Alunskiffer på Öland – stratigrafi,
utbredning, mäktigheter
samt kemiska och fysikaliska
egenskaper
Niklas Brådenmark
Examensarbeten i geologi vid Lunds universitet,
kandidatarbete, nr 348
(15 hp/ECTS credits)
Geologiska institutionen
Lunds universitet
2013
Alunskiffer på Öland – stratigrafi,
utbredning och mäktigheter samt
kemiska och fysikaliska egenskaper
Kandidatarbete
Niklas Brådenmark
Geologiska institutionen
Lunds universitet
2013
Innehåll
1
2
3
4
5
6
Introduktion ....................................................................................................................................................... 5
Metoder ............................................................................................................................................................... 5
Bakgrund ............................................................................................................................................................ 5
Tektoniska förhållanden .................................................................................................................................... 6
Sedimentologi och avsättningsmiljö ................................................................................................................. 6
Förutsättningar för gasbildning ........................................................................................................................ 7
6.1 Mognadsgrad
7
6.2 Typ av kerogen
7
6.3 Vitrinitreflektans
8
6.4 Organiskt innehåll
8
6.5 Permeabilitet
8
6.6 Geokemiska egenskaper
8
7 Öland ................................................................................................................................................................... 9
7.1 Utbredning och mäktighet
9
7.2 Litologi
10
7.3 Bergartsbeskaffenhet
11
7.4 Spårämnen
11
7.5 Kerogen
11
8 Diskussion ......................................................................................................................................................... 11
9 Slutsats .............................................................................................................................................................. 12
10 Tack ................................................................................................................................................................. 12
11 Referenser ....................................................................................................................................................... 12
Omslagsbild: Alunskiffer med orsten. Foto: Per Ahlberg.
Alunskiffer på Öland – stratigrafi, utbredning och mäktigheter
samt kemiska och fysikaliska egenskaper
NIKLAS BRÅDENMARK
Brådenmark, N., 2013: Alunskiffer på Öland – stratigrafi, utbredning, mäktigheter samt kemiska och fysikaliska
egenskaper, Examensarbeten i geologi vid Lunds universitet, Nr. 348, 13 sid. 15 hp.
Sammanfattning: Utvinning av naturgas ur skiffer ses sedan början av 2000-talet som en energikälla med växande
potential på flera håll i världen. Den öländska alunskifferformationen har undersökts för att utreda om det finns
naturgas att utvinna även här. En kort beskrivning av skiffergas som okonventionell gaskälla och skillnader mellan
olika typer av naturgas följs av en mer ingående beskrivning av sedimentationshistorik. Alunskiffern är lokalt en 24
m mäktig formation med upp till 12 % organiskt material, detta tack vare de syrefria förhållanden som rådde vid
tiden för deposition av alunskiffern. Förutom det organiska innehållet har skiffern en hög svavelhalt som ibland
uppgår till 14 %, samt innehåller en rad andra spårämnen såsom järn, kadmium, koppar och zink. Övriga förutsättningar för bildning av naturgas, främst i avseende kerogentyp och termal mognadsgrad introduceras och den
öländska skifferns egenskaper i dessa avseenden presenteras och diskuteras. Höga halter av spårämnen hos skiffern
på Öland visar även på potentiella miljörisker, och då framförallt föroreningar av yt- och grundvatten, vid borrning
i alunskiffern och utvinning av naturgas på Öland.
Nyckelord: Alunskiffer, kambrium, biogen gas, Öland, skiffergas.
Handledare: Mikael Erlström och Per Ahlberg.
Ämnesinriktning: Berggrundsgeologi.
Niklas Brådenmark, Geologiska istitutionen, Lunds universitet, Sölvegatan 12, 223 62 Lund, Sverige.
E-post: [email protected]
Alum Shale on Öland – Stratigraphy, distribution, thicknesses,
and chemical and physical properties
NIKLAS BRÅDENMARK
Brådenmark, N., 2013: Alum Shale on Öland – Stratigraphy, distribution, thicknesses, and chemical and physical
properties. Dissertations in Geology at Lund University, No. 348, 13 pp. 15 ECTS credits.
Abstract: Extraction of natural gas from shale has grown since the early 2000s as a source of energy with growing
potential in several parts of the world. The Alum Shale formation has been investigated to clarify the potential for
extracting natural gas on the island of Öland, Sweden. A brief description of shale gas as unconventional energy
source and the differences between various types of natural gas is followed by a more detailed description of sedimentation history. Alum shale is locally a 24 m thick formation with up to 12% organic matter, thanks to the anoxic
conditions prevailing at the time of deposition of the Alum Shale. In addition to the organic content the shale has a
high sulfur content, sometimes reaching up to 14%, and contains a number of other trace elements such as iron,
cadmium, copper and zinc. Conditions for the formation of natural gas, primarily in respect of kerogen type and
thermal maturity are introduced, and the properties of the Alum Shale in these areas are presented and discussed.
High concentrations of trace elements in the shale on Öland also shows potential environmental risks, especially
pollution of surface- and groundwater during drilling in Alum Shale and extracting natural gas on Öland.
Keywords: Alum Shale, Cambrian, biogenic gas, Öland, shale gas.
Niklas Brådenmark, Department of Geology, Lund University, Sölvegatan 12, SE-223 62 Lund, Sweden.
E-mail: [email protected]
Alunskiffern förknippas idag med utvinning av s.k.
skiffergas som har sitt ursprung i två olika processer.
Skiffergas som bildas genom termisk omvandling på
större djup i berggrunden. Den andra formen är biogen
skiffergas likt den som påträffas på Öland, som bildas
genom bakteriell nedbrytning av biologiskt material
närmare markytan (Buchardt et al. 1997). Syftet med
den här studien har förutom att sammanställa resultat
gällande alunskiffers bildningssätt och innehåll, varit
att producera resultat angående potentiella biogena
gasfyndigheter samt kort diskutera utvinningens eventuella miljökonsekvenser.
1 Introduktion
Skiffer av mellankambrisk till tidig ordovicisk ålder i
Sverige finns lokalt från Skåne i söder till Lappland i
norr, se figur 1. Alunskifferformationen är omkring 20
meter tjock men kan vara upp till 100 meter tjock på
sina håll, bl.a. i områden i Skåne och i Osloområdet
(Andersson et al. 1985). Formationen domineras av
svart organisk skiffer men innehåller också lersten och
lerskiffer samt underordnade kalk- och siltstenshorisonter (Buchardt et al. 1997). Större kalkstenskonkretioner, s.k. orstenar, är också allmänt förekommande.
Bergarten alunskiffer som även gett formationen dess
na mn, i ntro d ucer ad es för ö ver 30 0 år sed an
(Andersson et al. 1985) och härrör från utvinningen av
alunsalt (kaliumaluminiumsulfat). Produktionen baseras på alunskifferns höga pyrit- och illitinnehåll. Genom rostning vid hög temperatur reagerar pyrit till
svavelsyra som vidare, efter tillsättning av vatten reagerar med illit för att bilda kaliumaluminiumsulfat.
Förutom pyrit är även alunskiffern rik på organiskt
material. Det organiska innehållet varierar mellan 5
och 20 % (Andersson et al. 1985) och gjorde alunskiffern intressant för framställning av olja redan kring
1890-talet (Hessland & Armands 1978; Buchardt et
al. 1997).
2 Metoder
Studien baseras helt på en genomgång av litteratur och
rapporter som behandlar alunskifferns uppbyggnad
och förutsättningar för bl.a. skiffergas. Fokus har varit
att sammanställa information om fysikaliska och kemiska egenskaper.
3 Bakgrund
Skiffergas är naturgas som bildas och stannar kvar i
skiffern. Skillnaden från konventionella gaskällor är
att skiffern fungerar både som en moderbergart, reservoar och takbergart för gasen. I konventionella gaskällor ansamlas gas och olja i porösa reservoarbergarter där det finns en geologisk struktur och tät överlagrande berggrund, s.k. takbergart som hindrar att gasen
eller oljan fortsätter att migrera uppåt mot markytan.
Nya tekniker som hydraulisk spräckning (”fracking”)
innebär att man borrar vertikal till en början och sedan
horisontellt in i skifferformationen. Därefter pumpas
vatten, sand och i vissa fall kemikalier ner i borrhålet
under högt tryck vilket får skiffern att spricka upp. De
bildade sprickorna hålls öppna med hjälp av sanden
som tar sig in i hålrummen. Tryckskillnader gör sedan
att gas naturligt leds upp genom det borrade hålet där
den kan förvaras och vidarebefordras. Fracking kan
vara ett alternativ till gasutvinning på Öland men troligtvis är det inte nödvändigt då gasen ligger väldigt
ytligt.
Biogen gas bildas när mikroorganismer bryter ner
organiskt material i syrefattiga miljöer. Fotosyntes är
källan för det biologiska materialet i den fotiska zonen.
När detta material når havsbotten är det oftast som
polysackarider, lipider eller proteiner (Floodgate &
Judd 1992). De bryts i sin tur ner och oxideras till kortare dimerer eller monomerer av bakterier som använder exo-enzymer i denna process. Biogen gas produceras kontinuerligt i sedimenten om rätt förhållande råder och är även en recent process. I detta fall produceras metan istället i syrefria grundvattenmiljöer. Gasen
löses i grundvatten p.g.a. av överliggande sediments
tryckpåverkan. Nedbrytningen utförs av en typ av
arkebakterier, s.k. metanogena bakterier. Detta kan ske
på olika sätt men oftast genom följande två processer.
Många av dem kan reducera koldioxid till metan med
hjälp av väte (Whiticar et al. 1986; Floodgate & Judd
1992). Den andra huvudreaktionen är omvandling av
Fig. 1. Förekomsten av alunskiffer i Sverige, här markerad i
svart. Från Andersson et al. (1985).
5
koldioxid till ättiksyra vilket i sin tur kan fermenteras
till metangas (Whiticar et al. 1986; Floodgate & Judd
1992).
När havsbottens förhållanden förblir syrefria måste
andra ämnen än syre reduceras för att organiskt material ska kunna brytas ned. Bland dessa ämnen finns t.ex.
koldioxid som nämns ovan, men också joner som nitrater, sulfater och vissa grundämnen som järn. I havsbottenmiljö finns ofta rikligt med sulfater och ungefär
50 % av det organiska materialet oxideras och bryts
ned genom att elektroner tas upp av sulfater som istället bildar sulfider (Floodgate & Judd 1992).
mått av dextral strykningsförkastning. I nordöst mot
Sibiria pågick subduktion. I övrigt hade kontinenten
passiva plattgränser. Omkring 480 Ma, öppnade Iapetushavet upp sig något samtidigt som Tornquisthavet
spreds mellan nordvästra Gondwana och Baltica, då
Tornquistzonen aktiverades. Tornquisthavet uppges till
slut ha sträckt sig ca 1300 km (Cocks & Torsvik
2002). Under senkambrium fram till tidiga ordovicium
roterade Baltica moturs. Alunskifferformationen deponerades tidigt under denna rotation som också
gjorde att Tornquisthavet mot slutet angränsade till
vad som idag är södra Skandinavien.
På flera håll i Skandinavien kan man se alunskifferformationen orörd ovanpå det peneplaniserade prekambriska urberget (Thickpenny 1984; Buchardt et al.
1997). Längs den kaledoniska fronten är alunskifferns
delvis begravd av skollberggrunden medan den på
andra håll bevarats i förkastningsavgränsade områden
eller som erosionsrester under lagergångar (Buchardt
et al. 1997). Det bör dock tydliggöras att ingenting
pekar på plattektonisk aktivitet under perioden för
alunskifferns avsättning utan endast postdepositionella
rörelser. På Öland syns den del av alunskiffern som
bevarades i norra delen av det randtråg som bildades
framför Kaledoniderna. Denna sträcker sig åt nordöst
mot Gotland (där alunskiffern hittas i borrhål) och i en
båge mot Estland.
4 Tektoniska förhållanden
För att förstå hur alunskifferformationen bildats är det
viktigt att förstå hur den storskaliga tektoniken såg ut.
I slutet av prekambrium separerades Baltica från superkontinenten Rodinia och existerade som självständig kontinent i stort sett utan aktiva plattgränser fram
till silurisk tid, se figur 2. Då kolliderade Baltica med
Laurentia och Avalonia vilket stängde Iapetus- och
Tornquisthavet (Buchardt et al. 1997; Cocks & Torsvik 2002). Denna tektoniska kollision har direkt avgränsat och deformerat depositionsområdet söder- och
västerut. I öst och sydöst begränsas området av den
antiklinal som uppstod i samma kollision. Här blir
också stora delar av södra Skandinavien omvandlat till
det randtråg som uppstod framför Kaledoniderna,
Vid tiden för deposition av alunskiffern låg Baltica
söder om ekvatorn 37°–47° och var roterad 170° jämfört med dagens geografiska läge (Buchardt et al.
1997; Cocks & Torsvik 2002). I nordöst fanns Aegirhavet som separerade Baltica från Sibirien. Iapetushavet låg sydväst om Baltica där det separerade
kontinenten från Gondwana. Den sistnämnda gränsen
mellan Gondwana och Baltica tros ha innehållit ett
5 Sedimentologi och avsättningsmiljö
Sedimenten som deponerades under tidiga paleozoikum finns antingen som exponerade eller begravda
sediment på land men också exponerade på havsbotten
i Östersjön. Dessa anses vara kustnära och grovklastiska depositioner varvade med leravlagringar och kalkavlagringar i ett epikontinentalt hav (Thickpenny
Fig. 2. Balticas position på södra halvklotet under tidigordovicisk (480 Ma) och senkambrisk tid (500 Ma). Modifierad från
Cocks & Torsvik (2002).
6
1984; Buchardt et al. 1997). Thickpenny (1984) beskriver alunskifferformationen som ett vid depositionstillfället 2000 km gånger 800 km stort område före
Kaledonidernas förkortande effekt och påföljande
erosion.
Alunskiffern har normalt högt organiskt innehåll
och mycket lite bioturbation förutom i Skåne där trilobiter är vanliga (Thickpenny 1984). Lokalt förekommer också silt- och finkorniga sandlamina innehållande glaukonit- och fosfathaltiga klaster samt fragmentariska bioklaster. Detta tolkas som låg sedimentationshastighet och ett grunt hav (Thickpenny 1984;
Buchardt et al. 1997).
Litostratigrafin i alunskifferformationen pekar på
att lersten med lågt organiskt innehåll varvat med lamina av sandigare sediment var mer vanligt under
mellankambrisk tid. Kalkstenskonkretioner var mer
vanligt under senkambrium för att senare upphöra under tremadoc (tidigt ordovicium) där det helt saknas
kalkkonkretioner och finkornigt silliciklastiska sediment återigen blir dominant (Westergård 1944; Thickpenny 1984).
Utveckling med finkorniga sediment och ibland
kalkstensavlagringar gör det tydligt att alunskifferformationen avsattes i lågenergimiljö. Ingenting i litteraturen nämns angående hummocky cross stratifications utan snarare oftast perfekt parallella lamina vilken
torde betyda avsättning under stormvågbasen. Avsaknaden av bioturbation och högt organiskt innehåll tyder på anoxiska bottenförhållanden. Thickpenny
(1987) föreslår att innehållet av pyrit skulle betyda att
havet periodvis innehåll fritt vätesulfid vilket ytterligare förstärker bevisen för ett epikontinentalt hav.
Fig. 3. Olika typer av gas genereras vid olika tryck och temperatur i diagenesens tidiga stadie bildas biogen gas på
grunda djup och låga temperaturförhållanden. Termisk, eller
torr, gas bildas vid metagenetiska förhållanden strax över
150°C på drygt 1 km djup. Från Boyer et al. (2006).
6 Förutsättningar för gasbildning
et al. 2006). Olja av kerogen typ 1 och 2 samt en
blandning av olika gaser som metan, butan och propan
produceras vid dessa temperaturer. Nästa steg, metagenes, producerar termisk gas med mycket lågt väteinnehåll. Termisk gas är oftast ren metangas, och en restprodukt som gått från kerogen till kol. Processen producerar även andra gaser såsom koldioxid, kvävgas.
6.1 Mognadsgrad
Efterhand som organiska sediment begravs av ovanliggande sediment ökar tryck och temperatur i moderbergarten. Över tid och ibland med hjälp av kemikalier
omvandlas det organiska materialet till kerogen och
sedan olja eller gas. Oavsett typ av kerogen gör nedbrytningen att det bildas kortare och lättare kolvätekedjor och förhållandet väte-till-kol ökar och det bildas metangas. Efter detta bryts kerogenet ner till ren
grafit.
I det första stadiet av kerogenets uppvärmning,
diagenes, bildas biogen gas utan bildning av kerogen,
se figur 3. Det sker på mycket grunda djup och temperaturer är låga, upp till 50° C (Boyer et al. 2006). I
diagenesens tidiga stadie finns ibland svavelföreningar
eftersom det behövs i nedbrytningsprocessen då det
ofta rör miljöer där syre annars skulle brutit ned det
biologiska materialet. Svavel i olika kombinationer
reagerar ofta med järn tillgängligt från lermineraler för
att bilda olika sulfider som pyrit. I fallet alunskiffer på
Öland bildas också sulfider med koppar-, zink, bly och
kadmium (Falk et al. 2006). Katagenes är nästa stadie
av nedbrytning och det sker mellan 50- 150 °C (Boyer
6.2 Typ av kerogen
För att det ska bildas kolväten i skifferberggrund krävs
det först och främst att det innehåller organiskt material. Den typ av kolväten som bildas, (gas, olja eller kol)
beror till stor del på vilken typ av, och mängd av, organiskt material som finns tillgängligt. I syrefattiga miljöer såsom sjöar eller havsbotten har detta material
störst möjlighet att bevaras. Efterhand som det organiska materialet begravs av ovanliggande sediment ger
tryck och temperaturökningar upphov till en förändring av framför allt lipider och lignin (Killops &
Killops 2005). Produkten blir kerogen och det finns tre
olika typer som beroende på mognadsgrad genererar
gas, olja, kol eller en kombination av de tre. En god
indikator på kerogentyp är dess förhållande mellan
mängden kol och väte samt mellan kol och syre. Generellt kan sägas att en högre väte-till-kol-kvot (över 1,5)
7
producerar olja och en lägre producerar gas. Om väteinnehållet är alltför lågt produceras vad som kallas död
kol som har mycket lite potential som energikälla
(Boyer et al. 2006). Kerogen typ 1 består ofta av sjöeller havsbottensediment och därför till stor del lipider,
ofta från alger eller plankton. Denna typ har en hög
väte-till-kol-kvot (>1,5) och låg (<0,1) syre-till-kolkvot (Durand & Monin 1980; Killops & Killops
2005), se figur 4. Kerogen typ 2 är framför allt en indikation på havsbottensediment och kommer ofta av
planktonrika miljöer (Boyer et al. 2006). Typ 2 har
nästan samma höga väte-kol-kvot som typ 1 samt något lägre syre-kol-kvot. Typ 2 har dock högre bevaringspotenial. Typ 3 kerogen producerar mest gas och
det på grund av sitt låga väte-till-kol-förhållande
(Durand & Monin 1980; Killops & Killops 2005).
Denna signatur erhålls eftersom den mest består av
terrestriskt växtmaterial som begravts antingen i sjöar
eller hav (Boyer et al. 2006). En grov generalisering är
att gas produceras mest ur kerogen 3 och olja mest
produceras ur kerogen 1 och 2. Skifferformationer, ex.
alunskiffer, tenderar att producera blandningar av typ
2 och 3 (Boyer et al. 2006).
bergart för termisk gas (Boyer et al. 2006) medan densamma för olja ligger mellan 0,6–0,8 %. Vitrinitreflektans under 0,6 % indikerar omogna sediment och förutsättningar för biogen gas. Vitrinitreflektans kan utmätas på kärlväxter från silurisk tidsperiod eller senare. Fler forskare (Buchardt & Lewan 1990; Buchardt et al. 1994) har föreslagit att man kan göra
samma typ av mätning på vitrinitliknande material
som finns i alunskiffern från äldre sediment (från kambrium till ordovicium) som innehåller alger och alltså
uppskatta tryck- och temperaturer även här.
6.4 Organiskt innehåll
Högt organiskt innehåll är naturligtvis ett villkor för
att det ska kunna bildas gas och olja men ingen garanti. En undre gräns på 2 % organiskt material (total
organic carbon, TOC) i skiffer antas av Buchardt et al.
(1994) och Boyer et al. (2006) för att det ska vara ekonomiskt försvarbart att utvinna kolväten men siffran
torde minska allteftersom metoder förfinas.
6.5 Permeabilitet
Skiffern permeabilitet spelar roll i den mån att den
måste fungera som en takbergart för att fånga gasen
men också behålla nog med sprickbildningar så att
gasen kan extraheras (Rokosh et al. 2009). Det bygger
på att gasen sprids till matrix med hög permeabilitet
vilket ökar gasens diffusionshastighet och därmed produktionshastighet för ett och samma borrhål. Osorterat
sediment med en stor procenthalt finkornigt material
minskar porutrymmet och ökar vattenmängden. Detta i
sin tur gör att gas diffunderar långsammare. Det som
gör att gasen kan spridas och därmed samlas upp
snabbare är framförallt när kornstorleken ökar eller när
bergarten innehåller mycket sprickor Biogen metangas
är lättare än luft och transporteras därför naturligt
uppåt genom sedimenten tills den stöter på någon typ
av barriär med låg permeabilitet. Gasen flyttar sig genom sedimenten också genom att sprida sig till områden med lägre tryck och temperatur (Abbasi & Campbell 2012). Även detta regleras ytterst av mer eller
mindre permeabla barriärer. Om skiffern är tillräckligt
tät binds gasen istället i mikroskopiska porutrymmen
utan att migrera.
6.6 Geokemiska egenskaper
Kerogenets innehåll av väte, syre och kol kan mätas
genom en stegvis uppvärmningsprocess (Boyer et al.
2006). Det kan vara ytterligare en indikator på vilket
typ av kerogen som finns tillgängligt samt om skiffern
i fråga är en bra moderbergart. Det är också möjligt att
uppskatta hur mycket kolväten som kan destilleras
fram per gram sediment men alltså även mäta mängden obundet väte, hur syrerikt materialet är (vilket
pekar på hur mycket gas som finns tillgängligt) och
hur mycket kolväten som maximalt skulle kunna produceras i detta sediment under optimala förhållanden.
Fig 4. Bilden visar tre olika kerogentyper och dess förhållanden mellan väte/kol (y-axeln) samt syre/kol (x-axeln). I rött
markeras alunskifferns medelvärden av väte/kol tillsammans
med ett generellt värde för skandinaviskt alunskiffer för
syre/kol. Modifierad efter Buchardt & Lewan (1990).
6.3 Vitrinitreflektans
Vitrinit är ett glansigt material och produkten av att
lignin eller cellulosa förändras när det värms upp. Dess
(och därmed kerogenets) förmåga att reflektera ljus är
en god indikator för paleotemperaturer i sedimenten.
En reflektans över 1,5 % t.ex. indikerar en god moder8
ner strax nordost om Färjestaden, 20 km norr om Mörbylånga. Formationen är mäktigast i de sydvästra delarna av Öland vilket också understryks av att delar av
den helt saknas österut i Böda och på Gotland, men
däremot hittats på Smålands östsida (Dahlman &
Eklund 1953). Formationen lutar ca 1° åt sydost
(Andersson et al. 1985). Alunskifferformationen på
södra Öland delas in i fyra delar (Westergård 1944;
Dahlman & Eklund 1953) från botten och uppåt enligt
följande: paradoxidesskiffer, olenidskiffer, dictyonemaskiffer och slutligen ceratopygeskiffer. Andersson et al. (1985) benämner de två bottenskiffrarna till-
7 Öland
7.1 Utbredning och mäktighet
Alunskifferformationen på Öland är mindre än 2 meter
mäktig i norr men i söder kring Ottenby är den uppemot24 meter (Westergård 1944; Dahlman & Eklund
1953). Se tabell 1 för mäktigheter och även figur.5 och
6 för litostratigrafi samt utbredning. Vid Degerhamn är
mäktigheten upp till 17 meter men redan 4 km sydost
om Mörbylånga är den endast 6 meter. Alunskifferformationen utgör berggrundsytan längs Ölands sydvästkust i nord-sydlig riktning, smalnar av och försvin-
Fig 6. Alunskifferns utbredning på Öland. Mörkt grå färg
visar var skiffern kommer i dagen. Från Westergård (1944).
Fig 5. Typborrhål för summering i denna rapport. Lägg märke till att orstensfrekvensen blir
högre i olenid- och paradoxidesskiffern. Från
Westergård (1944).
Tabell 1. Borrhålsdjup i olika delar av Öland. Borrhålet i Ottenby står som typborrhål i hela uppsatsen, inte bara vad gäller mäktighet utan även procenthalt etc. i löpande text. Siffror efter Westergård (1944).
Fig 6 Från Westergård (1944). Alunskifferns utbredning på Öland. Mörkt grå färg visar var skiffern
9
sammans som ”a lower black shale unit with high frequency of stinkstone” medan de övre två benämns som
”black shales with subordinate stinkstone”. I denna
uppdelning är mäktigheten ca 14 meter för den undre
enheten och ca 10 för den övre.
främst i de övre delarna av alunskiffern. Pyrit finns
spritt i formationen men också som linser lokalt och
dess utbredande minskar (likt svavelhalten) uppåt i
formationen (Westergård 1944; Dahlman & Eklund
1953; Thickpenny 1984).
I alunskifferformationen ingår två andra litostratigrafiska enheter: Kakeledskalkstenen och Exporrectakonglomeratet. Den sistnämnda utgör delar av
paradoxidesskiffern (ibland uppemot 0,15 m (Nielsen
& Schovsbo 2006). Konglomeratets matrix är karbonathaltigt men innehåller ibland både sand och glaukonit. Klaster består bland annat av fosforit. Gränserna
mot den svarta skiffern markeras av diskontinuitetsytor (Nielsen & Schovsbo 2006).
Kakeledskalkstenen består av mörkt grå till svart
orsten som varvas med svart lersten. Den avgränsas
uppåt och neråt av svart lersten. Bottenytan markeras
7.2 Litologi
Alunskiffern består av svart lersten med högt organiskt
innehåll. Det senare finns normalt som hoppressade
lamina i delvis osammanhängande strukturer. Tunna
laminationer har skapats av mindre skiftningar i kornstorlek, lermineralogi och organiskt material. Laminationer är parallella och bergarten saknar bioturbation
(Thickpenny 1984; Buchardt et al. 1994). Bergartens
mineralogi domineras av illit, quartz, kalifältspat och
pyrit (Thickpenny 1984). Kalifältspat finns både som
vittringsprodukt men också som autigent material
Fig 7. Värden för vitrinitreflektans (V0) visar omogna värden för Öland som i stort sett ligger inom gränsen för produktion av
biogen gas, 0,5–0,6%. H/C visar förhållandet mellan väte/kol vilket ger indikationer på kerogen typ 2. Tabellvärden från Buchardt et al. (1994) samt Buchardt & Lewan (1990).
10
dessutom av en skarp diskontinuitetsyta. På sina håll är
Kakeledskalkstenen konglomeratisk och delar på centrala Öland upp sig i flera tunnare linser (Nielsen &
Schovsbo 2006).
zink (Westergård 1944; Falk et al. 2006).
7.5 Kerogen
Geokemisk analys på atomär nivå har visat att alunskifferns väte-till-kol-kvot är omkring 1,1 med en
standardavvikelse på 0,1 (Buchardt et al. 1994). Specifikt för Öland ligger dessa värden på 1-1,05 (Buchardt
& Lewan 1990), se figur 4. Ett specifikt värde för
syre-till-kol-kvot har hittats relaterat till skandinavisk
alunskiffer i allmänhet och det ligger på 0,07 med en
standardavvikelse på 0,01 (Buchardt & Lewan 1990).
Vitrinitreflektans för alunskiffern är uppmätt mellan
0,5 till 0,6 enligt Buchardt och Lewan (1990) och till
0,6 av Buchardt et al. (1994). Reflektansen ökar söderut längs ön från Djupvik (0,32-0,44) till Ottenby
(0,59-0,69) och fortsätter även öka söderut i östersjöområdet (Buchardt et al. 1994), se figur 7.
7.3 Bergartsbeskaffenhet
Orsten är upp till 2 meter i diameter ellipsformade
konkretioner, ofta bestående av mer än 80 % kalciumkarbonat (Thickpenny 1984). De består till en mindre
del även av organiskt material men i övrigt av lermineral. Kornstorleken hos orstenen är ofta arenitisk
(medelkornig) i mitten för att bli allt större mot ytterkanterna. Orstenarna är generellt medelkristallina i de
inre delarna och grovkristallina i de yttre. Orsten i ceratopyge- och dictyonemaskiffern är mycket ovanliga
men vanligare i bottenzonerna och då framförallt i
olenidskiffern. Drygt 60 % av lagerföljden består lokalt av orstensbankar och lager. Paradoxidesskiffern
som är den första av alunskifferns zoner består på sina
håll bara av ett tunt orstenskonglomerat varför den har
utelämnats i vissa undersökningar, exempelvis Dahlman & Eklund (1953). Gränser mellan kalksten och
skiffer är ofta skarp. Halten kalciumkarbonat uppgår
ibland till 2 volymprocent i olenidskiffern (Westergård
1944) men ligger oftast kring 0,5 % (Dahlman &
Eklund 1953).
Det organiska innehållet i den öländska skiffern
varierar mellan 9 och 12 % (Dahlman & Eklund 1953;
Andersson et al. 1985) vilket är högt med tanke på att
skiffern idag under fördelaktiga förhållanden kan innehålla gas av kommersiella mängder vid så låga halter
organiskt material som 2 % (Buchardt et al. 1994).
Generellt för den skandinaviska alunskiffern är att dess
organiska innehåll är högst i de överkambriska lagren
(Westergård 1944; Thickpenny 1984).
Oljehalten uppgår till mellan 2-3% (Andersson et
al. 1985) vilket är lågt jämfört med alunskiffer på
andra håll i landet. Värmevärdet (den energi som kan
utvinnas när skiffern förbränns) anses också enligt
äldre litteratur vara lågt på Öland (Westergård 1944;
Dahlman & Eklund 1953).
8 Diskussion
Vitrinitreflektansvärden ligger omkring 0,5-0,6 och
pekar på omogna sediment. Kerogenet är troligtvis typ
2 med högt organiskt innehåll. Fler faktorer pekar åt
att alunskiffern på Öland består av omogna sediment,
ex. den höga svavelhalten som ibland uppgår till 14 %.
Höga svavelhalter är också detta typiskt för tidiga stadier av diagenetiska omvandlingar.
Av de fyra zonerna (paradoxidesskiffer, olenidskiffer, dictyonemaskiffer och ceratopygeskiffer) som
definierats är det sannolikt i olenidskiffern de bästa
förutsättningarna finns då det har högst organiskt innehåll tillsammans med höga svavelhalter. Oljehalten
rapporteras vid flera tillfällen vara marginellt lägre i
olenidskiffern och dessutom minska åt sydost
(Westergård 1944; Dahlman & Eklund 1953). Då det
är osannolikt att den underliggande olenidskiffern
skulle utsatts för mindre tryck under geologisk tid är
detta troligtvis en konsekvens av små skillnader i kerogentyp. I avseendet biogen gas och med tanke på oljehaltens ringa storleksordning torde det spela mindre
roll.
Vidare undersökningar bör göras för att uppskatta
mängder gas som kan extraheras ur Ölands berggrund.
Ytterst begränsas såklart mängden av volymen skiffer
som finns tillgänglig och faktum kvarstår att Ölands
alunskifferformation är relativt tunn, upp till 24 meter
som mäktigast. Joseph och Jochen (2005) uppger t.ex.
att en skiffer aktuell för prospektering bör vara minst
100-200 meter. Detta bör ses i ljuset av att alunskiffern
på Öland alltså är mindre än två meter i norr. Den areella utbredningen med potential för utvinning av biogen gas sträcker sig heller inte långt. Söderut ökar
mognadsgraden (vitrinitreflektansen) långt över vad
som är lämpligt för produktion. Detta som en följd av
större begravningsdjup i det randtråg som uppstod vid
bildning av Kaledoniderna. Värden som indikerar potential för utvinning av termisk gas kan mycket riktigt
hittas vid Polens kust (Buchardt et al. 1994).
För att kunna kvantifiera och värdera gasfyndigheter på Öland borde undersökning göras angående fram-
7.4 Spårämnen
Alunskifferformation har generellt en hög svavelhalt.
Halterna uppgår i medeltal till 10-14 % i de nedre två
zonerna och, ca 2-3 % i de två övre (Westergård 1944;
Andersson et al. 1985).
Järnhalten varierar mellan 4 och 9 % och är högst i
olenidskifferzonen (Westergård 1944; Andersson et
al. 1985). Vanadin förekommer mest i ceratopyge- och
dictyonemaskiffern. Halter mellan 3000 och 3000 ppm
har uppmätts i de ordoviciska delarna (Westergård
1944; Andersson et al. 1985).
Uranhalten i den öländska skiffern är lägre än på
många andra håll i landet (Westergård 1944). Halterna
är störst, i en tunnare del av olenidskifferlagret där de
uppgår till 100 ppm (Andersson et al. 1985). Andra
spårämnen som påträffas i mindre mängder i alunskiffern är t.ex. molybden, nickel och kobolt kadmium och
11
förallt permeabilitet och porositet. Typ av lera har stor
betydelse om det skulle bli aktuellt att hydrauliskt
spräcka berggrunden. Alunskifferns höga illit- och
kvartsinnehåll gör den bräcklig, mindre töjbar och
lättare att spräcka hydraulisk om det skulle bli aktuellt.
När man borrar ner till och utvinner gas ur alunskiffern som innehåller spårämnen av bland annat kadmium, nickel, zink finns risk för att dessa ämnen förorenar vatten och atmosfär. Alunskiffern bildades under
syrefria förhållanden där istället sulfatjoner reducerades till järnsulfider. Andra sulfider som bildades var
koppar-, zink-, bly-, kadmiumsulfider (Falk et al.
2006). Vid borrningar ner till alunskiffern kommer
sedimenten återigen i kontakt med syre och vatten
vilka kan bilda svavelsyra och fria ovan nämnda tungmetaller till grund- och ytvatten. Svavelsyran kan lösa
upp sillikatmineraler och kerogen som också släpps ut
i omgivningen när de löses upp. Falk et al. (2006) har
visat att vittrad alunskiffer i närheten av borrhål i Degerhamn innehåller lägre halter av kadmium, koppar,
nickel och zink samtidigt som grund- och ytvatten har
halter av dessa ämnen som ligger nära eller över vad
som anses acceptabelt för dricksvatten i Sverige. Hur
stora mängder av dessa tungmetaller som skulle kunna
frigöras vid borrning efter biogen gas på Öland och
vidare vilka effekter det skulle ha på miljön är något
som vidare borde utredas innan utvinning sker.
10 Tack
Jag vill tacka mina handledare Per Ahlberg och Mikael
Erlström för handledning och hjälp genom hela projektet samt för att tipsat om och tillhandahållit litteratur. Genom diskussioner och idéer till nya infallsvinklar har arbetet fått större djup och ett bättre sammanhang.
11 Referenser
Abbasi, R. & Campbell, A., 2012: Evaluation of Biogenic Methane: A Guidance Prepared for the Evaluation of Biogenic Methane in Constructed Fills
and Dairy Sites. California Environmental Protection Agency Department of Toxic Substances Control
Andersson, A., Dahlman, B., Gee, D. G. & Snäll, S.,
1985: The Scandinavian alum shales. S v e r i g e s
Geologiska Undersökning Ca 56, 1–50.
Boyer, C., Kieschnick, J., Suarez-Rivera, R., Lewis, R.
E. & Waters, G., 2006: Producing Gas from its
source. Oilfield review 18, 36–49.
Buchardt, B. & Lewan, M. D., 1990: Reflectance of
vitrinite-like macerals as a thermal maturity index
for Cambrian-Ordovician Alum Shale, southern
Scandinavia. American Association of Petroleum
Geologists Bulletin 74, 394–406.
Buchardt, B., Nielsen, A. T. & Schovsbo, N. H., 1997:
Alun Skiferen i Skandinavien. Geologisk Tidsskrift
3, 1–30.
Buchardt, B., Nielsen, A. T., Schovsbo, N. H. & Wil
ken, U. G., 1994: Source rock potential and thermal maturity of Lower Paleozoic black shales in
Southern Baltoscandia. BMFT-project 032 66686
B Pre-Westphalian source rocks in northern
Europé. Geological Institute, Copenhagen. 58 pp.
Cocks, L. R. M. & Torsvik, T. H., 2002: Earth geography from 500 to 400 million years ago; a faunal
and palaeomagnetic review. Journal of the Geological Society of London 159, 631–644.
Dahlman, B. & Eklund, J., 1953: Sveriges uranförande alunskiffrar. Unpublished report, Sveriges Geologiska Undersökning. 37 pp.
Durand, B. & Monin, J. C., 1980: Elemental analysis
of kerogens (C, H, O, N, S, Fe). Editions Technip.
Falk, H., Lavergren, U. & Bergbäck, B., 2006: Metal
mobility in alum shale from Öland, Sweden. Journal of geochemical exploration 90, 157–165.
Floodgate, G. D. & Judd, A. G., 1992: The origins of
shallow gas. Continental Shelf Research 12, 1145–
1156.
Hessland, I. & Armands, G., 1978: Alunskiffer: underlagsmaterial geologi. Vol. 1. utredning från Statens
industriverk. SIND.
Joseph, J. H. F. & Jochen, V., 2005: When your gas
reservoir is unconventional so is our solution.
Schlumberger Oilfield Services. 10 pp.
Killops, S. D. & Killops, V. J., 2005: An introduction
to organic geochemistry. Blackwell Publishing.
Nielsen, A. T. & Schovsbo, N. H., 2006: Cambrian to
9 Slutsats
På Öland finns alunskiffer lokalt i söder med en mäktighet på över 24 meter. Dess organiska innehåll uppgår till så mycket som 12 %, vilket tillsammans med
fin, parallellaminerad kornstorlek pekar på en bildningsmiljö av anoxisk karaktär i lågenergimiljö under
stormvågbasen. Avsaknaden av bioturbation i sedimenten är ytterligare ett starkt argument för samma
sak.
Närmare undersökning av sedimentets sammansättning och termala historia pekar mot att alunskiffern
mestadels är av kerogen 2 typ, vilket är typiskt för
havsbottensediment. Vidare är dess motsvarighet till
vitrinitreflektans väldigt låg, mellan 0,32 och 0,69 %,
vilket pekar på diagenetiska förhållanden och låg upphettning upp till 50°C. Lokalt stiger dessa värden från
norr till söder.
Man kan konstatera att biogen gas finns att utvinna
på Öland. Tveksamheter till kommersiell utvinning av
densamma gäller dock dels dess ringa mäktighet och
areella utbredning då vitrinitreflektansen varierar inom
små distanser från norr till söder.
Vidare borde en riskutvärdering göras med tanke
på de spårämnen som har potential att åter nå grundoch ytvatten i när sulfider upplöses i kontakt med syre
och vatten. Svavelsyra kan bildas vid samma scenario
och kan i värsta fall delvis lösa upp silliciklastiska
bergarter.
12
basal Ordovician lithostratigraphy in southern
Scandinavia. Bulletin of the Geological Society of
Denmark 53, 47–92.
Rokosh, C. D., Pawlowicz, J. G., Berhane, H., Anderson, S. D. A. & Beaton, A. P., 2009: What is shale
gas? An introduction to shale-gas geology in Alberta. ERCB/AGS Open File Report. 1-26 pp.
Thickpenny, A. 1984: The sedimentology of the Swedish Alum Shales. In Stow, D.A.W. & Piper,
D.J.W. (eds.): Fine-grained Sediments: Deepwater
Processes and Facies, 511–525. Geological Society of London Special Publication 15.
Thickpenny, A. 1987: Palaeo-oceanography and depositional environment of the Scandinavian Alum
Shales: sedimentological and geochemical evidence. In Leggett, J.K. & Zuffa, G.G. (eds.): Marine Clastic Sedimentology–Concepts and Case
Studies, 156–171. Graham & Trotman, London.
Westergård, A. H., 1944: Borrningar genom alunskif ferlagret på Öland och i Östergötland 1943. Sveriges Geologiska Undersökning 463, 1–22.
Whiticar, M. J., Faber, E. & Schoel, M., 1986: Bioge
nic methane formation in marine and freshwater
environments: CO2 reduction vs. acetate fermenta
tion-Isotope evidence. Geochimica et Cosmochimi
ca Acta 50, 639–709.
13
Tidigare skrifter i serien
”Examensarbeten i Geologi vid Lunds
universitet”:
298. Hjulström, Joakim, 2012: Återfyllning av
borrhål i geoenergisystem: konventioner,
metod och material. (15 hp)
299. Letellier, Mattias, 2012: A practical
assessment of frequency electromagnetic
inversion in a near surface geological
environment. (15 hp)
300. Lindenbaum, Johan, 2012: Identification
of sources of ammonium in groundwater
using stable nitrogen and boron isotopes
in Nam Du, Hanoi. (45 hp)
301. Andersson, Josefin, 2012: Karaktärisering
av arsenikförorening i matjordsprofiler
kring Klippans Läderfabrik. (45 hp)
302. L u m e t z b e r g e r , M i k a e l , 2 0 1 2 :
Hydrogeologisk kartläggning av
infiltrationsvattentransport genom
resistivitetsmätningar. (15 hp)
303. Martin, Ellinor, 2012: Fossil pigments
and pigment organelles – colouration in
deep time. (15 hp)
304. Rådman, Johan, 2012: Sällsynta jordartsmetaller i tungsand vid Haväng på Österlen.
(15 hp)
305. Karlstedt, Filippa, 2012: Jämförande
geokemisk studie med portabel XRF av
obehandlade och sågade ytor, samt pulver
av Karlshamnsdiabas. (15 hp)
306. Lundberg, Frans, 2012: Den senkambriska
alunskiffern i Västergötland – utbredning,
mäktigheter och faciestyper. (15 hp)
307. T h u l i n O l a n d e r , H e n r i c , 2 0 1 2 :
Hydrogeologisk kartering av grundvattenmagasinet Ekenäs-Kvarndammen,
Jönköpings län. (15 hp)
308. Demirer, Kursad, 2012: U-Pb baddeleyite
ages from mafic dyke swarms in Dharwar
craton, India – links to an ancient
supercontinent. (45 hp)
309. Leskelä, Jari, 2012: Loggning och
återfyllning av borrhål – Praktiska försök
och utveckling av täthetskontroll i fält.
(15 hp)
310. Eriksson, Magnus, 2012: Stratigraphy,
facies and depositional history of the
Colonus Shale Trough, Skåne, southern
Sweden. (45 hp)
311. Larsson, Amie, 2012: Kartläggning,
beskrivning och analys av Kalmar läns
regionalt viktiga vattenresurser. (15 hp)
312. Olsson, Håkan, 2012: Prediction of the
313.
314.
315.
316.
317.
318.
319.
320.
321.
322.
323.
324.
325.
degree of thermal breakdown of limestone:
A case study of the Upper Ordovician
Boda Limestone, Siljan district, central
Sweden. (45 hp)
Kampmann, Tobias Christoph, 2012: U-Pb
geochronology and paleomagnetism of
the Westerberg sill, Kaapvaal Craton –
support for a coherent Kaapvaal-Pilbara
block (Vaalbara). (45 hp)
Eliasson, Isabelle Timms, 2012: Arsenik:
förekomst, miljö och hälsoeffekter. (15
hp)
Badawy, Ahmed Salah, 2012: Sequence
stratigraphy, palynology and biostratigraphy
across the Ordovician-Silurian boundary
in the Röstånga-1 core, southern Sweden.
(45 hp)
Knut, Anna, 2012: Resistivitets- och
IP-mätningar på Flishultsdeponin för
lokalisering av grundvattenytor. (15 hp)
Nylén, Fredrik, 2012: Förädling av ballastmaterial med hydrocyklon, ett fungerande
alternativ? (15 hp)
Younes, Hani, 2012: Carbon isotope
chemostratigraphy of the Late Silurian
Lau Event, Gotland, Sweden. (45 hp)
Weibull, David, 2012: Subsurface geological
setting in the Skagerrak area – suitability
for storage of carbon dioxide. (15 hp)
Petersson, Albin, 2012: Förutsättningar
för geoenergi till idrottsanläggningar
i Kallerstad, Linköpings kommun: En
förstudie. (15 hp)
Axbom, Jonna, 2012: Klimatets och
människans inverkan på tallens etablering
på sydsvenska mossar under de senaste
århundradena – en dendrokronologisk och
torvstratigrafisk analys av tre småländska
mossar. (15 hp)
Kumar, Pardeep, 2012: Palynological
investigation of coal-bearing deposits of
the Thar Coal Field Sindh, Pakistan. (45
hp)
Gabrielsson, Johan, 2012: Havsisen i
arktiska bassängen – nutid och framtid i
ett globalt uppvärmningsperspektiv. (15
hp)
Lundgren, Linda, 2012: Variation in rock
quality between metamorphic domains in
the lower levels of the Eastern Segment,
Sveconorwegian Province. (45 hp)
Härling, Jesper, 2012: The fossil wonders
of the Silurian Eramosa Lagerstätte of
Canada: the jawed polychaete faunas. (15
hp)
326. Qvarnström, Martin, 2012: An interpretation
of oncoid mass-occurrence during the Late
Silurian Lau Event, Gotland, Sweden. (15
hp)
327. Ulmius, Jan, 2013: P-T evolution of
paragneisses and amphibolites from
Romeleåsen, Scania, southernmost Sweden.
(45 hp)
328. Hultin Eriksson, Elin, 2013: Resistivitetsmätningar för avgränsning av lakvattenplym från Kejsarkullens deponis
infiltrationsområde. (15 hp)
329. Mozafari Amiri, Nasim, 2013: Field
relations, petrography and 40Ar/39Ar
cooling ages of hornblende in a part of the
eclogite-bearing domain, Sveconorwegian
Orogen. (45 hp)
330. Saeed, Muhammad, 2013: Sedimentology
and palynofacies analysis of Jurassic rocks
Eriksdal, Skåne, Sweden. (45 hp)
331. Khan, Mansoor, 2013: Relation between
sediment flux variation and land use patterns
along the Swedish Baltic Sea coast. (45 hp)
332. Bernhardson, Martin, 2013: Ice advanceretreat sediment successions along the
Logata River, Taymyr Peninsula, Arctic
Siberia. (45 hp)
333. Shrestha, Rajendra, 2013: Optically
Stimulated Luminescence (OSL) dating
of aeolian sediments of Skåne, south
Sweden. (45 hp)
334. Fullerton, Wayne, 2013: The Kalgoorlie
Gold: A review of factors of formation
for a giant gold deposit. (15 hp)
335. Hansson, Anton, 2013: A dendroclimatic
study at Store Mosse, South Sweden –
climatic and hydrologic impacts on recent
Scots Pine (Pinus sylvestris) growth
dynamics. (45 hp)
336. Nilsson, Lawrence, 2013: The alteration
mineralogy of Svartliden, Sweden. (30
hp)
337. Bou-Rabee, Donna, 2013: Investigations
of a stalactite from Al Hota cave in Oman
and its implications for palaeoclimatic
reconstructions. (45 hp)
338. Florén, Sara, 2013: Geologisk guide till
Söderåsen – 17 geologiskt intressanta
platser att besöka. (15 hp)
339. Kullberg, Sara, 2013: Asbestkontamination
av dricksvatten och associerade risker.
(15 hp)
340. K i h l é n , R o b i n , 2 0 1 3 : G e o f y s i s k a
resistivitetsmätingar i Sjöcrona Park,
Helsingborg, undersökning av områdets
geologiska egenskaper samt 3D modellering
i GeoScene3D. (15 hp)
341. Linders, Wictor, 2013: Geofysiska IPundersökningar och 3D-modellering av
geofysiska samt geotekniska resultat i
GeoScene3D, Sjöcrona Park, Helsingborg,
Sverige. (15 hp)
342. Sidenmark, Jessica, 2013: A reconnaissance
study of Rävliden VHMS-deposit, northern
Sweden. (15 hp)
343. Adamsson, Linda, 2013: Peat stratigraphical
study of hydrological conditions at Stass
Mosse, southern Sweden, and the relation
to Holocene bog-pine growth. (45 hp)
344. Gunterberg, Linnéa, 2013: Oil occurrences
in crystalline basement rocks, southern
Norway – comparison with deeply
weathered basement rocks in southern
Sweden. (15 hp)
345. P e t e r ff y, O l o f , 2 0 1 3 : E v i d e n c e o f
epibenthic microbial mats in Early
Jurassic (Sinemurian) tidal deposits,
Kulla Gunnarstorp, southern Sweden. (15
hp)
346. Sigeman, Hanna, 2013: Early life and its
implications for astrobiology – a case study
from Bitter Springs Chert, Australia. (15
hp)
347. Glommé, Alexandra, 2013: Texturella studier
och analyser av baddeleyitomvandlingar i
zirkon, exempel från sydöstra Ghana. (15
hp)
348. Brådenmark, Niklas, 2013: Alunskiffer på
Öland – stratigrafi, utbredning, mäktigheter
samt kemiska och fysikaliska egenskaper.
(15 hp)
Geologiska institutionen
Lunds universitet
Sölvegatan 12, 223 62 Lund
