geoquimica parte 10

Geoqumica: BIOSFERA L. Lpez/S. Lo Mnaco, Febrero de 2007

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PRINCIPIO DE GEOQUMICA GEOQUMICA TEMA 10 BISFERA

BIOSFERA Jean Lamarck (1744-1829): Naturista francs, utiliza el trmino bisfera para distinguir la parte viva de la Tierra (plantas animales y microorganismos).

Eduard Suess (1831-1914): Seal la importancia de las plantas y animales en los fenmenos geolgicos y propone el termino bisfera para indicar la totalidad de la naturaleza orgnica.

V.I. Vernadsky y A.P. Vinogradov: En 1916 inician estudios sobre el efecto de la biosfera en los fenmenos que ocurren en la superficie de la Tierra.

GEOQUMICA ORGNICA Abundancia, transformacin, migracin y distribucin de los componentes orgnicos en la Tierra (Mason y Moore, 1982).

Migracin y distribucin de las especies qumicas controlada por los organismos vivos y sus productos de degradacin (Mason y Moore, 1982).

Aplicacin de los principios y mtodos de la qumica orgnica a la geologa sedimentaria (Kvenvolden, 2002).

UNIVERSIDAD CENTRAL DE VENEZUELA FACULTAD DE CIENCIAS ESCUELA DE QUIMICA

INSTITUTO DE CIENCIAS DE LA TIERRA


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GEOQUMICA DE LA BISFERA Vernadsky: Migracin, acumulacin y distribucin de las especies qumicas controlada por los organismos y sus productos de degradacin.

Geoqumica de la Bisfera Biogeoqumica Geoqumica Orgnica: Abundancia, distribucin, transformaciones y migracin de los componentes orgnicos en la Tierra. Se considera el efecto de la bisfera en la migracin, acumulacin y distribucin de las especies qumicas controlada por los organismos y sus productos de degradacin.

DIVISIONES DE LA GEOQUMICA ORGNICA Origen y distribucin de los combustibles fsiles (petrleo y carbn).

Materia orgnica en sedimentos antiguos y recientes.

Oceanografa qumica.

Sustancias hmicas en aguas, suelos y sedimentos.

Estudios ambientales: contaminacin por compuestos orgnicos, interaccin metales contaminantes y orgnicos con las sustancias hmicas (SH).

Prospeccin geoqumica: interaccin metales de inters econmico con las SH.

Vida Precmbrica.

Cosmoqumica (condritos carbonceos).

INFLUENCIA DE LA BISFERA EN LOS PROCESOS GEOQUMICOS Compuestos orgnicos de origen biolgico son transportados y acumulados e influyen en la distribucin y acumulacin de los elementos, interviniendo en una serie de procesos geoqumicos. Esta distribucin y acumulacin de los elementos:

Elementos en los sistemas biolgicos. Elementos tomados del ambiente que incluye la acumulacin de elementos por los

organismos o la acumulacin de elementos por los productos de descomposicin de la materia orgnica.


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EVOLUCIN DE LA BISFERA Desarrollada luego de las otras gesferas: litsfera, hidrsfera y atmsfera (reductora). Las rocas sedimentarias mas viejas que contiene carbono: Posibles algas fsiles 2.6 ba (Precmbrico).

Las primeras evidencias de vida en la Tierra son los estromatolitos 3.5 G.a, observados en el Grupo Warrawoona al noreste de Australia (Walter, 1983 en Hunt, 1996). Los primeros organismos fueron los procariotas, estos eran organismos anaerbicos fotoautrtofos. Un organismo fotoautrtofo es aquel que utiliza la luz como fuente de energa y el CO2 como su fuente principal de carbono: Luz

CO2 + 2H2S CH2O + 2S + H2O

El segundo evento ms importante despus del origen de los procariotas fue el desarrollo de una reaccin semejante a la fotosntesis, con molculas similares a la clorofila. Estos procariotas utilizaron el H2O como agente reductor y formaron oxgeno como un producto secundario:

Luz CO2 + H2O CH2O + O2

Clorofila/Fotosntesis

Se considera que las algas verde-azules (cianobacterias) fueron los organismos fotosintticos responsables de la acumulacin de oxgeno en la atmsfera de la Tierra. Cuando las algas verde-azules se desarrollaron y fueron abundantes en los ocanos se increment el contenido de oxigeno.

MASA DE LA BISFERA

BISFERA Suma de la materia viva: dificultad para determinar su masa. I. La materia de la bisfera no se encuentra distribuida de manera uniforme II. Se encuentra en un estado de cambio constante y este ciclo de cambios es muy rpido en

funcin del tiempo geolgico Basado en una comparacin de la masa de la atmsfera y la hidrsfera:

HIDRSFERA 69.100 ATMSFERA 300 BISFERA 1

Esta estimacin indica que la masa de la bisfera es insignificante en comparacin a las del resto de


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las gesfera externas.

SIN EMBARGO: Ejerce una influencia importante en una serie de procesos geoqumicos que ocurren en el ambiente exgeno. Los organismos vivos y la materia orgnica en descomposicin es transportada y acumulada en la superficie terrestre e influye en el transporte y acumulacin de muchas especies inorgnica en el ambiente exgeno.

COMPOSICIN DE LA BIOMASA Difcil de estimar, al igual que su masa

MAYORITARIOS POCA VARIACIN MINORITARIOS Y TRAZA MUY VARIABLES Constituyente principal: AGUA

INVARIABLES VARIABLES Primarios Secundarios Micro

nutrientes Secundarios Micro

nutrientes Contaminantes

H Na B, Fe, Ti Li, Be, Al, Cr Se C Mg Si, Mn, V F, Ni, Ge, Au N S Cu, I, Br As, Rb, Sr, Hg O Cl Co, Mo, Ag, Cd, Sn, Bi K Zn Cs, Ba, Pb, Tl P Ga Ra

Distribucin de algunos elementos en los organismos (Mason y Moore, 1982)

MACRONUTRIENTES O SECUNDARIOS MAYORITARIOS O ENERGTICOS


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MINORITARIOS:

EN SUSTANCIAS HMICAS:

Depende: De los elementos que estn presentes en la materia orgnica que constituye los

organismos. De los elementos presentes en el ambiente de formacin de estas sustancias. De la capacidad del elemento determinado para formar un enlace estable con los

grupos funcionales presentes en estos compuestos.

EN PETRLEO Y CARBN:

Depende: De los elementos en la materia orgnica que estn presentes en los organismos y

cuyos enlaces son estables a las condiciones en los cuales la materia orgnica sufre cambios.

De la capacidad del elemento para formar un enlace estable con los grupos funcionales presentes en estos compuestos.

De los elementos presentes en el ambiente de formacin de los depsitos biognicos durante la etapa de diagnesis.

De los elementos presentes en el ambiente de formacin de los depsitos biognicos durante la etapa de catagnesis.


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SUSTANCIAS HMICAS

Materia orgnica en suelos, sedimentos (MOS), aguas: Corresponde a una mezcla de residuos de plantas y animales en varios estados de descomposicin (Schnitzer y Khan, 1972).

Se dividen en: Sustancias no Hmicas (SNH) y Sustancias Hmicas (SH).

Sustancias no hmicas (SNH): Incluyen el material orgnico cuyas caractersticas qumicas se reconocen, tales como carbohidratos, protenas, aminocidos, cidos nucleicos, purinas, pirimidinas, cidos grasos, ceras, resinas, pigmentos y sustancias orgnicas de bajo peso molecular (Schnitzer, 1991). (Fig. 1)

Figura 1. Ejemplos decompuestos organicos simples (SNH).

SUSTANCIAS HMICAS Las sustancias hmicas son el producto de la heteropolicondensacin y oxidacin enzimtica de carbohidratos, protenas, lpidos, lignina, taninos y muchos otros materiales de origen biolgico. Son molculas multifuncionales constituidas principalmente por cadenas alifticas y anillos aromticos sustituidos y grupos funcionales que contienen oxgeno: carbonilo (C=O), carboxilo (HO-C=O) y hidroxilo (-OH) (Fig. 2)

Figura 2. Modelo de la estructura de cidos hmicos propuesta por Senesi, 1996.


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ORIGEN DE LAS SUSTANCIAS HMICAS: De la degradacin biolgica (enzimtica) y qumica de restos de plantas y animales. Procesos a bajas temperaturas ( 50 C).

Sobre la base de su origen se definen: Los constituyentes principales de aguas, suelos y sedimentos formadas por la degradacin qumica y biolgica de restos de plantas y animales y por la actividad sinttica de microorganismos (Whitby y Schnitzer, 1978).

CLASIFICACIN DE LAS SUSTANCIAS HMICAS:

Clasificacin netamente operacional, basada en su solubilidad en medios cidos bsicos o solventes orgnicos:

FRACCIN MEDIO BSICO MEDIO CIDO ALCOHOLES CIDOS FLVICOS SOLUBLE SOLUBLE SOLUBLE CIDOS HMICOS SOLUBLE INSOLUBLE INSOLUBLE HUMINAS INSOLUBLE INSOLUBLE INSOLUBLE

NaOH HCl

COMPOSICIN DE LAS SUSTANCIAS HMICAS:

MAYORITARIOS: C, H, O, N y S.

FRACCIN CARBONO (%) OXGENO (%) CIDOS HMICOS 55 45 CIDOS FLVICOS 30 46

ESTRUCTURA DE LAS SUSTANCIAS HMICAS:

Se conocen algunas caractersticas de su estructura:

IR: Grupos funcionales RMN (1H y 13C): Grupos funcionales y estructura. CG/EM: Degradacin de las sustancias hmicas a molculas mas sencillas y posterior anlisis

por cromatografa de gases-espectrometra de masas par determinar estructura.


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Se deduce: Estructuras aromticas y poliaromticas, con cadenas alifticas y grupos funcionales como carbonilo (C=O), carboxilo (HO-C=O) y hidroxilo de alcoholes o fenoles (-O-H), compuestos heteroatmicos con N y S (Fig. 2).

IMPORTANCIA DEL ESTUDIO DE LAS SUSTANCIAS HMICAS:

Fertilidad de suelos. Procesos de meteorizacin: Las sustancias hmicas como agente de meteorizacin. Transporte y acumulacin de elementos metlicos: Contaminacin, ambiental. Transporte y acumulacin de elementos metlicos: Prospeccin. Origen de los depsitos biognicos: Petrleo y carbn.

DEPSITOS BIOGNICOS

DIVIDIDOS EN DOS GRUPOS No Combustibles: calizas, slice biognica y fosfatos Combustibles: petrleo y carbn


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PETRLEO

PETRLEO: Cualquier ocurrencia natural de material en estado gaseoso, liquido, semi-slido o slido compuesto por hidrocarburos, con menores cantidades de nitrgeno, oxigeno y azufre y metales como V y Ni. Fraccin slida: asfalto, bitumen. Fraccin gaseosa: Gas natural. Fraccin lquida: crudo.

Ambientes sedimentarios propicios para la preservacin de la materia orgnica y la formacin de depsitos de petrleo: Marino, lacustrino.

GEOQUMICA DEL PETRLEO:

Aplicacin de los principios qumicos al estudio del origen, migracin, acumulacin y alteracin del petrleo (crudo y gas), y el uso de estos conocimientos en la exploracin y explotacin del petrleo (Hunt, 1995).

Aplicacin de los principios y mtodos de la qumica orgnica en la geologa del petrleo (Hunt et al., 2002).

Aplicacin de los principios y tcnicas de la qumica orgnica al estudio del origen, migracin, acumulacin y alteracin del petrleo (crudo y gas), paralelo al estudio de las caractersticas geolgicas y geoqumicas del ambiente de formacin y acumulacin, y su uso en la exploracin y explotacin del petrleo (Lpez, 2002).

DIVISIONES DE LA GEOQUMICA DEL PETRLEO 1. Rocas fuente. 2. Maduracin y generacin de la materia orgnica. 3. Origen de los hidrocarburos. 4. Origen de los compuestos NSO. 5. Migracin y acumulacin. 6. Correlaciones crudo-crudo y crudo-roca fuente. 7. Biomarcadores. 8. Geoqumica de istopos estables (C, S). 9. Estudios integrados de cuencas petrolferas. 10. Mtodos de exploracin en superficie.


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Geoqumica del Petrleo Exploracin Produccin

GENERACIN DEL PETRLEO (Fig. 3) ETAPAS: DIAGENESIS CATAGENESIS METAGENESIS

Figura 3. Etapas de generacin del petrleo (modificado de Tissot y Welte, 1984).


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DIAGNESIS: Proceso por el cual la materia orgnica (alctona o autctona), producto del decaimiento de los organismos sufre una serie de cambios bajo condiciones de bajas temperaturas (mximo 50 C) y profundidades que no sobrepasan los cientos de metros. Durante la diagnesis uno de los principales agentes de transformacin de la materia orgnica es la actividad microbial, las biomolculas (biopolmeros) son destruidas por la actividad microbial generando nuevos constituyentes denominados geopolmeros, precursores del quergeno (Fig. 4).

Figura 4. Esquema de evolucin de la materia orgnica de origen biolgico y su transformacin a sustancias hmicas como precursoras del quergeno.


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Como consecuencia de este proceso durante la diagnesis se tiene.

El hidrocarburo que se genera en mayor proporcin durante la diagnesis es el CH4 (biognico), tambin ocurre la formacin de CO2 y H2O y algunos compuestos heteroatmicos de alto peso molecular.

La fase inorgnica de los sedimentos tambin sufre una serie de cambios como compactacin y expulsin de agua, disolucin y reprecipitacin de minerales.

Durante esta etapa tambin se pueden formar nuevos minerales como sulfuros dependiendo de las condiciones sulfato-reductoras del ambiente de sedimentacin (Fe, Cu, Ni, Zn) y carbonatos (FeCO3 siderita).

La materia orgnica depositada en los sedimentos consiste en biopolmeros (protenas, carbohidratos, lpidos), estos materiales pueden sufrir una serie de cambios por procesos biolgicos, consecuencia de la actividad microbial en el ambiente de sedimentacin, dando como resultado un material ms complejo denominado geopolmeros.

Durante la diagnesis, bajo condiciones reductoras, la mezcla compleja de biopolmeros y geopolmeros resultados de procesos biolgicos a bajas temperaturas lleva a la formacin de un material caracterizado por una mayor proporcin de C e H y una menor proporcin de grupos funcionales con O, N y S.

CATAGNESIS: Durante la catagnesis la materia orgnica sufre nuevamente una serie de cambios producidos por el incremento en la temperatura. El intervalo de temperatura en el cual ocurren estos cambios se encuentra entre 50 a 150 C (Tissot y Welte, 1984) o entre 50 a 200 C (Hunt, 1995).

Como consecuencia de este incremento en la temperatura la materia orgnica sufre una serie de cambios que llevan a la formacin del petrleo:

Generacin de compuestos del tipo hidrocarburos (saturados y aromticos) y NSO (resinas y asfaltenos) por reacciones de craqueo trmico.

La fase inorgnica de los sedimentos tambin sufre cambios, con incremento en la


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compactacin y expulsin de agua y disminucin de la porosidad y permeabilidad.

La catagnesis corresponde a la etapa de generacin de petrleo.

La catagnesis de la materia orgnica ocurre cuando los sedimentos alcanzan profundidades donde las condiciones de temperatura producen el craqueo trmico del quergeno, llevando a la generacin del petrleo. La cantidad y tipo de petrleo generado por una roca fuente se relaciona al tipo de quergeno presente en esta, y el tipo de quergeno formado va a depender del tipo de materia orgnica depositada originalmente en el ambiente de sedimentacin.

METAGNESIS: En esta etapa las temperaturas pueden ser superiores a los 200 C. Al alcanzar esta etapa ya los sedimentos han sido transformados en rocas sedimentarias y ha ocurrido la generacin de petrleo.

Por este incremento de la temperatura la roca sedimentaria sufre una serie de cambios en su composicin mineralgica y es transformada en una roca metamrfica.

Entre los cambios en la fase mineralgica est la transformacin de los xidos de hierro, como por ejemplo Goethita (FeOOH) a hematita (Fe2O3), los minerales de arcilla son transformados en micas. Durante esta etapa el principal hidrocarburo generado es el CH4.

La materia orgnica residual en la roca fuente es transformada en material grafitoso.


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CARBN

CARBN: Roca sedimentaria que contiene mas del 50% en peso de materia orgnica formada por la compactacin y maduracin de restos de plantas superiores. Formado a partir de remanentes de plantas superiores (principalmente lignina, taninos, celulosa y en menor proporcin protenas). Ambientes sedimentarios propicios para la preservacin de la materia orgnica y la formacin de depsitos de carbn: paludal y deltico.

DEFINICIN DE GEOQUMICA DEL CARBN

1. Aplicacin de los principios y tcnicas de la qumica orgnica al estudio del origen, caractersticas y condicin como roca madre para el carbn, relacionado al estudio de las caractersticas geolgicas y geoqumicas del ambiente de formacin (Lpez, 2002).

DIVISIONES DE LA GEOQUMICA DEL CARBN

Geoqumica del Carbn Origen del carbn

Ambiente de formacin Carbn como roca madre de petrleo

TRANSFORMACIONES DE LA MATERIA ORGNICA QUE LLEVAN A LA FORMACIN DEL CARBN:

Incluye dos etapas:

BIOLGICA QUMICA

ETAPA BIOLGICA O BIOQUMICA: Conversin del material vegetal en turba, etapa de alta actividad biolgica. La formacin de la turba incluye los siguientes procesos:

Descomposicin de las sustancias solubles en agua. Descomposicin de lo celulosa. Alteracin de la lignina (algunos grupos funcionales).


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La etapa bioqumica culmina cuando las condiciones no son apropiadas para los organismos, como consecuencia de:

Incremento de la profundidad de soterramiento. Incremento de la temperatura y la presin a condiciones no adecuadas para los organismos.

Desarrollo de condiciones de anoxia que impiden el desarrollo de los organismos.

ETAPA QUMICA: Ocurre con el incremento de la temperatura y presin y los procesos comienzan a ser reacciones qumicas que llevan a la perdida de grupos funcionales y polimerizacin del material.

Perdida de grupos funcionales. Aumento del grado de aromatizacin. Aumento relativo del contenido de carbono. Disminucin relativa del contenido de H, O, N.

Durante estas etapas se van generando materiales cada vez mas maduros Rangos del carbn. Con el incremento de la temperatura y la presin se pueden alcanzar condiciones donde la roca es sometida a metamorfismo y por lo tanto la materia orgnica presente en la roca es transformada a material grafitoso.

En resumen para la formacin de carbn:

1. Formado principalmente por materia orgnica de plantas superiores (materia orgnica terrestre).

2. Etapas de formacin: biolgica y qumica.

3. Los denominados rangos de evolucin del carbn estn relacionados a las etapas de madurez con el incremento de la temperatura y la presin.

4. Ambientes para la preservacin de materia orgnica de origen terrestre: delticos, paludales.


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REFERENCIAS

Hunt, J.M. 1995 Petroleum Geochemistry and Geology. W.H. Freeman. New York, Second Edition, 743 p.

Hunt, J.M., Philp, P.R. and Kvenvolden, A. K. 2002 Early developments in petroleum geochemistry Organic Geochemistry. V. 33, 1025-1052.

Killops, SD and Killops VJ. 1993 An Introduction to Organic Geochemistry. Longman Scientific & Technical, Essex, UK, 265 p.

Kvenvolden, A. K. 2002 History of the recognition of organic geochemistry in geosciences Organic Geochemistry. V. 33, 517-521.

Mason, M. and Moore, C.L. 1982 Principles of Geochemistry. John Wiley and Sons. Fourth Edition, New York, 344 p.

Schnitzer M.; S.U. Khan. 1972 Humic substances in the environment. Marcel Dekker, New York, 2-3.

Schnitzer, M. 1991 Soil organic matter The next 75 years. Soil Science. 151, 41-58.

Tissot, B.P. and Welte, D.H. 1984 Petroleum Formation and Occurrence. Springer-Verlag, New York. Second Edition, 699 p.

Whitby, L.M.; M. Schnitzer 1978 Humic and fulvic acids in sediments and soils of agricultural water sheds. Canadian Journal Soil Science 58: 167-178.

geoquimica parte 10

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