Verlag des Forschungszentrums Jülich
JUEL-3792
Thielemann, Thomas
Der Methanhaushalt über kohleführenden Sedimentbecken: Das Ruhrbecken und die Niederrheinische Bucht
350 S., 2000
Ziel der vorliegenden Dissertation war eine umfassende Betrachtung des Methanhaushaltes über kohleführenden Sedimentbecken, vorgenommen für das Ruhrbecken und die Niederrheinische Bucht. Hierzu wurden die Mengen des organischen Ausgangsmaterials bilanziert, die Methanbildung und die Methanmigration untersucht und in 860 Einschlußkammerversuchen der rezente Methanaustausch gemessen. Die Bestimmung der stabilen Kohlenstoffisotopie erlaubte, die Herkunft des Methans zu klären. Es entstand eine Rekonstruktion der fossilen und rezenten Flözgasgeschichte, aus der sich die vergangene und heutige Beeinflussung des Klimas ableiten läßt.
Die thermogene Methanbildung erfolgte im Ruhrbecken vor allem in dem organischen Material des flözführen-den Ober-karbons, welches 1.800 Mrd. Tonnen (Gt) heutigen organischen Kohlenstoffs entsprach. Innerhalb der Niederrheinischen Bucht waren es im Erkelenzer Revier 5,3 Gt, im Wurm-Revier 25,5 Gt und im Inde-Revier 3,5 Gt. Über nicht-isotherme Pyrolyseexperimente im offenen System an Kohleproben wurden reaktions-kinetische Daten der Methanbildung ermittelt. Aktivierungsenergien und Frequenzfaktoren steigen mit der Inkohlung an. In Kombination mit den Temperaturgeschichten des flözführenden Oberkarbons im Ruhrbecken und in der Niederrheinischen Bucht nach BÜKER et al. (1994), LITTKE et al. (1994a), BÜKER et al. (1995), BÜKER (1996) und KARG (1998) erlauben diese Daten, den Zeitraum der thermogenen Methanbildung auf die Wende Karbon/Perm einzugrenzen. Bis auf das Erkelenzer Revier, wo eine zweite, spätere Bildungsphase nicht auszuschließen ist. Vermutungen von LOMMERZHEIM (1988, 1991a, 1994), auch post-Karbon sei es zu einer umfangreichen Methanbildung gekommen (sog. "Nachinkohlung"), treffen nicht zu. Die Methanbildung im Ruhrbecken läßt sich auf durchschnittlich 16.000 m³ Methan pro m² Grundfläche bilanzieren. Unter Berücksichtigung fazieller Unterschiede im Ruhrbecken resultiert eine Methangesamtmenge von 100.000 bis 110.000 km³.
An eigenen Proben war eine Anreicherung des Isotops 13C im Zuge der Degradation und Inkohlung organischen Materials festzustellen. Die Isotopie des an der Erdoberfläche des Ruhrbeckens außerhalb von Hochmooren austretenden Methans variiert zwischen -32 ‰ und -43 ‰ (vs. PDB). Damit handelt es sich bei diesen Gas-austritten um thermogenes, kohlebürtiges Gas. Teufentrends in der Methanisotopie lassen sich durch Adsorptions-/Desorptionsprozesse erklären. Es war nachzuweisen, daß es nicht nur in Hochmooren, sondern auch innerhalb des Braunkohletagebaus Hambach zur Emission bakteriellen Methans kommt.
Mit dem in dieser Arbeit entwickelten Bilanzierungsansatz "Fossile Migration" sind erstmals Aussagen zum Ablauf der fossilen Flözgasmigration in Gasphase in einem kohleführenden Sedimentbecken möglich. Für das Ruhrbecken war nachzuweisen, daß große Teile der Flözgasmigration auf drei Zeitfenster fokussiert erfolgten, vor 304-298 Ma, vor 252-248 Ma und vor 100-90 Ma. Dazwischen lagen lange Migrationsruhephasen. Unterschiede in den rezenten Gasinhalten der Steinkohlenflöze des östlichen und westlichen Ruhrbeckens weisen auf geringfügige Abweichungen in der Versenkungsgeschichte hin. Ein Methantransport gelöst in Wasser ist in der Niederrheinischen Bucht vernachlässigbar, da die Grundwässer deutlich an Methan untersättigt sind. Dieses gilt auch für die Grundwässer im Ruhrbecken. Zur Methanübersättigung und Ausgasung kann es dort bei Druckentlastung in lokal aufsteigenden Thermalsolen oder in salzreichen Grubenwässern kommen.
Der Methanaustausch zwischen Litho- und Atmosphäre war in Konsum- und Emissionsprozesse zu gliedern. In aeroben Böden ist großflächig ein bakterieller Methankonsum zu messen, der sich als abhängig von der Methandiffusion, der Bodentemperatur und der Bodennutzung erwies. Die nicht versiegelten Flächen des Ruhrbeckens und der Niederrheinischen Bucht wurden in Methankonsumklassen eingeteilt, für die der Konsum einzeln bilanziert wurde. Daraus resultierte ein bakterieller Methankonsum von etwa 2727 t/a für das Ruhrbecken und von 2049 t/a für die Niederrheinische Bucht.
Thermogene Methanemissionen über die Geländeoberfläche fehlen in der Niederrheinischen Bucht. Im Ruhrbecken hingegen kommt es zu natürlichen und bergbauinduzierten Ausgasungen thermogenen Methans. Natürliche Emissionen treten rezent ausschließlich entlang von Störungen mit einer Flözgasakkumulation unter der Karbonoberfläche auf. Zu bergbauinduzierten Emissionen thermogenen Methans kommt es in der stillgelegten und aktiven Bergbauzone des östlichen Ruhrbeckens. Diese Ausgasungen haben keine Klimarelevanz und betragen 0,0007 % der nationalen, kohlegebundenen Methanemissionen. Hauptsächlich erfolgt die Methanfreisetzung über ausziehende Wetterschächte. Der deutsche Beitrag zu den internationalen, kohlebürtigen Methanemissionen beträgt nur 1,4 bis 2,5 % und hat sich von 1987 bis 1998 mit der Steinkohleförderung halbiert. Dies ist der Hauptgrund für den Rückgang der nationalen jährlichen Methanemissionen. Dieser nationale Trend steht im Widerspruch zu der zu erwartenden globalen Emissionsentwicklung. Im wesentlichen aufgrund sinkender Methanemissionen aus dem Bergbau wird der deutsche Anteil an den globalen Methanfreisetzungen von 0,9 % zukünftig weiter rückläufig sein.
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