab 400 Mio. Jahre) verstärkt einsetzende Entwicklung der Pflanzenwelt führte zur Bildung von Kohlelagerstätten unter- schiedlichen geologischen Alters in fast allen Teilen der Welt. Eine besonders produktive Phase fand im Karbon (vor 358-298 Mio. Jahren) statt, dem diese Erdzeitalter auch seinen Namen zu verdanken hat.
Die Steinkohlenlagerstätten Deutschlands und in den angrenzenden Ländern entstanden im Oberkarbon, als die Sedimentfracht des sich bildenden variszischen Gebirges in das nördliche, sich langsam absenkende flache Vorland abgetragen wurde. Das Ganze fand in äquatorialen Bereichen statt, begünstigt durch feuchtwarmes Klima konnten sich ausgedehnte Sumpfwälder und Moore bilden mit Bärlappgewächsen und Schachtelhalmen und Farnen in Baumgröße. Versenkung und Sedimentnachlieferung führten zum Aufbau eines 4000 m mächtigen Sedimentpakets mit mehr als 100 Flözen.
Bereits während der Moor-und Sumpflandphase wird das abgestorbene Pflanzenmaterial durch chemische, biologische und bakterielle Prozesse umgewandelt, wobei die Zutrittsmöglichkeit von Sauerstoff eine große Rolle spielt (aerobe/anaerobe Bedingung durch Wasser/Grundwasser). Dabei werden je nach pflanzlichem Ausgangsmaterial die später in der Kohle erkennbaren unterschiedlichen Gefügebestandteile (Macerale) angelegt.
Sedimentüberdeckung führt durch Auspressen des Porenwassers und Verdichtung zur Verfestigung. Bei weiterer Absenkung führt in erster Linie die Temperaturzunahme zur Veränderung der organischen Substanz. Mit Übergang vom Braunkohlenstadium zur Steinkohle kommt es zur Abspaltung von öligen und nachfolgend auch von gasförmigen Reaktionsprodukten (sog. Kerogen, Methan, Kohlenmonoxid). Dieser Prozess führt zu einer relativen Anreicherung des Kohlenstoffs in der organischen Substanz.
Kohlentonstein aus dem Flöz Laura 3, eingelagert ist ein Pflanzenrest zu erkennen, der noch Zellstrukturen aufweist. Es handelt sich hier wohl um einen ziemlich gequetschten Spross, der annähernd quer getroffen ist. Aufnahme Horst Wörmann.
Die kohleführenden Schich- ten des Ruhrkarbons wurden durch zunächst durch gebirgsbildende Prozesse auf gefaltet (im Süden stärker als im Norden) und an- schließend durch Bruch- schollentektonik in Horst- und Grabenstrukturen zer- gliedert. Eine große Hilfe bei der markscheiderischen Flöz- parallelisierung sind neben den marin beeinflussten Schichten die Kohlenton- steine. Das sind wenige cm–mächtige Ablagerungen, die durch Veränderung vulkanischer Tuffablagerungen entstehen. Sie sind über weite Strecken zu verfolgen und individuell ausgeprägt.
Zeigen Steinkohlen im Handstück einen streifigen Aufbau spricht man von Streifenkohle oder Humuskohle. Die Streifenarten (Lithotypen) dienen der makroskopischen Klassifizierung und werden gemäß dem makroskopischen Erscheinungsbild beurteilt (Glanzkohle, Halbglanzkohle, Mattkohle, Faserkohle bzw. Vitrain, Clarain, Durain, Fusain).
Ist makroskopisch kein streifiger Aufbau zu erkennen, handelt es sich um Faulschlammkohlen (Sapropelkohlen), die sich unter ständiger Wasserbedeckung gebildet haben. Eine Unterscheidung nach Kännelkohlen (überwiegend Sporen in der Grundmasse) oder Bogheadkohlen (überwiegend Algen in der Grundmasse ) ist nur unter dem Mikroskop möglich.
Mikroskopische Aufnahmen von Kohle-Anschliffen im Auflicht
  • Bilder aus dem Vortrag von Dr. Udo Maerz; Beschriftung im Bild.
  • Bilder aus dem Vortrag von Dr. Udo Maerz; Beschriftung im Bild.
  • Bilder aus dem Vortrag von Dr. Udo Maerz; Beschriftung im Bild.
  • Bilder aus dem Vortrag von Dr. Udo Maerz; Beschriftung im Bild.
Das (Auflicht)-Mikroskop ist eines der wichtigsten Werkzeuge zur Untersuchung von Kohlen für geologisch/fazielle und technisch/wirtschaftliche Fragestellungen. In erster Linie ist hier die Bestimmung der Reflexion an Vitriniten (auch Inkohlungsgradbestimmung oder Kohlenartenanalyse genannt) hervorzuheben. Dabei wird die Eigenschaft des Kohlemacerals Collovitrinit mit seinem nahezu strukturlosen Erscheinungsbild genutzt, mit steigendem Kohlenstoffgehalt einen immer größer werdenden Anteil des senkrecht auftreffenden Lichts zu reflektieren.
Mindestens genauso wichtig ist die Maceralgruppenanalyse, bei der die einzelnen Gefügebestandteile im Punktzählverfahren statistisch erfasst und quantifiziert werden.
Für beide Verfahren ist die Kenntnis der Form und Eigenschaften der Macerale und ihrer Veränderung im Laufe der Inkohlung wichtig.
Die Ergebnisse aus Reflexionsmessungen und Maceralgruppenanalyse werden weltweit für die Optimierung der Einsatzkohlenmischung für die Kokserzeugung eingesetzt.
In der Geologie werden verschiedene, aus der Maceralgruppenanalyse abgeleitete Indices benutzt, um unterschiedliche Kohlenbildungsräume zu erfassen und zu unterscheiden (Paläogeographie).
Außer zur Untersuchung von Kohlen wird die Auflichtmikroskopie auch zur Beurteilung von Koksen und Verbrennungsrückständen eingesetzt.
Koks im mikroskopischen Bild
  • Bilder aus dem Vortrag von Dr. Udo Maerz; Beschriftung im Bild.
  • Bilder aus dem Vortrag von Dr. Udo Maerz; Beschriftung im Bild.
Kohleanschliffe in der Auflichtfluoreszenz
  • Kohle aus der Grube Fürst Leopold im Hellfeld. Aufnahme Horst Wörmann.
  • Ein vergrößerter Ausschnitt des gleichen Anschliffs in der Auflichtfluoreszenz bei einer Anregung mit einer Wellenlänge von 470 nm.  Aufnahme Horst Wörmann.
  • Eine weitere Aufnahme eines Kohleanschliffs in der Auflichtfluoreszenz.  Aufnahme Horst Wörmann.
Literatur
  • The new vitrinite classification (ICCP System 1994); International Committee for Coal and Organic Petrology (ICCP);  Fuel , 77, (1998), pp. 349-358
  • The new inertinite classification (ICCP System 1994); International Committee for Coal and Organic Petrology (ICCP);  Fuel,  80, (2001), pp.  459-471
  • Zur Petrographie und Genese von Naturkoksen im Flöz Präsident/Helene der Zeche Friedrich Heinrich bei Kamp-Lintfort  (Linker Niederrhein); Teichmüller, M.; Geol. Mitt.,  12, (1973),  S. 219-254
  • Die ersten Eruptivgänge und Naturkokse im Rheinisch-Westfälischen Steinkohlengebiet; Niemöller, B.; Markscheidewesen, 96,  (1989), S. 337-344
  • Zirkon- und Quarzvarietäten in Kaolin-Kohlentonsteinen der Bochumer Schichten (Westfal A) des Ruhrkarbons; Füchtbauer, H. und Riedel, D.; Glückauf-Forschungshefte, 40, (1979).S. 130-132
  • Ruhrkohlen Handbuch, 6. Auflage; Verlag Glückauf, Essen, (1984)
Web Links
http://www.iccop.org/uploads/media/The_new_inertinite_classification__
ICCP_System_1994_.pdf

The new inertinite classification (ICCP System 1994) in: Fuel  80 (2001) 459-471  (frei zugänglich)

http://www.iccop.org/uploads/media/The_new_inertinite_classification__
ICCP_System_1994_.pdf

The new inertinite classification (ICCP System 1994) in: Fuel  80 (2001) 459-471  (frei zugänglich)

http://www.intechopen.com/books/petrology-new-perspectives-and-applications/organic-petrology-an-overview
Suárez-Ruiz Isabel (2012). Organic Petrology: An Overview, petrology - New Perspectives and Applications; Prof. Ali Al-Juboury (Ed.), ISBN: 978-953-307-800-7

http://mccoy.lib.siu.edu/projects/crelling2/atlas
Petrographic atlas of coals, cokes chars,carbons and graphites
Bekannter online-Atlas mit vielen bekannter online Atlas mit vielen Bildern und Erklärungen

Und noch empfehlenswerter die Seite des USGS (US Geological Survey):

http://energy.usgs.gov/Coal/OrganicPetrology/PhotomicrographAtlas/
OPTICCoalMaceralClassification.aspx

Ansehenswert außerdem die Rubriken
ASTM Coal Maceral Classification und blue light/white light interactive comparisons 
die Fotos sind beschriftet und unter “view Metadata” gibt es die gemessene Vitrintreflexion.
Alle Aufnahmen, soweit nicht anders vermerkt, von Udo Maerz.

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Präparat von Jörg Weiß, Aufnahme von Joachim Schwanbeck.
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Achtung, großes Bild!
Eidechsenschwanz (Houttuynia cordata), Leitbündel. Aufnahme von Prof. Holger Adelmann, Präparat von Jörg Weiß.
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Metapelit, Dicke ca. 25 µm, Präparation durch Willi Tschudin, Aufnahme von Dr. Horst Wörmann.
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