Formacion del carbón
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Material preparado por A. Requena para el curso PS5216

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Formacion del carbón Formacion del carbón Presentation Transcript

  • 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 Carbón Roca 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 vegetal Zona Margosa o Zona Costera - Marítima Zona Forestal Zona Continental LagunarAmbiente anaeróbico. Depósitos no estratificados formando Elevada humedad Climas cálidos – Ambiente frío y poco húmedo. bloque denominado sapropel Suelo neutro o templados. Agua de lluvia con suelos ligeramente alcalino. Suelos con valores pobres en minerales(Ca; K). Rico en minerales intermedios de Suelos arcillosos parcialmente acidez y nutrientes. ácidos (pH ~ 5) Algas, Exinas, Esporas, Gran variedad forestal Material fresco. Musgos y herbáceas Esporas, Cutinas y Esporas, Cutinas, Algas Resinas TURBA LOWMOOR TURBA TURBA TIPO HIGHMOOR SEDIMENTARIApH O2 FUSINITA EXINITA EXINITA Esporinita VITRINITA Fusinita EXINITA Alguinitas Cutinita EXINITA Esporinita Esporinita Esporinitas Alginita Cutinita Resinita
  • Factores esenciales para formación de turbera. Tres factores condicionan el desarrollo de una turbera:1. Clima – Controla producción de materia vegetal2. 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.
  • 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.
  • Especies químicas más Carbohidratos abundantes en los Formula General: Cn(H2O)m vegetales.Calulosa: También pertenecientes Unidad monomérica a este grupo:  Almidón  Pectina  Quintina  Acido alginico  Pentosas
  • Glicósidos Condensado de naturaleza aromática con grupos:Ligninas: oxidrilos (-OH), metoxilo (-O-CH3), puentes de oxígeno (-O-) y cetónicos (-CO-) Unidades monoméricas alcohol coniferílico alcohol sinapropílico alcohol p-cumarílico
  • Otras estructuras propuestas para las ligninas
  • Glicósidos Compuestos condensados de carácter aromático yLignanos: fenólico. Alta resistencia química. Principales Lignanos:  Acido guayarético   Conidendrina  Olivilo  Pinoresinol   
  • 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 pigmentosNicotina caroteno Quinina Clorofila Cafeína
  • 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 Transformación de restos orgánicos por reacciones bioquímicas.  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)
  • Resistencia a la degradaciónSegún Waksman & Stevens el orden de descomposición delos componentes de las plantas en las turberas es el siguiente: – Protoplasma Aumenta resistencia a la degradación – Clorofila – Aceites – Carbohidratos (Almidón; Celulosa; Lignina) – Membranas o paredes celulares – Cubiertas de semillas – Pigmentos – Cutículas – Esporas, polén y exinas – Ceras – Resinas
  • Subsidencia:Etapa indispensable en la formación del carbón
  • Catagénesis Transformación de restos orgánicos por reacciones geoquímicas.  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)
  • Metagénesis Transformación de restos orgánicos por reacciones geoquímicas. 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)
  • Proceso evolutivo de la materia vegetalen 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 considerablemente Lignina: 30 – 35% Sufre un ligero incremento Ceras 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 poca Ceras 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 lignina Materias húmicas insolubles en medio básico Agua 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. Bitumen Soluble en benceno y disolventes orgánicos.Hidrocarburos alifáticos. Precursor del peróleo. Kerogeno Insoluble en disolventes orgánicos. Heteropolímero de alto peso Materia orgánica fosilizada molecularKerógeno 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.
  • Diagrama de Van Krevelen. 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/CImplicaciones: 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.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
  • 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 conla profundidad Poder calorífico Análisis Elemental %C %H Análisis Inmediato Carbón alemán en el distrito de Ruhr
  • Variación de parámetros del rango conla profundidadMaterias Volátiles Poder Calorífico %C Carbón alemán en el distrito de Saar
  • Variación del rango con el tiempo
  • Relación entre parámetros que afectanel rango del carbón.
  • Teorías químicas de carbonificación Tratan de explicar la aparición de compuestos policíclicos aromáticos predominantes en el carbón y que están ausentes en las plantas. 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.
  • Lignito B Lignito ASub-bituminoso CSub-bituminoso BSub-bituminoso A Bituminoso Rango del carbón. Alto Volátil C Bituminoso Alto Volátil B Bituminoso Alto Volátil A Bituminoso Medio Volátil Bituminoso Bajo Volátil Semi-antracita Antracita Variación del análisis inmediato con el Meta-antracita
  • Variación del Poder Calorífico con elRango del carbón.