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Lexikon der Geowissenschaften: Kerogen

Kerogen, Kerabitumen, in herkömmlichen organischen Lösungsmitteln und wässerigen alkalischen Lösungen unlöslicher Bestandteil der organischen Materie des Sedimentgesteins. Der Großteil der organischen Materie liegt weltweit in Form des Kerogens vor. Seine chemischen und physikalischen Eigenschaften sind stark von der Art der Komponenten, aus denen es gebildet wurde, und von diagenetischen Umwandlungen dieser Komponenten abhängig. Aufgrund unterschiedlicher Elementzusammensetzungen und dem Gehalt an Kohlenwasserstoffen wird das Kerogen in Kerogentypen eingeteilt. Durch unterschiedliche Elementverteilungen von Wasserstoff, Kohlenstoff und Sauerstoff wird das Kerogen in drei Typen unterteilt (Typ I bis Typ III). Graphisch wird diese Typisierung in Auftragung des H/C-Verhältnisses gegen das O/C-Verhältnis (Van-Krevelen-Diagramm) dargestellt. Wird zur Charakterisierung des Kerogens der Gehalt an organischem Kohlenstoff bezogen auf seinen Masseanteil am gesamten Sediment (TOC, engl. total organic carbon) herangezogen, so unterscheidet man zusätzlich einen Typ IV.

Kerogen wird während der Diagenese aus unterschiedlichen organischen Ausgangsmaterialien wie Bakterien, Plankton und Pflanzen gebildet. Durch fortlaufende Sedimentüberlagerung kommt es zum biochemischen und chemischen Abbau der abgestorbenen organischen Materie. Mit zunehmender Tiefe ist das Sediment einem Druck- und Temperaturanstieg ausgesetzt. Hierdurch bilden die durch den Abbau erhaltenen Fragmente mittels Polymerisation und Polykondensation (Kondensation) unter Verlust ihrer funktionellen Gruppen immer größere Moleküle, die Huminsäuren und Fulvinsäuren, welche ihrerseits Huminstoffe bilden. Die Huminstoffe werden durch weitere Polykondensation in Geopolymere mit Molekularmassen von 10.000 bis 100.000 atomaren Masseneinheiten (amu) umgewandelt. Diese Geopolymere werden aufgrund ihrer unterschiedlichen Löslichkeit in gängigen organischen Lösungsmitteln in zwei Klassen aufgeteilt: Der lösliche Anteil wird als Bitumen, der unlösliche überwiegende Anteil als Kerogen bezeichnet. Das während der Diagenese gebildete Kerogen unterliegt während der weiteren Diagenese, Katagenese und Metagenese ständiger Veränderung. Im letzten Schritt der Diagenese werden weitere heteroatomare Bindungen und funktionelle Gruppen abgespalten, so daß es zu einer Freisetzung von Wasser, Kohlendioxid, Asphaltenen und Harzen kommt. Während der Katagenese werden überwiegend Kohlenwasserstoffketten und cyclische Kohlenwasserstoffe aus dem Kerogen abgespalten. Dies ist die Hauptphase der Erdölbildung, der sich die Bildung von Erdgas anschließt. In der Metagenese findet eine Umlagerung der zurückgebliebenen aromatischen Kohlenwasserstoff-Schichten statt. Die bisher ungeordnet vorliegenden Schichten richten sich aus unter Bildung von Methan.

Kerogen besteht aus verschiedenen Komponenten in variabler Zusammensetzung. Einige Komponenten sind Macerale, bei anderen Komponenten handelt es sich um amorphe organische Materie. Die Struktur des Kerogens unterliegt während der Diagenese, Katagenese und Metagenese fortlaufenden Änderungen. Die generelle Struktur des Kerogens wird als dreidimensionales Makromolekül, bestehend aus aromatischen Kernen und Kohlenwasserstoffen, welche über heteroatomare Verbindungen oder aliphatische Ketten (aliphatisch) verbunden sind, beschrieben. Die vernetzenden Verbindungen enthalten eine Vielzahl unterschiedlicher funktioneller Gruppen wie Ketone, Ester, Ether, Sulfide oder Disulfide. Diese funktionellen Gruppen sind entweder direkt oder über aliphatische Kohlenwasserstoffketten mit den aromatischen Kernen verbunden. Mit zunehmender thermischen Reife werden viele dieser funktionellen Gruppen und aliphatischen Kohlenwasserstoffketten abgespalten. Somit verringert sich die Anzahl der vernetzenden Verbindungen unter gleichzeitiger Verschiebung und Verdichtung der aromatischen Kerne. [SB]

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