Caracterización de la materia orgánica

5.1. Introducción

En los últimos años, se han producido importantes avances en el estudio de la relación que existe entre la materia orgánica y la génesis de muchos depósitos minerales, como atestiguan numerosas publicaciones especiales (p.e. Parnell et al., 1993; Giże, 1999; Giordano et al., 2000; Coveney y Pašava, 2004) y artículos (p.e. Eugster, 1985; Disnar y Sureau, 1990; Mossman, 1999). En particular, se ha demostrado que los betunes juegan un importante papel en la formación de muchos depósitos tipo Mississippi Valley (p.e. Powell y Macqueen, 1984; Marikos et al., 1986; Goodarzi y Macqueen, 1990; Disnar, 1996; Hu Ming An et al., 1997, 1998; Fallara et al, 1998; Spangenberg y Macko, 1998; Spangenberg et al., 1999; Rogers y Savard, 2002) y depósitos de U (p.e. Landais, 1993; Turner et al., 1993). Los betunes también han jugado un papel clave en los depósitos de Cu tipo manto de El Soldado o del área de Copiapó, Chile (p.e. Wilson y Zentilli, 1999; Wilson, 2000; Cisternas y Hermosilla, 2006), y en los depósitos de esmeraldas de Colombia (p.e. Giuliani et al., 2000). Por descontado, la presencia de hidrocarburos líquidos o sólidos ha sido ampliamente documentada en los depósitos de Zn-Pb asociados a diapiros del Norte de África y la Costa del Golfo, tal como se ha indicado en el capítulo 2. En la CVC, el depósito MVT de La Florida (Cantabria) constituye otro ejemplo de asociación entre materia orgánica y mineralizaciones (Hu Ming An et al., 1997, 1998). En los depósitos peridiapíricos objeto de este trabajo, dicha relación ha sido observada en los tres diapiros estudiados, ya que existen betunes sólidos impregnando el encajante y las mineralizaciones en prácticamente todas las localidades descritas. El objetivo del presente capítulo es caracterizar el betún, conocer su origen y su relación con las mineralizaciones. Para ello se ha llevado a cabo el estudio petrográfico de los betunes, así como la determinación de su reflectancia y su análisis mediante la técnica de Rock-Eval. Dicho trabajo se realizó en el ISTO (Institut des Sciences de la Terre d'Orléans), organismo dependiente del CNRS (Centre National de la Recherche Scientifique) y de la Université d'Orléans.

5.2. Materia orgánica en las rocas

El término "materia orgánica" incluye todos los materiales ricos en carbono (normalmente de origen biológico) constituidos por sustancias que contienen enlaces C- H y/o C-C. Esta definición permite distinguir entre los materiales orgánicos y los inorgánicos presentes en la corteza terrestre, pero resulta demasiado amplio, siendo insuficiente si se pretende abordar su estudio en relación con los depósitos minerales (Leventhal y Giordano, 2000). La mayoría de las nomenclaturas usadas para describir la materia orgánica procede de disciplinas científicas especializadas, como la química del petróleo, la geología del carbón o las ciencias edáficas, y por ello no siempre son útiles en el contexto del estudio de los depósitos minerales. Además, no suelen ser términos familiares en el campo de la génesis de depósitos, por lo que a continuación se definirán brevemente algunos de los que se usarán a lo largo de este capítulo.

Atendiendo a su movilidad y solubilidad, la materia orgánica presente en la corteza terrestre puede ser clasificada en tres grandes grupos: kerógeno, betún y carbón (Mossman y Thompson-Rizer 1993, figura 5.1).

- El kerógeno es materia orgánica sedimentaria insoluble en disolventes orgánicos, y consiste en una compleja mezcla de compuestos orgánicos de elevado peso molecular (Giordano, 2000). Se trata de materia orgánica inmóvil, que quedó fijada en las rocas sedimentarias en el momento de su deposición, y no fue movilizada posteriormente. Petrográficamente, el kerógeno es un tipo de materia orgánica dispersa, constituida por partículas orgánicas con una morfología definida (macerales) y materia no estructurada (Giże, 2000).

- El betún consiste en materia orgánica móvil, y por tanto, con potencial migratorio. La magnitud de la migración es variable, pudiendo ser nula, milimétrica o incluso kilométrica. Se trata de sustancias líquidas (petróleo, gas condensado) que pueden sufrir una solidificiación posteriormente (betunes sólidos). Su composición química es compleja, constituida por proporciones variables de hidrocarburos saturados, aromáticos, resinas y asfaltenos (Landis y Castaño, 1995; Mossman y Nagy, 1996). Los betunes proceden de la evolución del kerógeno (Giordano, 2000; Giże, 2000). - Los carbones son sustancias sólidas, constituidas principalmente por carbono.

Pueden originarse a partir de materias orgánicas pobres en hidrógeno (restos de plantas vasculares), o bien a partir de la evolución térmica del kerógeno o de los betunes, por pérdida sucesiva de H, O y N (Mossman y Thompson-Rizer, 1993). A estas tres categorías, se podría añadir una más, consistente en las sustancias húmicas (también denominadas material húmico). Se trata de geopolímeros amorfos, de color marrón o negro, constituidos por compuestos no del todo definidos, formados en los suelos y sedimentos a partir de biopolímeros. Las sustancias húmicas, entre las que se encuentran el ácido húmico, el ácido fúlvico y la humina, contienen proporciones de C, H y O prácticamente iguales, y se hallan presentes en los primeros centenares de metros de la columna sedimentaria. A mayor profundidad, tiene lugar su evolución térmica, dando lugar al kerógeno. No hay que confundir las sustancias húmicas con la materia orgánica húmica. Esta última es el término usado para denominar los productos de la descomposición y polimerización de la lignina, el tanino y la celulosa de los restos vegetales, además de la materia orgánica carbonizada depositada en zonas pantanosas y suelos aeróbicos pero con contenidos en oxígeno inferiores a la media (Giordano, 2000) Otro esquema de clasificación orgánica se refiere a los macerales. Se trata de partículas orgánicas discretas, que constituyen la materia orgánica sólida, y se caracterizan por su

morfología y sus propiedades químicas, físicas y ópticas, lo que permite su identificación mediante microscopía óptica. Los macerales son el análogo a los minerales de las rocas inorgánicas, con la diferencia de que un maceral no es una fase en el sentido termodinámico, puesto que su composición química y sus propiedades físicas no son uniformes. Se puede dividir a los macerales en diferentes grupos (Giordano, 2000; Giże, 2000), entre los cuales, los más frecuentes son:

- Grupo de la liptinita: originados a partir de restos orgánicos de plantas, tanto terrestres como acuáticas. Incluye los macerales esporinita, cutinita, alginita, bituminita, resinita y exudatinita. Este último maceral también es conocido como migrabetún o betún sólido, lo que representa una fuente de confusión.

- Grupo de la vitrinita: macerales cuyo origen está en las plantas terrestres leñosas. La maduración térmica produce en la vitrinita un incremento progresivo de la reflectancia. Aunque este fenómeno también ha sido observado en macerales de otros grupos, la relativa abundancia de la vitrinita, unido a la homogeneidad en sus propiedades físicas y químicas, hace que la reflectancia en la vitrinita sea usada de manera estándar para estimar el índice de madurez térmico de la materia orgánica en las rocas.

- Grupo de la inertinita: es un grupo de macerales formados a partir de procesos oxidativos, como incendios forestales u oxidación subaérea. Incluye los macerales micrinita, fusinita, esclerotinita e inertodetrinita. Tienen un alto contenido en carbono, un contenido bajo en hidrógeno y una reflectancia alta.

También existen clasificaciones químicas, en las que la materia orgánica es normalmente proyectada en función de sus relaciones atómicas H/C vs O/C (diagrama de Van Krevelen) o de datos procedentes de la pirólisis Rock-Eval, como el diagrama del índice de H vs índice de O. Ambas representaciones gráficas permiten describir la fuente del kerógeno, distinguiéndose tres tipos principales: tipo I (origen lacustre algal), tipo II (origen marino) y tipo III (origen continental). El kerógeno tipo I está relacionado composicional y evolutivamente con el maceral alginita, y representa los valores de kerógeno más rico en H. En cambio, el tipo III representa la evolución del maceral vitrinita, habiendo sido relacionado durante mucho tiempo con los carbones (Leventhal y Giordano, 2000).

Existen otros términos relacionados con el proceso de maduración de la materia orgánica en cuencas sedimentarias, denominados diagénesis, catagénesis y metagénesis (Giordano, 2000; Leventhal y Giordano, 2000):

- En los estudios de materia orgánica, la diagénesis es el estadio durante el cual las sustancias húmicas se transforman en kerógeno.

- La catagénesis representa el estadio principal de generación de hidrocarburos, y corresponde a temperaturas entre 50 y 150ºC y presiones entre 300 y 1500 bar. Durante este estadio, el kerógeno evoluciona y produce petróleo y gas natural. Al final de la catagénesis, el kerógeno ha perdido totalmente las cadenas alifáticas de carbono. La reflectancia equivalente de vitrinita va de 0.5 a 2.0%.

- La metagénesis es el estadio correspondiente a temperaturas entre 150 y 250ºC, durante el cual se genera metano. En el residuo carbonoso que queda en las rocas, comienza a desarrollarse cierto grado de ordenamiento cristalino. Equivale a una reflectancia de vitrinita entre 2 y 4%.

5.3. Betunes sólidos

Los betunes consisten en hidrocarburos líquidos, o sólidos pero previamente líquidos. Los betunes sólidos, denominados también migrabetún por Jacob, (1989, 1993) o hidrocarburos sólidos por Landis y Castaño (1995) pueden definirse como aquellas sustancias sólidas de color y dureza variable, solubles en disolventes orgánicos y CS2.

Otro término relacionado es pirobetún, refiéndose a aquellos betunes sólidos que han sufrido un grado de maduración mayor, siendo infusibles y relativamente insolubles en disolventes orgánicos (Landis y Castaño, 1995; Giordano, 2000).

Se han propuesto diversas nomenclaturas para la clasificación de los materiales bituminosos, pero ninguna de ellas es de uso generalizado y aceptada de manera unánime. Las primeras clasificaciones correspondían a esquemas puramente descriptivos, basados en la solubilidad en CS2 (Abraham, 1960; en Jacob, 1989), y no

resultaban distintivas de la fuente ni indicativas de la génesis. Posteriormente, Jacob (1989, 1993) propuso una compleja clasificación basada no sólo en la solubilidad en CS2, sino también en otras propiedades como reflectancia, fluorescencia, relación H/C,

temperatura de ablandamiento, microdureza y densidad. Además, establece series genéticas continuas, en las que los distintos términos se caracterizan por una mayor reflectancia y diferentes propiedades químicas en función de su grado de evolución térmica.

Los betunes sólidos pueden ser el resultado de procesos muy diversos. Curiale (1986) distingue dos grandes tipos: pre-oil y post-oil. Los primeros son materiales inmaduros, producto de la generación temprana de petróleo en rocas madre, y probablemente extruídos como fluidos muy viscosos, que han migrado hacia fracturas recorriendo distancias mínimas. Por el contrario, los betunes sólidos post-oil son el producto de la alteración de un petróleo líquido, que se generó y migró desde una roca madre madura. Tras su generación y expulsión, tanto los betunes sólidos pre-oil como los post-oil pueden ser sometidos a los mismos procesos de modificación, tales como biodegradación, devolatilización y alteración térmica, resultando en materiales equivalentes, que sólo se pueden distinguir mediante una caracterización geoquímica orgánica. Mossman y Nagy (1996) coinciden con Curiale, y postulan que los betunes sólidos pueden formarse directamente a partir de kerógenos (pre-oil) o bien formarse a partir de un petróleo líquido por coagulación de los asfaltenos, como consecuencia de procesos de alteración tales como cracking térmico, oxidación, biodegradación, lixiviación o deshidratación. El proceso de coagulación consistiría en un sucesivo aumento de viscosidad por pérdida de los componentes más volátiles, hasta alcanzar un estado sólido, constituido por asfaltenos totalmente coagulados. El aumento de viscosidad va acompañado de un enriquecimiento en 13C, y en compuestos heteroatómicos (con radicales de N, O o S) y aromáticos. Otros autores sugieren que los betunes sólidos son el producto residual que permanece en las rocas madre o en sus inmediaciones tras la generación del petróleo (Jacob, 1989; Landis y Castaño, 1995). En cualquier caso, ninguna de estas hipótesis es excluyente, estando todas ellas relacionadas con los procesos de formación y/o alteración de los hidrocarburos líquidos.

Figura 5.1:

.

Clasificación de la materia orgánica presente en las rocas precámbricas y fanerozoicas (Mossman y Thompson-Rizer, 1993)

PRODUCCIÓN