Geothermometry by Raman spectroscopy of dispersed organic matter

Abstract

Raman-Spektroskopie an kohligem Material (RSCM) ist eine häufig verwendete Methode, um die maximale Temperatur der Metamorphose oder die thermische Reife von Kohlen und organikreichen Sedimenten zu bestimmen. Für die Temperaturabschätzung wurden bereits mehrere Kalibrationskurven ermittelt, jedoch wird die Übertragbarkeit dieser Kalibrationen auf andere Labore durch methodische Aspekte eingeschränkt und die Vergleichbarkeit zwischen den Laboren dadurch reduziert. Die subjektive Auswertung von Spektren, das verwendete Messsystem und die Probenheterogenität bedingen die größte Streuung der Ergebnisswerte und ein Ansatz, mit dem Ziel die Vergleichbarkeit zu erhöhen, wurde formuliert. Um die Subjektivität der spektralen Auswertung zu veringern, wurde das ’IFORS’ (Iterative Fitting Of Raman Spectra) Programm geschrieben, das die automatische, Benutzer-unabhängige Auswertung von Raman-Spektren ermöglicht. Um die Streuung aufgrund des verwendeten Messsystems zu reduzieren, wurde ein Referenzprobensatz zusammengestellt, der einen Temperaturbereich von 160 °C bis 600 °C abdeckt. Während der Probenaufbereitung wurde Resonanz-Raman- Spektroskopie mit mehreren Anregungswellenlängen an dispersen Vitriniten durchgeführt, die diagenetische bis epizonale Druck- und Temperaturbedingungen erfahren hatten, um die Gleichwertigkeit der RSCM-Methode und Vitrinitreflexion zu ermitteln. Mit Hilfe des IFORS Programms wurde der ’scaled total area’ (STA) Raman Parameter ermittelt, der das Raman Spektrum von kohligem Material präzise beschreibt. Auf Grundlage der Resonanz-Raman Daten konnte gezeigt werden, dass die Methodiken der STA-Raman Spektroskopie und Vitrinitreflexion analog zueinander sind, dass die STA-RSCM Methode gegenüber der Probenaufbereitung, insbesondere dem Polieren, robust ist, und dass die Resonanz-Raman Spektren der Vitrinite eine zweistufige molekulare Entwicklung während der Inkohlung und Graphitisierung aufzeichnen. Während der ersten Stufe, die kurz nach dem Durchschreiten des Gas-Fensters endet, wachsen vor allem lineare, polyzyklische, aromatische Kohlenwasserstoffe, während in der anschließenden zweiten Stufe kondensierte Formen von polyzyklischen, aromatischen Kohlenwasserstoffen wachsen. Um die Raman Spektren von metamorphem, kohligem Material zu beschreiben, wurde die STA-RSCM Methodik erweitert und erfolgreich gegen die Temperaturinformation des Referenzprobensatzes kalibriert, so dass ein neues, überarbeitetes RSCM-Geothermometer vorgestellt werden konnte, das über einen Temperaturbereich von 160°C bis 600°C zulässig ist. Der Referenzprobensatz steht öffentlich zur Verfügung und es wird erwartet, dass der Probensatz verbessert werden kann, wenn er um Proben aus der wissenschaftilchen Gemeinschaft erweitert wird. Wenn beide Ansätze, die STA-RSCM Methodik und der Referenzprobensatz, miteinander kombiniert werden, erhöht sich die Vergleichbarkeit zwischen den Laboren und gleichzeitig steht diese geothermometrische Methode allen Laboren zur Verfügung.