Formacion del carbón

Formación de Yacimientos y Rango del Carbón

Contenido Formación de Yacimientos.

– Acumulación de materias orgánicas (Formación de tuberas)

– Constituyentes de los vegetales.

– Teoría de Carbogénesis: » Diagénesis

» Catagénisis

» Metagénesis

– Tipos de Kerógeno.

– Diagrama de Van Krevelen

Grado de Metamorfismo y Rango del Carbón. – Serie del Carbón:

» Turba / Lignito / Hullas / Antracita.

– Definiciones y naturaleza del carbón.

Formación del CarbónRoca sedimentaria de origen orgánico, formado

a partir de restos vegetales transformados por efectos combinados de la acción microbiana,

presión y calor.

Formación en dos etapas bien definidas:

– Transformación bioquímca

» Diagénesis

– Transformación geoquímica

» Catagénesis

» Metagénesis

The Kentucky Geological Survey, University of Kentucky.

Acumulación de la materia vegetalZona Costera - Marítima

Zona Margosa oLagunar

Zona Forestal Zona Continental

Ambiente anaeróbico. Depósitos no estratificados formandobloque denominado sapropel

Elevada humedad

Suelo neutro oligeramente alcalino.Rico en minerales

Climas cálidos –templados.

Suelos con valoresintermedios deacidez y nutrientes.

Ambiente frío y poco húmedo.

Agua de lluvia con suelospobres en minerales(Ca; K).

Suelos arcillosos parcialmenteácidos (pH ~ 5)

Algas, Exinas, Esporas, Gran variedad forestalEsporas, Cutinas y

Algas

Material fresco.Esporas, Cutinas,

Resinas

Musgos y herbáceas

TURBA LOWMOOR TURBASEDIMENTARIA

TURBA TIPO HIGHMOOR

FUSINITAEXINITA

EXINITAAlguinitas

Esporinitas

EXINITA Esporinita Cutinita Alginita

VITRINITAEXINITA Esporinita

Cutinita Resinita

FusinitaEsporinita

pH O2

Factores esenciales para formación de turbera.

1. Clima– Controla producción de materia vegetal

2. Ambiente tectono-sedimentarios– Subsidencia: Equilibrio entre producción de materia vegetal y hundimiento

– Aporte de detritos: Diluyen concentración de la materia orgánica

– Velocidad de enterramiento: Enterramiento rápido minimiza degradación

bioquímica y preserva la materia orgánica.

3. Ambiente físico-químico– Humedad: Controlada por la altura desde la superficie al nivel freático.

– Acidez: Controla actividad bacteriana, disponibilidad de nutrientes y

descomposición química.

– Potencial oxido-reducción: Condiciones reductoras propician

conservación de la materia orgánica.

Tres factores condicionan el desarrollo de una turbera:

Compuestos orgánicos presentes en

los restos vegetales

Carbohidratos: mono, di y polisacáridos (celulosa)

Glicósidos: Complejos de monosacáridos, aromáticos

hidroxilados o alifáticos. (lignina; hemilcelulosa)

Proteinas: Poliéptidos de alto peso molecular

(diversiad en secuencia de aminoácidos)

Alcaloides; purinas; enzimas; pigmentos.

Grasas, ceras y resinas: Derivados de los terpenos o

productos de su oxidación primaria.

Carbohidratos Especies químicas más abundantes en los

vegetales.Calulosa:

Unidad monomérica

También pertenecientes a este grupo:

Almidón

Pectina

Quintina

Acido alginico

Pentosas

Formula General: Cn(H2O)m

GlicósidosCondensado de naturaleza

aromática con grupos:

oxidrilos (-OH),

metoxilo (-O-CH3),

puentes de oxígeno (-O-)

y cetónicos (-CO-)

Ligninas:

Unidades monoméricas

alcohol coniferílico

alcohol sinapropílico

alcohol p-cumarílico

Otras estructuras propuestas para las ligninas

GlicósidosCompuestos condensados de

carácter aromático y

fenólico.

Alta resistencia química.

Principales Lignanos:

Acido guayarético

Conidendrina

Olivilo

Pinoresinol

Lignanos:

Proteínas

Compustos nitrogenados (15-19% N2)

formados por polimerización de

aminoácidos.

Sufren fácil degradación química por

hidrólisis formando aminoácidos.

Su proporción en las plantas varía en muy

amplios límites.

Alcaloides, porfirinas y pigmentos

Nicotina

Quinina

Cafeína

Clorofila

caroteno

Grasas, Ceras y Resinas

Grasas:

– Ésteres carboxílicos derivados de ácidos grasos y glicerina o alcoholes superiores. Predominio del C16 (palmítico) y C18 (esteárico)

Ceras:

– Ésteres sólidos de bajo punto de fusión y elevado peso molecular.

Resinas:

– Estructuras no condensadas de anillos susceptibles a polimerización espacial con enlaces transversales formando estructuras irregulares y

rígidas. Muy resistentes al ataque químico. (Látex)

Teoría de Carbogénesis

Diagénesis

La materia orgánica pierde la mayor parte de los grupos funcionales asociados.

Duración: 106 años

Fermentación Aerobia:

HONGOS Lignina pH < 7

BACTERIAS Celulosa pH act. aeróbica (nula a pH 3)

Fermentación Anaerobia:

pH > 7 y subsidencia ( > 0,5 m)

Productos:

Gas Biogenético (CH4; CO2 y H2S)

Acidos húmicos

Sustancias bituminosas (a partir de ceras, resinas y grasas)

Transformación de restos orgánicos por reacciones bioquímicas.

Resistencia a la degradaciónSegún Waksman & Stevens el orden de descomposición de

los componentes de las plantas en las turberas es el siguiente:

– Protoplasma

– Clorofila

– Aceites

– Carbohidratos (Almidón; Celulosa; Lignina)

– Membranas o paredes celulares

– Cubiertas de semillas

– Pigmentos

– Cutículas

– Esporas, polén y exinas

– Ceras

– Resinas

Au

men

ta re

sis

ten

cia

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Subsidencia: Etapa indispensable en la formación del carbón

Catagénesis

Las transformaciónes de la materia orgánica inducidas por aumento de presión litostática y la temperatura (> 200-250°C)

Pérdidas de volátiles

Reacciones principales:

Deshidratación y descarboxilación / Pérdidas de grupos -OH

Las RESINAS funden ~ 90°C y CUTICULAS y ESPORAS se descomponen ~ 250°C

Productos:

Hidrocarburos líquidos y gaseosos

(Pueden migrar hasta rocas almacen para formar yacimientos de gas húmedo y/o petróleo)

Residuo sólido

(Materia húmica no ácida soluble en álcalis. Ej. Lignito)

Transformación de restos orgánicos por reacciones geoquímicas.

Metagénesis

La presión juega papael determiannte en las trasnformaciones de la materia orgánica y la temperatura supera los 350°C

Reacciones principales:

Craqueo térmico

Predomionio de reacciones de aromatización

Productos:

Hidrocarburos gaseosos (Metano)

(Pueden migrar hasta rocas almacen para formar yacimientos de gas termogénico)

Residuo sólido

(No biodegradable y de naturaleza altamente aromática)

Transformación de restos orgánicos por reacciones geoquímicas.

Proceso evolutivo de la materia vegetal en la formación de la hulla

MATERIA ORIGINAL % C ~ 44 % O ~ 50 %H ~ 6

Celulosa: 50 – 60% Lignina: 25 – 30%Ceras, resinas y grasas: 1 – 1,5%Agua y cenizas: Diferencia a 100%

TURBA % C ~ 59 % O ~ 35 %H ~ 6

Celulosa: 20 - 25% Disminuye considerablementeLignina: 30 – 35% Sufre un ligero incrementoCeras y resinas: 1 – 6%Acidos húmicos: 17 – 20% (Aparecen ácidos húmicos solubles en bases)Cenizas: Diferencia a 100%Agua embebida: Puede llegas hasta 90%

LIGNITO % C ~ 71 % O ~ 24 %H ~ 5

Celulosa: Ausencia total Lignina: 3 – 4%. Muy pocaCeras y resinas: 2 – 15%Acidos húmicos: 70 – 80% (20 a 50% no solubles en medio básico)Cenizas: Diferencia a 100%Agua embebida: Puede llegas hasta 30%

HULLAS % C ~ 74 – 84 % O ~ 21 - 11 %H < 5

Ausencia total de celulosa y ligninaMaterias húmicas insolubles en medio básicoAgua y Cenizas: Diferencia a 100%

ANTRACITA % C > 85 % O ~ 3 %H ~ 3

Serie del Carbón.

turba lignito bituminoso antracita

El azufre en el carbón.

Factores en la formación del carbón mineral

• Tipo de vegetación.

• Era geológica de

fomación del depósito.

• Diagénesis.

• Catagénesis.

• Temperatura.

• Profundidad (presión).

En la carbogénesis, las

condiciones que más influyen

son las paleográficas y tipo de

plantas depositadas en la fase

diagenética, más que las

geodinámicas y el tiempo.

Período geológico y tipo de carbón.

Tipos de Kerógeno.

Kerógeno

Tipo I: Relacionado con medios lacustres. Constituido por lípidos y cadenas alifáticas, con baja proporción de estructuras cíclicas, aromáticas y heteroatómicas. Relación H/C muy alta.

Tipo II: Cadenas alifáticas cortas y mayor abundancia de estructuras cíclicas, con nucleos poliaromáticos, cetonas y ácidos carboxílicos; azufre como heteroátomo o enlace sulfuroso. Menor relacion H/C que en Tipo I.

Tipo III: Predominio de nucleos poliaromáticos, cetonas y ácidos

carboxílicos.Cadenas alifáticas minoritarias. Posee la menor relación H/C.

Materia orgánica fosilizada

Bitumen Soluble en benceno y disolventes orgánicos.Hidrocarburos alifáticos. Precursor del peróleo.

KerogenoInsoluble en disolventes orgánicos. Heteropolímero de alto peso molecular

Diagrama de Van Krevelen.

Implicaciones:La caracterización del tipo de madurez de la materia orgánica exige de dos medidas independientes y complementarias

En el carbón, el Diagrama de Van Krevelen se reduce al Kerógeno tipo III

H/C = [%H] / [%C]:12

O/C = [%O]:16 / [%C]:12

Durante la Carbogénesis:

Pérdida de CO2 O/C & H/C

Pérdida de H2O O/C & H/C

Pérdida de -CH2 H/C

Implicaciones:La caracterización del tipo de madurez de la materia orgánica exige de dos medidas independientes y complementarias

En el carbón, el Diagrama de Van Krevelen se reduce al Kerógeno tipo III

Diagrama de Van Krevelen.Carbón mineral.

Transformaciones producidas en carbogénesis

Aumento progresivo del porcentaje en carbono.

Disminución muy considerable (hasta carbones bituminosos medios en

volátiles) del porcentaje en oxígeno

Disminución del porcentaje en hidrógeno. (carbón bituminoso medio en

volátiles a antracita).

Disminución progresiva de las materias volátiles.

Aumento del poder calorífico.

Variación de las propiedades ópticas: Aumento con el rango de la

reflectancia y la anisotropía de la vitrinita.

Aumento de la vitrificación y gelificación, conjuntamente con el lustre

y color.

Disminución de la porosidad y aumento de la densidad, dureza y

resistencia mecánica.

Aromatización y condensación de las estructuras moleculares.

Variación de parámetros del rango con la profundidad

Carbón alemán en el distrito de Ruhr

% C% H

Análisis Elemental

Poder calorífico

Análisis Inmediato

Variación de parámetros del rango con la profundidad

Carbón alemán en el distrito de Saar

Poder Calorífico % C

Materias Volátiles

Variación del rango con el tiempo

Relación entre parámetros que afectan el rango del carbón.

Teorías químicas de carbonificación

Teoría de la Celulosa (Bergius)

– Transformación de celulosa a elevada T y P.

Teoría de la Lignina (Fischer & Schräder 1922)

– Transformación de lignina en ácidos húmicos.

Teoría de Waksman (1938)

– Importancia de las proteínas en la formación de ácidos húmicos.

Teoría de Enders

– Formación del carbón a partir de celulosa y lignina.

Tratan de explicar la aparición de compuestos policíclicos aromáticos

predominantes en el carbón y que están ausentes en las plantas.

Variación del análisis inmediato con el Rango del carbón.

Lig

nito B

Lig

nito A

Sub-b

itum

inoso A

Sub-b

itum

inoso B

Sub-b

itum

inoso C

Bitum

inoso

Alto V

olá

til A

Bitum

inoso

Alto V

olá

til C

Bitum

inoso

Alto V

olá

til B

Bitum

inoso

Medio

Volá

til

Bitum

inoso

Bajo

Volá

til

Sem

i-antr

acita

Antr

acita

Meta

-antr

acita

Variación del Poder Calorífico con el Rango del carbón.