1

Formación del Carbón Roca sedimentaria de origen orgánico, formado

a partir de restos vegetales transformados porefectos combinados de la acción microbiana,

presión y calor.

• Formación en dos etapas bien definidas:– Transformación bioquímca

• Diagénesis

– Transformación geoquímica• Catagénesis• Metagénesis

Acumulación de la materia vegetalZona Costera - Marítima Zona Margosa o

Lagunar Zona Forestal Zona ContinentalAmbiente anaeróbico. Depósitos no estratificados formando

bloque denominado sapropel• Elevada humedad• Suelo neutro o

ligeramente alcalino.Rico en minerales

• Climas cálidos –templados.

• Suelos con valoresintermedios deacidez y nutrientes.

• Ambiente frío y poco húmedo.• Agua de lluvia con suelos

pobres en minerales(Ca; K).• Suelos arcillosos parcialmente

ácidos (pH ~ 5)Algas, Exinas, Esporas, Gran variedad forestal

Esporas, Cutinas yAlgas

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

2

Factores esenciales para formación deturbera.

Clima– Controla producción de materia vegetal

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.

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 losrestos 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.

3

Carbohidratos Especies químicas másabundantes en los

vegetales.Calulosa:

Unidad monoméricaTambién pertenecientes

a este grupo:AlmidónPectina

QuintinaAcido alginico

PentosasFormula General: Cn(H2O)m

GlicósidosCondensado de naturaleza

aromática con grupos:oxidrilos (-OH),

metoxilo (-O-CH3),puentes de oxígeno (-O-)

y cetónicos (-CO-)

Ligninas:

Unidades monoméricasalcohol coniferílico

alcohol sinapropílicoalcohol p-cumarílico

4

GlicósidosCompuestos condensados de

carácter aromático yfenólico.

Alta resistencia química.Principales Lignanos:

Acido guayaréticoConidendrina

OliviloPinoresinol

Lignanos:

Proteinas

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.

5

Alcaloides, porfirinas y pigmentosNicotina

Quinina

Cafeína

Clorofila

β caroteno

Grasas, Ceras y Resinas• Grasas:

– Ésteres carboxílicos derivados de ácidos grasos yglicerina 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 transversalesformando estructuras irregulares y rígidas. Muyresistentes al ataque químico. (Látex)

6

Diagénesis

• La materia orgánica pierde la mayor parte de los gruposfuncionales 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 húmicosSustancias 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 delos 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

Aum

enta resistencia a la degradación

7

Catagénesis• Las transformaciónes de la materia orgánica inducidas poraumento 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 sedescomponen ~ 250°C

Productos:Hidrocarburos líquidos y gaseosos

(Pueden migrar hasta rocas almacen para formar yacimientos de gas húmedoy/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 trasnformacionesde 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 gastermogénico)

Residuo sólido(No biodegradable y de naturaleza altamente aromática)

Transformación de restos orgánicos por reacciones geoquímicas.

8

Proceso evolutivo de la materia vegetalen la formación de la hulla

MATERIA ORIGINAL % C ~ 44 % O ~ 50 %H ~ 6Celulosa: 50 – 60% Lignina: 25 – 30%Ceras, resinas y grasas: 1 – 1,5%Agua y cenizas: Diferencia a 100%TURBA % C ~ 59 % O ~ 35 %H ~ 6Celulosa: 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 ~ 5Celulosa: 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 < 5Ausencia total de celulosa y ligninaMaterias húmicas insolubles en medio básicoAgua y Cenizas: Diferencia a 100%ANTRACITA % C > 85 % O ~ 3 %H ~ 3

Variación de parámetros del rangocon la profundidad

Carbón alemán en el distrito de Ruhr

% C% H

Análisis Elemental

Poder calorífico

Análisis Inmediato

9

Variación de parámetros del rangocon la profundidad

Carbón alemán en el distrito de Saar

Poder Calorífico % C

Materias Volátiles

Variación del rango con el tiempo

10

Relación entre parámetros que afectanel rango del carbón.

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.

11

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

Parámetros tecnológicos usados paraevaluar el carbón

Contenido de HumedadAgua eliminada a 107°C en atmósfera inerte.

Proporción de volátilesPérdida de peso en atmósfera inerte a temperatura entre875 y 1050°C.

Contenido de CenizasReflejo del contenido de materia mineral.

Poder caloríficoCalor de combustión por gramo de muestra.

DensidadRelación con el contenido en cenizas.

12

Clasificación del carbón

• Tipo:Diferencias en la materia que los constituye.

• Rango:Diferencias en grado de evolución ocarbonización de la materia orgánica.

• Grado:Nivel de impurezas (cenizas) que contiene

Diversidad de criterios de clasificación

Petrología del Carbón.

Trata el carbón bajo el conceptocientífico de roca.

• Estudia el origen, composición ycomportamiento tecnológico de losmateriales que conforman la roca de carbón.

• Clasifica los carbones en dos grandes grupos:– Carbones estratificados o húmicos– Carbones no estratificados o sapropélicos.

Petros = roca Logos = ciencia de

13

Litotipos• Vitreno

Acumulaciones predominantes de vitrinita.Forma lechos de espesor apreciable a simple vista (6-8 mm).Brillo vítreo, fractura concoidea y dureza relativa = 2Bajo en cenizas.Contenido en volátiles del orden de 30-35%Densidad 1,3 g/cm3

• ClarenoConstituido por mezclas en proporciones muy variables de los tres

grupos macerales.Brillo intermedio entre el vitreno y el dureno. Dureza relativa = 3Moderadamente bajo en cenizas.Materias volátiles del orden del 40% y densidad 1,3 g/cm3

Litotipos (continuación)• Dureno

Constituido por mezclas y asociaciones de exinita e inertinita.Forma lechos de espesor variable de aspecto rugoso reflexión difusa.Color negro pardo negruzco mate y dureza relativa = 7Moderadamente alto en cenizas.Contenido en volátiles mayor al 50%Densidad 1,35 a 1,45 g/cm3

• FusenoAgregados de fusinita y semifusinita, de aspecto semejante al carbón

vegetal.Presenta el mayor contenido en cenizas y forma polvos. Dureza

relativa = 1Bajo en materias volátiles ( 10% aprx) y densidad 1,35 - 1,45 g/cm3

14

Relaciones entre grupos macerales,macerales, litotipos y microlitotipos.

GRUPOSMACERALES

MACERALES &Sub-Macerales

LITOTIPOS> 1 mm

> 1 µm MICROLITOTIPOS50µm

Colinita Vitrinertinita V + I > 95%

VITRENO VITRINITA Desmocolinita Telocolinita Vitrita V > 955

Vitrodetrinita Telinita

CLARENO Clarita V + E > 95%

Cutinita Esporinita

EXINITA Resinita Alginita Liptita E > 95%

Liptodetrinita

Durita E + I > 95%

DURENOSemifusinita Fusinita

Esclerotinita Micrinita Inertita I > 95%

FUSENO INERTINITA Inertodetrinita Macrinita

Trimacerita V + E + I > 95

Petrografía del Carbón.

Es la disciplina quesirve para la

caracterizaciónsistemática de los

componente del carbónvistos al microscopioóptico, y efectuar su

descripción yclasificación.

Petrus = roca Graphos = descripción de

Considera al carbón como una rocasedimentaria orgánica.

15

Macerales en el Carbón.

Los macerales no presentan forma cristalinacaracterística, ni composición química constante y suapariencia cambia con el rango.

1919: Marie C. Stopes(paleobotánica)estable bases de lanomenclaturapetrográfica.

1935: Se incorpora eltérmino MACERALpor analogía con losminerales en lasrocas inorgánicas.

Reseña Histórica:

Macerales en el Carbón.GRUPO MACERAL MACERALES SUBMACERALES ORIGEN

VITRINITA Telinita

Colinita

Vitrodetrinita

Telinita – 1Telinita – 2TelocolinitaGelocolinitaDesmocolinitaCorpocolinita

Madera y cortezas deLepidodendron Sigilaria y helechosen estado fresco.

Madera y cortezas gelificadas.

Geles húmicos.Fusinita

Semifusinita

PirofusinitaDegradofusinita

Madera y corteza carbonizada ofuertemente oxidada antes deenterrarse.

INERTINITA

MacrinitaMicrinitaEsclerotinita (Funginita)SecretinitaInertodetrinita

Materia granular del protoplasma.

Material de hongos.

EsporinitaSuberinitaResinitaAlguinitaLiptodetrinita

Agujas, cutículas y esporas

Plantas resinosasAlgasBacterias

LIPTINITA (EXCINITA)

FluorinitaBituminitaExudatinita

Origen secundario

Según Comité Internacional de Petrología del Carbón (ICCP), 1963,71 y 75

16

Alteración de tejidos vegetales en la humificación yformación de macerales del grupo de la vitrinita.

Grupo de la Vitrinita• Constituida por tejidos leñosos, raíces, cortezas y

hojas, sepultados en estado fresco o poco alterado.• Formada por geles coloidales de ácidos húmicos.• Color gris medio a luz refleja y moderadamente

transparente a luz trasmitida.• Reflectancia casi constante en cada capa de carbón,

pero aumenta con el grado de metamorfismo.• Se hidrogena y oxida con facilidad. Es el maceral

responsable del hinchamiento y plasticidad delcarbón.

• Grupo maceral relativamente más rico en oxígeno.

17

Vitrinita

Telinita

Vitrodetrinita

Colinita

Alteración (oxidación) de tejidos de plantas superiorespara la formación de macerales del grupo de la inertinita.

18

Grupo de la Inertinita• Constituida por el mismo tipo de tejido que forma la

vitrinita, pero que ha sido fuertemente oxidado antesdel enterramiento.

• Material relativamente inerte en los procesotecnológicos del carbón. No aparta a la plasticidad nihinchamiento del carbón. Inerte en procesos deoxidación e hidrogenación.

• Color gris claro a blanco brillante bajo luz refleja yopaco en luz trasmitida.

• Presenta alto contenido en carbono y bajo enhidrógeno.

Inertinitas.

Inertodetrinita

Fuente: www.newcastle.edu.au/discipline/geology/research/cfkd/macera...

Fusinita

Macrinita Micrinita

19

Grupo de la Liptinita (Exinita)

• Derivado de exinas, cutículas, esporas y polen. Tejidosfosilizados reconocibles que ha resistido a la acciónbacteriana y química.

• Elevado contenido en hidrógeno y materias volátiles.Alto rendimiento en subproductos cuando se carboniza.

• Fácilmente hidrogenable (carbones con más de 25% enmaterias volátiles).

• Color gris muy oscuro a negro bajo luz refleja.• Sus propiedades ópticas y físicas varían ampliamente

con el rango, dificultándose su diferenciación de lavitrinita en carbones de alto rango.

Liptinita (Exinita)

Esporinita

Resinita Esporinita

20

Propiedades de los macerales.APARIENCIA COMPORTAMIENTO TECNICOGRUPO

MACERAL Luz transmitida Luz reflejadaCOMPOSICION

QUIMICA Carbonización LiquefacciónVITRINITA Rojo – Marrón Gris Contenido medio de

hidrógeno y volátiles.Relativamente rico enoxígeno.Geles coloidales deácidos húmicos.

Principalreactivo en laconstitución delcarbón en lacoquería.Se oxida confacilidad.

Susceptible aLicuefacciónSe hidrogenafácilmente.

INERTINITA Opaco BlancoAmarillentoGris claro

Bajo contenido dehidrógeno y devolátiles. Elevadocontenido de carbono

Inerte durante lacarbonización

Resistente aLicuefacción

LIPTINITA(EXINITA)

Amarillo Gris oscuro Alto contenido dehidrógeno y volátiles

Reactivo durantela coquización delcarbón. Altorendimiento dealquitrán.

Susceptible aLicuefacción

Separación de maceralesSeparación densimétrica mediante diferentes rangos dedensidades

Composición variable con el rango del carbón.Ej. Análisis maceral en carbones de un mismo rango

Densidad (g/cm3) Fracción separada

1,20 – 1,25 Liptinita1,25 – 1,35 Vitrinita1,35 – 1,45 Inertinita1,45 – 1,55 Fusinita y materia mineral

> 1,55 Materia mineral pesada

MACERALES % C % H % O % MateriasVolátiles

Aromaticidad(fa)

Liptinita 84,1 7,0 6,3 66,7 0,62Vitrinita 83,9 5,5 8,0 35,2 0,77Micrinita 85,7 3,9 8,0 22,9 0,89Fusinita 91,5 3,2 4,3 12,8 0,94

21

Determinación de composición maceral.ICCP, 1963

ASTM D2799 (1981) ISO 7404-3

Estructura molecular del carbón.

22

Modelo P. H. Given (1961)(Carbón: 82% en C)

Configuración espacial

Formula molecular hipotética.

Modelos Mazumdar et. al. (1962)(Estructuras propuestas para carbones de diverso Rango)

23

Modelo W. H. Wiser (1978)(Carbón bituminoso: 82-83 % en C)

Modelo J. G. Pitt (1979)(Carbón tipo vitreno)

Carbón con 90% en carbono

Carbón con 80% en carbono

24

Modelo L. Heredy & I. Wender (1980)(Carbón: 82-84 % en C)

Modelo Shinn (1984)(Carbón: 80-90 % en C)

25

Grupos funcionales C-H identificados por 13C NMRModelo P. R. Solomon (1981)

Grupos funcionales oxigenadosidentificados por análisis químico

Modelo P. R. Solomon (1981)