TU Delft: Geologie en Steenkool

Op een website oversteenkolenwinning misstaat een pagina over de vorming van steenkool uiteraard niet. Ook worden in de site zo hier en daar de namen van tektonische storingen, zoals de Feldbiss-breuk genoemd. Op deze pagina wordt hier wat meer over verteld.

In deze pagina komen in het kort aan de orde:

  • Het ontstaan van steenkool,
  • De ligging van de steenkolenlagen in Zuid-Limburg
  • De tektoniek, d.w.z. de belangrijke breuken en plooien
  • Steenkool in de Achterhoek.
  • De naamgeving van de verschillende steenkoollagen
  • De indeling in typen die vroeger voor steenkool werd gebruikt.

Er is getracht om de beschrijvingen en uitleg zo eenvoudig mogelijk te houden. Hierbij is dankbaar gebruik gemaakt van de leerboekjes voor de houwersopleiding, zoals die vroeger door alle Nederlandse steenkolenmijnen gebruikt werden [1]. Oude profielen van de NAM uit 1955 zijn gebruikt om hier en daar de geologie wat te verduidelijken.

A. HET ONTSTAAN VAN STEENKOOL

De geologische geschiedenis van de aarde is in verschillende tijdperken verdeeld. Een van deze tijdperken wordt steenkooltijdperk of Carboon genoemd. Het Carboon is een periode in de geologische tijdschaal  die duurde van 359,2 ± 2,5 tot 299,0 ± 0,8 miljoen jaar geleden. Het Carboon is onderdeel van het Paleozoïcum. Het volgt op het Devoon en wordt gevolgd door het Perm.

Tijdens het Carboon kwam een einde aan de vorming van het supercontinent Pangea, het naar elkaar toe bewegen van de continenten was overigens al veel eerder begonnen. Het zeeniveau was relatief hoog en grote delen van het tegenwoordige Europa waren bedekt met moerassen. In deze moerassen werden afgestorven plantenresten opgeslagen die een groot deel van de tegenwoordige steenkoolvoorraden op Aarde vormen. Er verschenen veel nieuwe soorten insecten en amfibieën en ook de eerste reptielen en zaadplanten.

Het Carboon in Nederland, België, Groot-Brittannië, Duitsland en Centraal-Europa werd gevormd in een gebied dat zich destijds rond de evenaar bevond, gekenmerkt door warme zeeën, mangrovevegetaties en rivierdelta's. Door de hoge concentratie CO2 in de atmosfeer was er op het land uitgestrekte plantengroei mogelijk. In moerassen ontstond eerst veen, waaruit later steenkool en aardgas vormde. In het totale systeem Carboon is steenkool echter maar een klein deel. Grote delen van de Carboon-bekkens werden opgevuld door voornamelijk deltaïsche afzettingen of ondiep mariene kalken.

Het Carboon wordt in Europa als volgt onderverdeeld: 

alt

Ook de in Zuid-Limburg voorkomende steenkool is in het Carboon gevormd. De Zuidlimburgse steenkool is van Boven-Carbonische Ouderdom (Westphalien).

Dezelfde steenkool die in Limburg werd gewonnen, ligt in Noord-Nederland op grote diepte (3 - 4 km en meer). Door de warmte op die diepte is de steenkool ontgast, en het opstijgende methaan is gevangen geraakt in de poreuze zandstenen van het Permische Rotliegend. Afgesloten door de zoutlagen uit de boven het Rotliegend liggende Zechstein-formaties, is het gas miljoenen jaren bewaard gebleven: het Slochteren-veld  (was en) is een van de grootste aardgasvoorkomens ter wereld.

Algemeen wordt aangenomen dat steenkool is ontstaan uit plantenresten. In het dak, alsook in de vloer van een koollaag worden plantenafdrukken gevonden. De volgende foto's (uit het Mineralogisch-Geologisch Museum van de TU Delft) geven voorbeelden van plantenfossielen:

alt

Sigillaria (Wolfsklauw / Zegelboom) Staatsmijn Hendrik, Nederland

 

alt

Asterophyllites  (paardestaart, bladvorm) Staatsmijn Emma, Nederland

In het tijdperk waarin onze steenkool is gevormd, lag Zuid-Limburg, dat aan voortdurende daling onderhevig was, gelijk met of even boven de zeespiegel. Door voortdurende aanvoer van zoetwater door de rivieren ontstond een zoetwater-moeras.
Op de vochtige vlakte ontwikkelde zich een weelderige plantengroei, mede beïnvloed door het toen heersende klimaat.

alt 
Figuur 1. Impressie van een Carboonwoud.                 

 

alt

Figuur 2. Impressie van een Carboonwoud.

 alt

Figuur 3.
Calamites. Klik voor meer informatie.

 

 alt

Figuur 4. Cordaites. 

 alt

Figuur 5. Lepidodendron. 

 alt

Figuur 6. Sigilaria 

 alt

Figuur 7. Ter vergelijk, moderne varen.

Bomen en planten stierven af en zakten in het moeras weg. Nieuwe planten schoten op en stierven weer af. Uiteindelijk vormde zich een steeds dikker wordende laag plantenresten, die onder de waterspiegel verdween. Hoe dik de laag plantenresten werd hing af van de tijdsduur waarover de plantengroei zich kon handhaven. Er zijn lagen plantenresten gevormd van enkele meters dikte tot zestig meter en meer.

altFiguur 8. Moeras met plantengroei.

alt

Figuur 9. Verdronken Carboonwoud.

Kwam tengevolge van een sterke bodemdaling het carboonwoud onder het waterniveau te liggen, dan eindigde de plantengroei. Het door de rivieren meegevoerde materiaal bezonk en zette zich af op de laag plantenresten. De laag zand, klei enz. werd afhankelijk van de tijdsduur en de hoeveelheid meegevoerd materiaal steeds dikker.

Kwam door verminderde bodemdaling of door snellere ophoging de vlakte weer gelijk met of boven de waterspiegel te liggen, dan kon de beschreven gang van zaken zich herhalen. Zo hebben we meerdere planten-, klei- en zandlagen boven elkaar gekregen.

alt 

Figuur 9. Carboonwoud met diverse lagen met plantenresten in de ondergrond.

Als de laag plantenresten aan de oppervlakte was blijven liggen, zou hieruit nooit steenkool zijn ontstaan. De plantenresten zouden zijn verrot. Dit is in het steenkooltijdperk echter niet gebeurd.

alt 

Figuur 10. Overgang van plant tot steenkool.

De plantenresten, die zich enkele honderden miljoenen jaren geleden in het moeras ophoopten, zakten geleidelijk weg en werden bedekt met in het water bezinkend materiaal. Hierdoor werden zij af gesloten van de lucht. Na zeer lange tijd ontstonden uiteindelijk onder toename van druk en temperatuur, steenkoollagen, van elkaar gescheiden door lei- en zandsteenlagen. We noemen dit proces het inkolingsproces.. Zie ook beneden bij E.

Voor een koollaag van twee meter dikte is ongeveer een veertig meter dikke laag plantenresten nodig geweest.

B. LIGGING VAN DE LAGEN

In het voorafgaande hebben we gezien dat de lagen plantenresten, waaruit de steenkool is ontstaan, zijn gevormd op een uitgestrekte vlakte, die gelijk met of even boven de waterspiegel lag. Hieruit kunnen we afleiden dat onze koollagen oorspronkelijk vrijwel horizontaal moeten hebben gelegen.

Gebergtevormende bewegingen hebben echter later zeer grote spanningen in de aardkorst veroorzaakt. Als gevolg van deze enorme spanningen zijn de gesteentelagen met de ertussen liggende koollagen geplooid. In het zuid-oosten van Limburg zijn de lagen hoger opgestuwd en sterker geplooid dan in het noord-westen.
Nadat door de plooiingsdruk de koollagen waren vervormd, kwam de aardkorst opnieuw in beweging. Door dalende en trekkende bewegingen ontstonden scheuren. Langs deze scheuren zijn grote stukken van de aardkorst (schollen genaamd) naar beneden gezonken of opgeheven. De hoge delen worden horsten, de lage delen slenken genoemd.

De altijd en overal werkzame afbraakkrachten: weer, water, wind, hebben aan de oppervlakte hun werk gedaan (erosie).
In het hoger opgestuwde zuid-oosten is door de erosie meer verdwenen dan in het lagere noord-westen.
In latere tijdperken hebben opnieuw afzettingen op het carboongesteente plaats gevonden. We noemen deze afzettingen het dekterrein.

Het uiteindelijk resultaat van de bewegingen in de aardkorst en van de erosie is, dat er in het zuid-oosten van het voormalige Limburgs mijngebied minder koollagen zijn overgebleven dan in het noord-westen en dat het dekterrein in het zuidoosten ook veel minder dik is dan in het noord-westen.

Op de locatie van de voormalige Domaniale mijn is de dikte van het dekterrein ongeveer 40 meter en op de locatie van de voormalige Staatsmijn Maurits ca. 300 meter.

alt 

Figuur 11. Schematische doorsnede van tektonisch verstoord gesteente met koollagen,
met indicatie van de dikte van het niet verstoorde dekterrein.

Tussen Sittard en Roermond bevindt zich een slenk (Roerslenk). Het carboonoppervlak ligt hier op een diepte varierend van circa duizend meter tot circa 2500 meter. Door de Peelhorst komt het carboongesteente tussen Roermond en Belfeld weer dichter bij de oppervlakte. Ten noorden van Venlo verdwijnt het dan weer in de diepte. De horsten en slenken vormen een onderdeel van de Rijnslenk, een belangrijke geologische structuur in de ondergrond van West-Europa. De Rijnslenk strekt zich uit van Zuid-Duitsland tot de Doggersbank in de Noordzee.

De belangrijkste breuken in Zuid-Limburg zijn:

In het landschap zijn de breuken overigens doorgaans niet te zien. Afgezien van het feit dat ze vaak niet doorlopen tot aan de oppervlakte, zijn zelfs de breuken die wel de oppervlakte bereiken moeilijk herkenbaar. Alleen al de dichte bebouwing in dat deel van Zuid-Limburg verhinderd dat, maar ook daar waar het terrein niet bebouwd is, is herkenning moeilijk, zelfs voor het geoefende oog. Niettemin zijn met enige kennis van zaken lokaal wel delen van het breuksysteem te traceren, met name als sterk waterhoudende zones in het dekterrein, zoals bijvoorbeeld op de Brunssummerheide tussen Brunssum en Nieuwenhagen (Gemeente Landgraaf). Het betreft daar de Feldbiss-breuk.

Hierbeneden is een geologisch profiel door Zuid-Limburg gegeven .

alt

 Figuur 12. N-Z Profiel door Limburg. Verticale schaal 1: 62.500.
Horizontale schaal 1: 250.000. Zie kaartje voor het trace.(NAM, 1955)

 

alt 

Figuur 12a. Tracé van het profiel van figuur 12.
 

altFiguur 13. Schematische geologische kaart, welke de belangrijkste breuken (storingen) in Zuid-Limburg aanduidt.


Ook de locatie van de voormalige steenkolenmijnen is aangegeven. ZW-NO lopende breuken komen niet tot aan de oppervlakte.

De mate van afschuiving langs de breuken is echter niet overal even groot. Langs de Feldbiss breuk wordt de afschuiving gaande van Eygelshoven naar Geleen steeds groter: het verzet neemt, gaande van Eygelshoven naar Geleen met enige honderden meters toe.

 

alt

Figuur 13a. Blokdiagram dat schematisch het verzet langs de breuken aangeeft. Naar Prof. M.G. Rutten.

De Feldbiss-breuk maakt deel uit van de Roerslenk, die zelf weer een kleinere geologische structuur is in de Rijnslenk, een hoofdstructuur in de geologie van Westeuropa. In recente tijden is men tot de ontdekking gekomen dat het Limburgse breukensysteem een actief breukensysteem betreft. Meerdere kleine en middelgrote aardbevingen zijn voorgekomen in de laatste tien jaren, de laatste op 22 juli, 2002. (Magnitude 4.9 op de schaal van Richter, epicentrum bij Alsdorf/Eschweiler, nabij Aken, een aantal km's oost van Eijgelshoven).

C. STEENKOOL IN DE ACHTERHOEK

Hoewel steenkool in Nederland doorgaans met Zuidlimburg ge-associeerd wordt, zijn er ook steenkolenvoorkomens in de Achterhoek. De locatie van dit concessiegebied (Gelria Concessie) is op deze site te vinden in op de pagina Bestaande Kolenreserves/Achterhoek Reserves (helaas Engelstalig). Hierbeneden wordt een geologisch profiel gegeven in de regio Doetinchem. Het trace van het profiel vindt men in de daaropvolgende figuur.

alt
Figuur. 14. Profiel in de buurt van Doetinchem. Ook hier bevinden zich kolen op winbare diepten.
Verticale schaal 1: 62.500. Horizontale schaal 1: 250.000.
 


alt 


Figuur 14a. Tracé van het profiel in de achterhoek.

D. NUMMERING EN BENAMING VAN DE KOOLLAGEN

Men kan de koollagen een historische benaming geven, die voor alle Limburgsche mijnen gold, maar men kan ze ook nummeren inde volgorde, waarin ze bij het afdiepen van de schacht werden aangetroffen. De nummering geldt dan alleen voor de betreffende mijn.

In het eerste geval krijgt men namen als:Furth, Merl, Steinknipp, Finefrau, Grauweck, Senteweck, enz. In het tweede geval krijgt men de nummering: laag 1, laag II, enz.

Koollagen welke boven een laag zijn gelegen, maar door hun helling niet bij het schachtdelven werden aangetroffen, werden vaak later op de verdieping bij het drijven van de steengangen gevonden en dan aangeduid met een hoofdletter van het alfabet. Bijvoorbeeld laag A, laag B. enz.

E. SOORTEN STEENKOOL

De van de lucht afgesloten laag plantenresten is na zeer lange tijd, onder toename van temperatuur en druk, uiteindelijk steenkool geworden. Planten bestaan voornamelijk uit: koolstof - waterstof - zuurstof - stikstof . Het proces dat inkoling wordt genoemd doet veen via bruinkool , en steenkool in anthraciet overgaan.

Inkolingsreeks

 alt
Veen/turf

 alt
Bruinkool

 alt
Steenkool

 alt
Anthraciet

Tijdens de inkoling werd het percentage koolstof steeds groter. De andere bestanddelen ontweken uit de plantenresten. Hoe een en ander verloopt zien we in de volgende tabel.

alt 

Figuur 15. Inkoling.

We zien in de tabel dat het percentage waterstof, stikstof en zuurstof steeds minder wordt. Deze stoffen ontwijken in de vorm van gassen, zoals mijngas en koolzuur. Deze gassen noemt men vluchtige bestanddelen. Afhankelijk van het percentage vluchtige bestanddelen, wordt steenkool onderverdeeld in verschillende klassen.

Men maakt onderscheid in de volgende categoriën :

  Gasvlamkool

  vluchtige bestanddelen 45- 45 %. hoge hardheid. industriekool  

  Gaskool

  vluchtige bestanddelen 30 - 35 %, matige hardheid,
  gunstig bakkend vermogend, industriekool, of bijmenging
  van cokeskolen

  Vetkool

  vluchtige bestanddelen 18 - 30%, sterk bakkend vermogen,
  cokeskolen bij uitstek, zacht

  Esskool

  vluchtige bestanddelen 12 - 18 %, laag bakkend vermogen, rookloos,
  matige hardheid, centrale-kolen

  Magere kool
  (Anthraciet B)  

  vluchtige bestanddelen 8 - 12 %, zeer gering bakkend vermogen,
  rookloos, huisbrandkolen, centrale-kolen

  Anthraciet A

  vluchtige bestanddelen 4 - 8 %, geen bakkend vermogen, rookloos,
  huisbrandkolen, reductiemiddel, electrodekool

In het voormalge Zuid-Limburgs mijngebied neemt het percentage vluchtigebestanddelen van de steenkool van het Zuid-Oosten naar het Noord-Westen toe. De verdere inkoling in het Zuid-Oosten moet worden toegeschreven aan de grotere plooiingsdruk, die daar is opgetreden. Aan de hand van het gehalte vluchtige bestanddelen kunnen we de koollagen van de ene mijn niet ouder of jonger noemen dan die van een andere mijn.

Vetkool en gaskool konden worden gebruikt voor de vervaardiging van cokes, terwijl het gas in de chemische industrie werd gebruikt (DSM). In het Zuidlimburgsche steenkolengebied kwam gaskool, vetkool en ess-kool vooral voor in de concessies van de Staatsmijnen (Maurits, Hendrik, Emma). De andere kolenmijnen, zoals van Oranje-Nassau, Laura en Vereeniging, Domaniale, en Willem-Sophia, alsook de Staatsmijn Wilhelmina hadden magere kool, met weinig vluchtige bestanddelen. Deze was uiteraard prima geschikt voor verwarmingsdoeleinden en werd daarom ook huisbrandkool genoemd.

F. REFERENTIES

[1]. Leerstof voor de Houwersopleiding, Deel I (1965). Uitgave van de Gezamenlijke Steenkolenmijnen in Limburg, 2e druk.

[2]. Geologische Profielen door Nederland. NAM, Oldenzaal, 1955.