Gesteine mit dem Potenzial zur Erdölbildung sind häufig reich an Uran. Diesen Umstand machen sich Förderfirmen zunutze, indem sie deren Strahlung über Probebohrungen messen. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der GFZ-Sektion Organische Geochemie haben nun zusammen mit dänischen und russischen Kolleginnen und Kollegen herausgefunden, dass sich die radioaktive Strahlung zerstörerisch auf das Gestein und dessen Erdölbildung auswirkt. Das Team entwickelte darüber hinaus eine Methode, den Zerstörungsprozess zu quantifizieren. Diese Erkenntnisse können Erdölfirmen vor verlustreichen Bohrungen bewahren. Die Ergebnisse der Studie sind in der Fachzeitschrift Geochimica et Cosmochimica veröffentlicht.
Erdöl entsteht, wenn organisches Material, vor allem Algen, abgelagert und über geologisch lange Zeiträume nach und nach zersetzt wird. Damit ein Erdölvorkommen groß genug ist, um für die Förderung interessant zu sein, muss der Anteil an organischem Material im Ausgangsgestein möglichst hoch sein – das gilt beispielsweise für sogenannten Tonstein, der häufig Erdöllagerstätten speist. Tonstein ist meist gleichzeitig reich an Uran, was sich die Erdölindustrie für ihre Bohrlochmessverfahren zunutze macht. Normalerweise beträgt der Urangehalt in dunklem Tonstein (‚black shale‘) 20 ppm, also 20 Teile pro Million Teile. Besondere Ablagerungsbedingungen können aber Urangehalte bis zu mehreren Hundert ppm erzeugen.
In der Studie untersucht das Team den sogenannten Alaunschiefer an mehreren Bohrlöchern entlang der nördlichen Ostsee. Mit bis zu 400 ppm an Uran ist dieser dunkle Tonstein Hauptquelle für Öl und Gas in der Region. Die Bohrkerne decken die enorme Zeitspanne von fast 500 Millionen Jahren ab. Damit reichen sie bis in das geologische Zeitalter des frühen Kambriums zurück – die Zeit der ‚kambrischen Explosion‘, in der fast alle heutigen Tierstämme entstanden. An diesen Bohrkernen konnten die Forschenden die komplexen Wechselwirkungen zwischen Uran-Strahlung und organischem Material im Gestein über lange Zeiträume erstmals umfassend untersuchen.
Sie zeigten, dass der Alaunschiefer weniger Öl und stattdessen mehr Gas produziert. Hans-Martin Schulz vom GFZ, Ko-Autor der Studie, sagt: „Die Ölbildung korreliert negativ mit dem Urangehalt, sprich: je mehr Uran, desto weniger Öl.“ Das war vor einer halben Milliarde Jahre noch anders. Das Gestein entließ in der Anfangszeit tatsächlich Erdöl. Doch Millionen Jahre andauernde Bombardierung mit Strahlen hinterlässt Spuren. Schulz: „Der damals im Flachwassermeer der heutigen Ostsee abgelagerte Biofilm muss aufgrund des Ausgangsmaterials Plankton ursprünglich aus langkettigen Kohlenwasserstoffen bestanden haben, woraus im Laufe der Zeit tatsächlich Erdöl entstand. Die Strahlung hat die Ketten jedoch immer weiter zerlegt, regelrecht zerschnitten. Heute gibt es also Erdgas, das aus kurzkettigen Kohlenwasserstoffen besteht.“ Die Uranstrahlung sei hingegen weiterhin hoch.
Misst nun ein Erdölunternehmen erhöhte Strahlung, scheint es im Untergrund ein Potenzial für Erdöl zu geben. Das war zwar in der Vergangenheit auch tatsächlich vorhanden, nur ist heute davon im Gestein nicht unbedingt mehr viel zu finden. Eine Förderbohrung auf Erdöl wäre also nicht mehr lohnend. Das Fazit der Studie: Um den tatsächlichen Öl- und Gasgehalt in Gesteinen zu bestimmen, müssen die Ausgangsbedingungen rekonstruiert werden.
Hauptautor Shengyu Yang, ebenfalls vom GFZ: „Erst wenn wir wissen, wie das organische Material vor 400 Millionen Jahren ausgesehen hat, können wir genauere Abschätzungen zum Öl- und Gaspotenzial einer Lagerstätte treffen.“ Die in der Studie vorgeschlagene Methode der Quantifizierung des Abbauprozesses könne übertriebenen Optimismus in Sachen Gasreserven in Nordeuropa dämpfen. Diese Erkenntnisse ermöglichen es damit, zielgenauer nach Vorkommen zu suchen und aussichtslose, teure Bohrungen zu vermeiden. (ak, jz)
Originalstudie: Yang, S., Schulz, H.-M. , Horsfield, B., Schovsbo, N.H., Noah, M., Panova, E., Rothe, H., Hahne, K., 2018. On the changing petroleum generation properties of alum shale over geological time caused by uranium irradiation. Geochimica et Cosmochimica Acta 229, pp 20-35. DOI: 10.1016/j.gca.2018.02.049
