Schnelle Erdölbildung durch hydrothermale Prozesse – Naturnahe Modellierung der Hydro-Pyrolyse und Beispiele aus der Lagerstättenkunde

Erdölmuttergesteine sind in der Regel feinkörnige, schieferartige Gesteine mit organischer Substanz (kerogenhaltige Tonschluffsteine). Die organische Substanz (Kerogen) kann bei Temperaturzunahme in Bitumen zersetzt werden, d.h. in feste (z.B. Asphalt), flüssige (Erdöl) und gasförmige (Erdgas) Komponenten. Bleibt die Temperaturzunahme bzw. eine erhöhte Temperatur ausreichend lange erhalten, wird sich soviel Bitumen bilden, bis die Poren in dem Erdölmuttergestein gefüllt sind und z.B. flüssiges Erdöl ausgetrieben wird. Bedingt durch seine geringere spezifische Dichte steigt das freigesetzte Erdöl in den Gesteinen auf, tritt unter Umständen oberflächlich aus bzw. sammelt sich unter Gesteinsschichten, die eine geringe Durchlässigkeit gegenüber Erdöl besitzen (Erdölfallen). So können sich Erdöllagerstätten bilden. Bei der Bildung von Sedimentbecken und darin liegenden Erdölvorkommen gehen Geowissenschaftler von langwierigen, bis zu Millionen Jahre währenden Prozessen aus. Dagegen zeigen Hydro-Pyrolyse-Laborexperimente an Erdölmuttergesteinen aus Sedimentbecken, daß bei entsprechend hohen Temperaturen oder geeigneten katalytischen Bedingungen sehr schnell Erdöl gebildet und ausgetrieben werden kann. Extrapoliert man die Ergebnisse vom Maßstab eines Labors in die Dimension eines Sedimentbeckens, könnte eine Erdölbildung auch in wenigen Jahren in einem ähnlichen Umfeld möglich sein. Während im Umfeld eines Labors die Hydro-Pyrolyse verwendet wird, bezeichnet man ein ähnliches Umfeld in der Natur „hydrothermales“ Umfeld. Bruce, Middleton, Holyland, Loewenthal und Bruner betrachten in ihrer Arbeit „Modelling of petroleum formation associated with heat transfer due to hydrodynamic processes“ eine schnelle Bildung von Erdöl unter hydrothermalen Bedingungen. Anlaß war die Beobachtung, daß zusammen mit Erdölmuttergesteinen und Erdöllagerstätten oftmals auch Blei-Zink-Lagerstätten in Sedimentbecken vorkommen. Diese Blei-Zink-Lagerstätten wurden unter hydrothermalen Bedingungen gebildet. D.h. daß in dem Sedimentbecken sehr wahrscheinlich hydrothermale Bedingungen gegeben waren, die mit den Bedingungen bei Hydro-Pyrolyse-Experimenten vergleichbar sind. Die Erdölmuttergesteine müßten also ebenso von hydrothermalen Prozessen beeinflußt worden sein, was zu einer signifikanten Temperaturerhöhung geführt hätte. Wäre dabei die zur Hydro-Pyrolyse benötigte Wärme nicht durch eine allmähliche, konduktive Wärmeleitung, sondern durch eine sich schnell ausbreitende Konvektion heißer Fluide übertragen worden, müßte von einer höheren Bitumenbildungsrate als gemeinhin angenommen ausgegangen werden. Und schließlich könnte es zur Freisetzung von Erdöl in geologisch kurzer Zeit gekommen sein (bereits nach einem Zeitraum von ca. 1000 Jahren). Bruce et al. stellen fest, daß häufig Gesteinsdurchlässigkeiten für Modellierungen verwendet werden, die um 3 bis 6 Größenordnungen unter dem Mittelwert der Erdkruste liegen, womit auch die Ergebnisse um die selbe Größenordnung zu niedrig sind und deshalb die Wahrscheinlichkeit einer Konvektion häufig nicht berücksichtigt wird. Die Modellierung von Bruce et al. berücksichtigt diese Punkte. Es basiert auf einem geologischen Modell, in dem eine durchlässige Schicht, die tief in einem Sedimentbecken liegt, ein schnelles Durchströmen heißer Fluide ermöglicht. Von der heißen und durchlässigen Schicht wird ein aufsteigender, konvektiver Wärmefluß (sog. Advektion) in auflagernden Erdölmuttergesteinen ausgelöst, der in Abhängigkeit von der advektiven Strömungsgeschwindigkeit eine Temperaturerhöhung im Muttergestein bewirkt. Diese Temperaturerhöhung wird in Beziehung zu Hydro-Pyrolyse-Laborexperimenten gesetzt, um daraus eine mögliche Bitumenbildungsrate und Erdölfreisetzung abzuleiten. Um eine naturnahe Modellierung durchführen zu können verwenden die Autoren Werte, die in der Natur (z.B. Bohrlöcher) oder an Gesteinsproben (im Labor) ermittelt wurden.Die Arbeit von Bruce et al. wurde in einem Fachjournal für Lagerstättenkundler publiziert, womit neben der inhaltlichen auch die ökonomische Bedeutung der Erkenntnisse gewürdigt wird.

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