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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 blo- ßen Auge zu erkennen sind, wie z.B. Farbe oder Festigkeit. Die Mikropetrogra- phie hingegen findet vor allem im Labor mit Hilfe eines Auflichtmikroskops statt. Da Braunkohle vor allem aus noch nicht vollständig umgewandelten Pflanzenres- ten 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 ei- niges schwieriger als die der Steinkohlen, da die Braunkohle ein wesentlich diffe- renzierteres und somit schwerer zu deutendes Mikrobild aufweist.

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Page 1: Petrographische Untersuchungsmethoden von Braunkohle · Petrographische Untersuchungsmethoden von Braunkohle Juliane Dietrich Technische Universität Bergakademie Freiberg, 09599

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 blo-

ßen Auge zu erkennen sind, wie z.B. Farbe oder Festigkeit. Die Mikropetrogra-

phie hingegen findet vor allem im Labor mit Hilfe eines Auflichtmikroskops statt.

Da Braunkohle vor allem aus noch nicht vollständig umgewandelten Pflanzenres-

ten 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 ei-

niges schwieriger als die der Steinkohlen, da die Braunkohle ein wesentlich diffe-

renzierteres und somit schwerer zu deutendes Mikrobild aufweist.

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2 Juliane Dietrich

Was ist Braunkohle und woraus besteht sie?

Die Hauptentstehungszeit von Braunkohle ist das Tertiär. Braunkohle ist ein brennbares Sedimentgestein, welches aus verschiedenen Pflan-zenresten aufgebaut ist. Die erste wichtigste Voraussetzung zur Bildung von Braunkohle ist das Vorhan-densein eines Moores. Die auf diesem Moor gewachsenen Gräser, Sträucher und Bäume werden nach ihrem Absterben oberflächennah im Moor abgelagert. Da-nach 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 Pflan-zen ist so Torf entstanden. Durch die ständige Überlagerung von immer neuabsterbender Pflanzensubstanz bei gleichzeitiger Durchtränkung mit Grundwasser können dabei mächtige Torf-pakete 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.

Abb. 1. Schema zur Kohlenbildung (Vor-lesungsskript Prof. Volkmann)

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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 Abbil-dung 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 bitumenrei-chen Kohlen vor allem zur Teergewinnung genutzt werden.

Einlagerungen

Oft sind in den Kohleflözen anorganische Einlagerungen wie Pyrit, Sand, Kalk-spat 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 ver-gelte Xylit ist brikettierungünstig. Aber auch Reste der einst auf dem Moor gewachsenen Bäume oder Sträucher so-wie 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 Verhält-nis von Grundmasse und Einlagerungen sowie die Art der Einlagerungen von Be-deutung 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 Pflanzenmate-rial 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 ent-scheidend 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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Makrolithotypen

Die bisherigen Ausführungen bezogen sich vor allem auf Proben aus den Kohlen-flözen. Nun sollen allerdings einmal die Kohlenflöze im Ganzen betrachtet wer-den. Ein Kohlenflöz besteht aus mehreren makroskopisch erkennbaren Kohlela-gen, 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 ih-rem Aufbau beziehungsweise der vorhandenen Schichtung. Als Lithotypen wer-den definierte Eigenschaften der Grundmasse bezeichnet. Weiterhin werden außerdem noch Unterteilungen in Varietäten der einzelnen Li-thotypen unternommen. Varietät heißt, dass es noch einmal eine bestimmte Spe-zialisierung 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.

Abb. 3. Faziesbereiche und Verwen-dungszweck von Braunkohlen (Vor-lesungsskript Prof. Volkmann)

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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 be-stimmt. Zum Beispiel kann man sagen, dass unvergelte sgK und ugK gute Briket-tierkohlen darstellen.

Die Mikropetrographie

Das Mikrobild der Braunkohle kann sehr vielseitig und kompliziert sein, da es aus einer Vielzahl kleinster, inhomogener Bestandteile aufgebaut ist. Diese Bestand-teile 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. Ge-schieht 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 Pflan-zenbestandteilen 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 gehöri-gen 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

Suberinit

Liptinit Alginit

Liptodetrinit

Chlorophyllinit

Bituminit

Fluorinit

Textinit (unvergelt) humose pflanzliche Gewebe

Ulminit (vergelt) mit erkennbaren Zellstrukturen

Huminit Attrinit (unvergelt) feiner humoser Detritus,

Densinit (vergelt) Gewebefragmente

Gelit strukturlose Humusgele, Humate

Corpohuminit oxidierte Gerbstoffkomponenten

Fusinit frühe thermische bzw. mikrobielle

Semifusinit Inkohlungsprodukte humoser und

Inertinit Macrinit bituminöser Ausgangssubstanzen,

Sclerotinit Pilzsporen

Inertodetrinit

Maceralanalyse

Für die Maceralanalyse der Braunkohle stellt man aus den gesammelten Kohle-proben zunächst Stückschliffe oder Körnerschliffe her. Diese polierten Anschliffe werden dann mit Hilfe eines Auflichtmikroskops untersucht. Ölimmersions- Ob-jektive 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 ei-nem charakteristischen Eigenlicht aufzuleuchten und sind damit exakt bestimm-bar. 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 Auflichtmik-roskop sehr dunkel. Er besitzt das gering-ste Reflexionsvermögen. Sie sind vor al-lem durch ihre intensive Fluoreszenz ein-deutig zu charakterisieren.

Tab.1. Die Macerale der Braunkohle, aus „Einführung in die Auflich-tmikroskopie“ S. 287

Abb. 5. Liptinit, aus Einführung in die Sedi-mentpetrologie S. 212

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Der Huminit kann auf Grund seiner rela-tiv dichten Masse das auffallende Licht besser reflektieren als die Liptinite. Er er-scheint deshalb in einem hellen Grauton (in der Abbildung mit „G“ bezeichnet). Mit steigenden Vergelungsgrad nimmt die Reflektanz (Helligkeitszunahme) der Huminitmacerale zu und die Lumines-zenz nimmt weiter ab. Außerdem können stark begrenzte Schrumpfrisse auftreten. Inertinite erscheinen unter dem Mikros-kop als die hellsten Bestandteile der Braunkohle. Auf Grund ihrer hohen Dichte besitzen sie das höchste Reflexi-onsvermögen. Im Gegensatz dazu fluoreszieren Inertini-te nur schwach oder gar nicht.

Die Untersuchungen werden mittels Point- Counter- Analyse durchgeführt. Dazu wird eine maximal 500fache Gesamtvergrößerung eingestellt und die im Faden-kreuz befindlichen Macerale werden gezählt. Es müssen mindestens 500 Punkte ausgezählt werden. Die Ergebnisse der Maceralanalyse bilden die Grundlage für weitere Untersu-chungsverfahren im Hinblick auf die Brikettierfähigkeit der Kohle.

Mikrolithotypen – die quantitative mikropetrographische Analyse

Mikrolithotypen (MLT) sind Vergesellschaftungen der Macerale. Sie sind nur un-ter dem Mikroskop erkennbar und haben eine Mindestgröße von 50µm. Man un-terscheidet zwischen mono-, bi- und trimacere MLT je nachdem, wie viele Mace-ralgruppen 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 ei-ner 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 empfeh-lenswert.

Abb. 6. Huminit, aus Sedimente und Sedi-mentgesteine S.693

Abb. 7. Inertinit, aus Einführung in die Se-dimentpetrologie S. 212

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Mit der QMA können die Brikettier- und Verkokungseigenschaften der Braunkoh-le 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 Pflan-zengeweben aufgebaut sind. Die weniger vergelten Eu- und Medio- Textite besitzen ein gutes Briket-tiervermögen, sind aber schwierig aufzubereiten.

Detrit ist der MLT, der in nichtver-gelter oder nur schwach vergelter Form die besten Brikettiereigen-schaften besitzt. Detrit ist der Detritus (zerfallende, sich zersetzende organische Subs-tanz) der Kohle.

Gelite sind homogenisierte, vergel-te Bestandteile der Kohle. Sie besitzen die veredlungsungüns-tigsten Eigenschaften, da sich der Gelit nicht in den Brikettkornver-band einfügt und durch Bildung von Schrumpfrissen einen schnel-len Zerfall des Briketts verursacht.

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.

Abb. 8. Textit, aus Kohle- ein Kapitel aus dem Ta-gebuch der Erde, S. 62

Abb. 9. Detrit, aus Kohle- ein Kapitel aus dem Ta-gebuch der Erde, S. 62

Abb. 10. Gelit, aus Kohle- ein Kapitel aus dem Ta-gebuch der Erde, S. 62

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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 Mik-rolithotyp (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 Bedingun-gen sind vor allem das Klima, der Grundwasserstand und das Säuren- und Base-nangebot 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 Auf-lage, 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 Verfahrenstech-

nik. 1. Auflage, Leipzig 1984 - Dichte: http://home.eduhi.at/member/ams/PCDichte.htm

http://www.reedag.ch/index.html?Schwimmerschalter/Glossar%20Dichte%20Schwimmerschalter.htm