Hoe ontstaat steenkool uit plantenresten en veen?
Steenkool begint niet als een harde zwarte steen, maar als plantenresten die zich ophopen in natte gebieden. Begraving, tijd en warmte veranderen dat veen langzaam in verschillende soorten steenkool.
Wie een laag steenkool in een gesteente ziet, kijkt naar het eindpunt van een proces dat diep in de aardkorst plaatsvond. De grondstof was vooral plantaardig materiaal, maar niet iedere berg plantenresten wordt steenkool: de omstandigheden moeten eerst de vorming van veen mogelijk maken en daarna moet dat veen worden begraven.
Welke plantenresten kunnen steenkool vormen?
Steenkool ontstaat hoofdzakelijk uit plantaardig materiaal dat zich in natte, moerasachtige gebieden ophoopt. Planten sterven af en vallen in water of drassige bodem. Daar blijven resten soms beter bewaard dan op een droge plek, waar zuurstof en afbrekende organismen ze sneller kunnen omzetten. Als nieuwe planten blijven groeien en er telkens resten bijkomen, kan organisch materiaal zich over lange tijd opstapelen.
Niet elke laag plantenresten blijft intact. Schimmels en bacteriën breken een deel af; de snelheid en volledigheid daarvan hangen onder meer af van de omstandigheden in het moeras. Bij voldoende ophoping en gedeeltelijke afbraak ontstaat veen: een zachte massa van plantaardige resten en ander organisch materiaal. Volgens de U.S. Geological Survey begint steenkoolvorming met zulke veenafzettingen, meestal op de plek waar het plantenmateriaal groeide.
Wat gebeurt er als veen wordt begraven?
Een veenlaag kan onder sediment terechtkomen dat door rivieren, overstromingen of andere geologische processen wordt afgezet. Daarbovenop kunnen in de loop van zeer lange tijd nieuwe lagen ontstaan. Het gewicht van die lagen drukt het veen samen, terwijl het dieper in de aardkorst doorgaans warmer wordt. De verandering van begraven plantenmateriaal in steeds rijpere steenkool heet verkoling, of coalificatie.
Dat is geen snelle omzetting en ook geen eenvoudige kwestie van alleen druk. Temperatuur speelt een belangrijke rol: bij toenemende begraving en warmte verliest het materiaal vocht en vluchtige bestanddelen en verandert de samenstelling ervan. Koolstof vormt uiteindelijk een groter aandeel van de overblijvende vaste stof. Het Amerikaanse ministerie van Energie beschrijft steenkool en andere fossiele brandstoffen als koolstof uit planten die miljoenen jaren onder het aardoppervlak opgeslagen is geweest.
De precieze uitkomst hangt af van de geologische geschiedenis van een afzetting. De diepte en duur van begraving, de temperatuur en de druk beïnvloeden samen hoe ver de verandering gaat. Een extra warmtebron, zoals vulkanische activiteit, kan plaatselijk ook van invloed zijn. Daarom zegt de ouderdom van een koollaag op zichzelf niet precies welke soort steenkool is ontstaan.
Waarom bestaan er verschillende soorten steenkool?
Geologen delen steenkool in naar rang: de mate waarin het oorspronkelijke materiaal door begraving en warmte is veranderd. De gebruikelijke volgorde loopt van bruinkool via subbitumineuze en bitumineuze steenkool naar antraciet. In die reeks neemt doorgaans het koolstofgehalte toe en nemen vocht en vluchtige bestanddelen af. De U.S. Geological Survey over steenkoolrangen noemt deze vier hoofdtypen en beschrijft veen als de voorloper van steenkool.
Bruinkool is de laagste rang in deze reeks en bevat relatief veel vocht. Antraciet is de hoogste rang: het is harder en bevat een groter aandeel vaste koolstof. Tussen die uitersten liggen subbitumineuze en bitumineuze steenkool. De namen zijn geen stappen die elke koollaag in precies hetzelfde tempo of onder identieke omstandigheden doorloopt. Ze beschrijven de uiteindelijke eigenschappen van het materiaal.
| Rang, van laag naar hoog | Wat de rang in grote lijnen aangeeft |
|---|---|
| Bruinkool | Lage rang; relatief vochtig en met een lager koolstofgehalte |
| Subbitumineuze steenkool | Volgende rang in de reeks |
| Bitumineuze steenkool | Hogere rang dan subbitumineuze steenkool |
| Antraciet | Hoogste rang; hard en relatief koolstofrijk |
Dit zijn algemene kenmerken, geen exacte receptuur voor iedere afzetting. Samenstelling en eigenschappen kunnen binnen een rang variëren. Rang vertelt dus iets over de mate van natuurlijke verandering, maar niet alle details over de plaatselijke geologie of de kwaliteit voor een bepaald gebruik.
Hoe verloopt de vorming stap voor stap?
- Planten groeien in een nat gebied. Plantaardig materiaal vormt de eerste grondstof; het kan zich ophopen waar water en bodemgesteldheid groei en bewaring mogelijk maken.
- Afgestorven resten hopen zich op. Een deel van het materiaal wordt afgebroken, terwijl ander materiaal in de natte omgeving achterblijft.
- Er vormt zich veen. Wanneer organische resten zich blijven ophopen en gedeeltelijk bewaard blijven, kan een veenlaag ontstaan.
- Sediment bedekt het veen. Nieuwe afzettingen begraven de laag en drukken het materiaal samen.
- Warmte en begraving veranderen het materiaal. Over geologische tijd verliest het veen onder invloed van de omstandigheden vocht en andere bestanddelen en neemt de rang toe.
- Er ontstaat steenkool van een bepaalde rang. De uitkomst kan bruinkool, subbitumineuze steenkool, bitumineuze steenkool of antraciet zijn, afhankelijk van de geologische geschiedenis.
Deze volgorde maakt duidelijk waarom steenkool niet simpelweg samengeperst hout is. Het gaat om plantaardig materiaal dat eerst als veen wordt bewaard en vervolgens door geologische processen verandert. In grote lijnen ontstaat aardolie ook uit oud organisch materiaal dat begraven raakt, maar de grondstof en het vormingsproces verschillen; de afzonderlijke ontwikkeling van olie staat beschreven bij vorming van aardolie.
Waaraan is de uitkomst te herkennen?
De rang is af te leiden uit meetbare eigenschappen van een steenkoolmonster, zoals het gehalte vaste koolstof, vocht en vluchtige stoffen. De USGS legt uit dat de classificatie van steenkool naar rang op de samenstelling en de calorische waarde berust. Een donker uiterlijk alleen volstaat dus niet om vast te stellen hoe rijp de steenkool is of hoe zij is ontstaan. Daarvoor zijn analyses en kennis van de geologische context nodig.
Ook de vorm van de afzetting geeft context. Steenkool komt doorgaans voor als lagen in sedimentair gesteente, maar dikte, verspreiding en samenstelling verschillen per gebied. Mineralen kunnen met het organische materiaal zijn afgezet of later in scheuren en lagen terechtkomen. Daardoor is steenkool geen zuivere, overal identieke koolstofmassa, maar een natuurlijk gesteente met uiteenlopende bestanddelen.