Fossile Brennstoffe: Erdöl, Erdgas und Kohle

Schwarzes Gold heißt es wegen seiner Farbe und weil es für uns so wertvoll ist: Die Rede ist von Erdöl. Der Rohstoff entstand vor 150 Millionen Jahren als noch Dinosaurier unseren Planeten bewohnten. Aus unserem Alltag ist Erdöl heute kaum noch wegzudenken: Wir benötigen es als Treibstoff für Fahrzeuge, als Heizmaterial oder als Grundlage für Kunststoff.

Aus Plankton entstanden: Erdöl
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Erdölförderung in den USA
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Ausgangsmaterial für Erdöl ist Plankton, das vor Jahrmillionen im Meer schwebte. Die Überreste dieser winzigen Meeresbewohner sanken auf den Grund und wurden luftdicht unter anderen Sedimentschichten, wie Sand und Ton, begraben. Die Überreste zersetzten sich und wurden zu Faulschlamm. Darüber lagerten sich weitere Sedimente ab, deren Gewicht auf den Faulschlamm drückte. Unter diesem Druck stieg die Temperatur und der Faulschlamm veränderte sich chemisch zu einem Gemisch aus gasförmigen und flüssigen Kohlenwasserstoffen: Erdöl. Weil es leichter als Wasser und das umgebende Gestein war, stieg es durch Poren immer weiter nach oben, bis es auf eine undurchlässige Schicht stieß, unter der sich die zähe Masse sammelte: Eine Erdöllagerstätte war entstanden.

Erdgas benötigen wir als Energiequelle
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Unter ähnlichen Bedingungen wie Erdöl entstand auch Erdgas. Deshalb finden sich in einer Lagerstätte häufig beide Brennstoffe. Das Erdgas ist leichter, darum lagert es über dem Erdöl. Weil beide Stoffe fossile Überreste von Meeresorganismen sind, werden sie als „fossile“ Brennstoffe bezeichnet.

Abbau von Steinkohle
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Zu den fossilen Brennstoffen gehört auch die Kohle. Sie verdankt ihre Herkunft den Resten abgestorbener Sumpfpflanzen. Diese bildeten immer dicker werdende Torfschichten, über denen sich Sedimente anhäuften. Unter deren Gewicht wurden Wasser, Sauerstoff und andere Gase aus der Torfschicht herausgepresst, der Anteil an Kohlenstoff nahm zu. Über Jahrtausende hinweg verwandelte sich so der Torf in Braunkohle. Wuchs die Sedimentdecke und der Druck weiter, wurde aus Braunkohle Fett- oder Steinkohle. Um ihre gespeicherte Energie nutzen zu können, werden die Kohlelagerstätten – auch Kohleflöze genannt – in Bergwerken abgebaut.

Abbau von Steinkohle
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Ölpest im Golf von Mexiko

Vor zwei Wochen explodierte die Bohrinsel „Deepwater Horizon“ im Golf von Mexiko. Seitdem laufen täglich Millionen Liter Rohöl ins Meer. Die zähe Suppe bedroht jetzt vor allem die Küsten im Südosten der USA. Die Schäden für die Umwelt sind kaum abzuschätzen.

Am 20. April geriet die Ölplattform Deepwater Horizon in Brand, zwei Tage später ging sie unter. Bei der Explosion wurden elf Arbeiter getötet, 115 konnten gerettet werden. Was nach dieser Katastrophe droht, ist eine verheerende Ölpest im Golf von Mexiko. Seit Tagen versuchen Tauchroboter die Lecks in 15.000 Meter Tiefe abzudichten. Doch alle Versuche, das ausfließende Rohöl zu stoppen, sind bisher gescheitert. Auch die Bemühungen, ein Ausbreiten des Ölteppichs zu verhindern, blieben ohne den gewünschten Erfolg. So behinderte hoher Wellengang den Einsatz schwimmender Barrieren, die den sich ausbreitenden Ölteppich eindämmen sollten: Das Öl treibt weiter in Richtung Küste. In den US-Bundesstaaten Louisiana, Mississippi, Florida und Alabama wurde bereits der Notstand ausgerufen.

Experten rechnen mit Schäden in Höhe von Milliarden Dollar. Etwa die Hälfte der Summe wird für die Reinigung der verschmutzten Küsten eingesetzt werden müssen. Auch werden ungeheure Ausfälle im Tourismus und in der Fischerei erwartet.

Nach der Explosion steht die Bohrplattform in Flammen.
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Im Vordergrund ist der Ölteppich als dunkler Fleck zu erkennen.
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Schwimmende Barrieren sollen den Ölteppich aufhalten
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Die Gefahr des Tiefseebohrens

Noch vor hundert Jahren waren ergiebige Erdöllagerstätten vergleichsweise einfach zu entdecken und das Öl leicht zu fördern. Heute dagegen sind viele dieser Ölquellen bereits ausgebeutet. Weil unser Energiebedarf aber ständig steigt, werden inzwischen auch schwer zugängliche Ölfelder erschlossen. Zu ihnen gehören Ölvorkommen in der Tiefsee, die in mehr als 500 Metern Wassertiefe liegen. Um an das Erdöl zu gelangen, werden schwimmende Bohrplattformen eingerichtet. Von diesen Bohrinseln aus wird Rohstoff gefördert – auch „Offshore-Gewinnung“ genannt. Diese Art von Erdölgewinnung bedeutet allerdings einen großen Aufwand und birgt hohe Risiken, wie sich am Unglück der Deepwater Horizon gezeigt hat. Doch solange der Bedarf steigt, muss immer tiefer nach Öl gesucht werden – inzwischen in bis zu 3000 Metern Wassertiefe.

Schätze am Meeresgrund

Tief unten am Meeresgrund ruhen verborgene Schätze. Gemeint ist hier nicht die versunkene Beute räuberischer Seefahrer; die Rede ist von Rohstoffen, die am Ozeanboden vorkommen.

Manganknollen
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Einer dieser Rohstoffe ist Methanhydrat. Dieses brennbare Eis lagert in mehr als 500 Metern Tiefe auf dem Meeresboden. Es hat sich bei niedriger Temperatur und unter hohem Druck aus Wasser und Methan gebildet, das von bestimmten Einzellern beim Stoffwechsel produziert wird. In den geschätzten Vorkommen von Methanhydrat ist über doppelt so viel Kohlenstoff gebunden wie in allen Erdöl-, Erdgas- und Kohlevorräten der Erde. Ob es jedoch in Zukunft zu unserer Energieversorgung beitragen kann, ist umstritten. Sein Abbau ist schwierig, weil es sich bei höheren Temperaturen leicht zersetzt und dabei Methan freisetzt. Die Gefahr dabei ist: Methan ist ein Treibhausgas. Wenn zu viel davon in die Atmosphäre gelangt, beeinflusst das unser Klima, die Temperaturen steigen.

In etwa 5000 Meter Tiefe liegt am Grund des Pazifiks noch ein weiterer eigenartiger Stoff: Manganknollen. Diese schwarzen Klumpen können etwa so groß wie Kartoffeln, manche sogar wie Salatköpfe werden. Als Rohstoff sind sie für den Menschen interessant, weil sie große Mengen der Metalle Mangan und Eisen enthalten. Es stecken aber auch hohe Anteile an Kupfer, Nickel und Kobalt in den runzligen Gebilden – Metalle, die in der Elektroindustrie und für die Stahlerzeugung benötigt werden. Ob sich ihr Abbau lohnt, muss noch erforscht werden: Zwar besitzen sie eine viel höhere Metallkonzentration als Erzminen an Land, doch der Abbau von Manganknollen ist wegen der großen Meerestiefe, in der sie vorkommen, besonders kompliziert.

Aus dem Inneren der Erde: Erze und gediegene Metalle

Kupfer war das erste Metall, das der Mensch in der Erdkruste entdeckte. Es konnte zu einfachen Werkzeugen oder Waffen geformt werden und war so wichtig, dass eine ganze Epoche nach ihm benannt wurde: die Kupferzeit. Die Werkzeuge wurden besser, als der Mensch das Kupfer mit Zinn mischte und so die Bronze erfand. Und als er lernte, Eisen zu verhütten, setzte endgültig der Siegeszug der Metallwerkzeuge ein.

Braukessel aus Kupfer
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Kupfererz
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Anders als der Erdkern besteht die Erdkruste zum größten Teil aus Nichtmetallen. Dennoch finden sich in ihrem Gestein Metalle wie Eisen, Aluminium, Mangan oder Kalium. Wie häufig sie vorkommen, können Experten (Geochemiker) genau ermitteln. So haben sie herausgefunden, dass rund sieben Prozent der Erdkruste aus Eisen bestehen.

Abbau von Eisenerz
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Wie die meisten Metalle tritt Eisen als chemische Verbindung mit anderen Elementen auf, als sogenanntes Erz. Um Eisen aus dem Erzgestein zu gewinnen, wird das Erzgestein gemahlen, mit Kohle gemischt und erhitzt. Dann läuft eine chemische Reaktion ab, die dem Erz die anderen Elemente entzieht, so dass das reine, elementare Eisen übrig bleibt.

Einige Metalle verbinden sich dagegen kaum mit anderen Elementen. Sie verwittern daher nicht und kommen in der Erdkruste in reiner Form vor. Zu diesen „gediegenen Metallen“ gehören Gold, Silber oder Platin. Platin und Gold sind außerdem äußerst selten: Gold ist durchschnittlich nur mit 0,001 Gramm in einer Tonne Gestein enthalten. Als Lagerstätte wird ein Ort aber erst dann bezeichnet, wenn die Tausendfache Menge an Gold enthalten ist – also bei einem Gramm Gold pro Tonne Gestein.

Massive gegossene Goldbarren
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Häufiger als Gold oder Platin sind die „Metalle der Seltenen Erden“. Was merkwürdig klingt, hat eine einfache Begründung: Diese Metalle gelten als selten, weil sie keine eigenen Lagerstätten bilden, also nicht konzentriert sondern nur verstreut vorkommen. Die Rede ist deshalb auch von Gewürzmetallen. Ihre Bedeutung hat in den vergangenen Jahren stark zugenommen, weil sie zur Herstellung von elektronischen Geräten wie Handys oder Computern benötigt werden.

Eisen oder Stahl rosten in Verbindung mit Sauerstoff und Wasser
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Die äußerste Hülle der Erde

Wie ein Ei von der Eierschale ist auch die Erde von einer harten Hülle umgeben. Diese äußerste Schicht umgibt den Erdmantel und wird Erdkruste genannt. Vergleicht man die Erde mit einem Pfirsich, ist die Erdkruste – relativ gesehen – so dick wie seine Haut. Unter Kontinenten reicht sie durchschnittlich 40 Kilometer in die Tiefe, unter den Ozeanen sogar nur etwa sieben Kilometer.

Die Erdkruste ist im Verhältnis zur Erde so dick wie die Pfirsichhaut zum Pfirsich
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Darunter liegt der äußere Teil des Erdmantels, der bis in etwa 100 Kilometer Tiefe reicht. Er ist ebenfalls fest, besteht aber aus schwererem Gestein. Die Erdkruste und dieser äußerste Teil des Mantels zusammen werden auch „Lithosphäre“ genannt. Diese feste Gesteinsschicht ist in verschieden große Platten zerbrochen, die ganz langsam auf dem heißen, zäh fließenden Erdmantel umher treiben.

Island liegt auf dem mittelatlantischen Rücken, wo die Lithosphärenplatten auseinanderklaffen
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Wo die Gesteinsschmelze aus dem heißen Erdmantel nach oben dringt, kann die Erdkruste aufbrechen. Dann strömt Lava heraus, die zu neuer Erdkruste wird. Hauptsächlich geschieht das dort, wo die Platten der Lithosphäre aneinander grenzen, wie an den mittelozeanischen Rücken.

Die Alpen – Hochgebirge am Plattenrand
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In Island zum Beispiel sind diese Plattengrenzen gut zu erkennen: Risse und Furchen ziehen sich hier durch die Erdkruste, wo eurasische und nordamerikanische Platte voneinander wegdriften. Im Mittelmeerraum liegt ebenfalls eine Plattengrenze. Weil hier die Afrikanische gegen die Eurasische Platte drückt, gibt es in Italien viele Vulkane und immer wieder Erdbeben.

Die Liparischen Inseln – eine Vulkankette in Italien
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Die Kruste wird vom Boden bedeckt. Der Boden der Landmassen bildet sich aus verwittertem Gestein und Überresten von Tieren und Pflanzen. Der Meeresboden dagegen entwickelt sich aus Ablagerungen wie Ton und abgesunkenen Resten von Meeresorganismen. An den Küsten besteht der Meeresboden zusätzlich aus abgelagertem Geröll, das vom Festland abgetragen und ins Meer geschwemmt wurde.

Sedimentgesteine

Manche Felsen sehen aus, als wären sie gestreift. In den Dolomiten zum Beispiel sind solche quer verlaufenden Bänder oft deutlich zu sehen. Auch Sandstein- oder Kalksteinbrüche haben manchmal ähnlich hübsche Muster.

Schroffe Felswände in den Dolomiten
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Erzeugt wird das „Streifendesign“ schon bei der Bildung des Gesteins. Ausgangsmaterial ist Verwitterungsschutt, der von Wasser oder vom Wind davongetragen wird. Flüsse, Gletscher und Staubstürme verlieren irgendwann an Kraft: Flussläufe werden zur Mündung hin immer langsamer und strömen schließlich ins Meer oder einen See. Gletscher dringen in wärmere Regionen vor und schmelzen ab. Auch Staubstürme lassen irgendwann nach. Dann können sie Staub, Sand und Geröll nicht mehr weiter befördern. Das mitgeschleppte zermahlene Gestein setzt sich ab. Mit der Zeit bildet das abgelagerte Material eine immer höhere Schicht – das Sediment. Besonders auf dem Meeresboden und auf dem Grund von Seen, wo Flüsse viel Material anschwemmen, sammeln sich solche Sedimente, darunter auch Reste von toten Tieren oder Kalkschalen.

Die einzelnen Sedimentschichten erscheinen wie Streifen im Fels
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Nach und nach schichten sich verschiedene Sedimente übereinander. Eine Schicht kann zum Beispiel aus Sandstein bestehen: Zu Trockenzeiten hat hier der Wind Wüstensand angeweht. Steigt der Meeresspiegel wieder an, wird diese Schicht von Wasser bedeckt: Kalkschalen von Meerestieren sinken auf den Meeresgrund und lagern über dem Sand eine weitere Schicht an. Über Jahrmillionen veränderte sich das Klima immer wieder und sorgte dafür, dass der Meeresspiegel schwankte. Dadurch konnten sich verschiedene Schichten ablagern.

Am Meeresboden setzen sich Sand und Reste von Lebewesen ab
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Im Laufe der Zeit wird die Sedimentdecke immer dicker. Unter der Last des eigenen Gewichts werden die anfangs lockeren Sedimente immer stärker zusammengepresst, kleine Hohlräume verschwinden, die Masse verdichtet sich. Weitere Schichten lagern sich darüber, das Sediment wird immer fester und schließlich unter Druck zu Sedimentgestein. Dieser Vorgang heißt in der Geologie auch Diagenese. Werden dabei zum Beispiel Schalen winziger Meerestiere zu Stein gepresst, entsteht Kalkstein. Feine Sandkörner aus Quarz verkitten sich unter dem hohen Druck zu Sandstein.

Neben Geröll setzten sich auch tote Tiere ab, zum Beispiel Fische auf dem Meeresgrund. Luftdicht abgeschlossen blieben ihre Knochen und Schuppen erhalten und versteinerten. Solche Fossilien haben sich im Stein verewigt. Sie verraten noch nach Jahrmillionen vieles über die Zeit, in der sich das Sediment gebildet hat. Daher können Geologen in den Gesteinsschichten lesen wie in einem Geschichtsbuch.

Fossilien sind versteinerte Lebewesen
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Normalerweise ist für uns nur die oberste Schicht sichtbar. Wenn sich jedoch ein Fluss durch das Sedimentgestein gräbt, es bei der Gebirgsbildung angehoben oder in einem Steinbruch frei gesprengt wird, erhalten wir einen Blick auf den Querschnitt. Die einzelnen Sedimentschichten sind dann als „Streifen“ oder Bänder im Gestein gut zu erkennen.

Felsküste im Streifen-Look
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