Formacion del carbón

Material preparado por A. Requena para el curso PS5216

1. Formación de Yacimientos
y Rango del Carbón

2. 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.

3. Formación del Carbón
Roca sedimentariade 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.

4. Acumulación de la materia vegetalZona Costera - Marítima
Zona Margosa o
Lagunar
Zona Forestal Zona Continental
Ambiente anaeróbico. Depósitos no estratificados formando
bloque denominado sapropel
Elevada humedad
Suelo neutro o
ligeramente alcalino.
Rico en minerales
Climas cálidos –
templados.
Suelos con valores
intermedios de
acidez 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 y
Algas
Material fresco.
Esporas, Cutinas,
Resinas
Musgos y herbáceas
TURBA LOWMOOR TURBA
SEDIMENTARIA
TURBA TIPO HIGHMOOR FUSINITA
EXINITA
EXINITA
Alguinitas
Esporinitas
EXINITA Esporinita
Cutinita
Alginita
VITRINITA
EXINITA Esporinita
Cutinita
Resinita
Fusinita
Esporinita
pH
O
2

5. 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:

6. 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.

7. Carbohidratos
Especies químicas más
abundantes en los
vegetales.
Calulosa:
Unidad monomérica
También pertenecientes
a este grupo:
Almidón
Pectina
Quintina
Acido alginico
Pentosas
Formula General: C
n(H
2O)
m

8. Glicósidos
Condensado de naturaleza
aromática con grupos:
oxidrilos (-OH),
metoxilo (-O-CH
3),
puentes de oxígeno (-O-)
y cetónicos (-CO-)
Ligninas:
Unidades monoméricas
alcohol coniferílico
alcohol sinapropílico
alcohol p-cumarílico

9. Otras estructuras propuestas para las ligninas

10. Glicósidos
Compuestos condensados de
carácter aromático y
fenólico.
Alta resistencia química.
Principales Lignanos:
Acido guayarético
Conidendrina
Olivilo
Pinoresinol
Lignanos:





11. Proteínas
Compustos nitrogenados (15-19% N
2)
formados por polimerización de
aminoácidos.
Sufren fácil degradación química por
hidrólisis formando aminoácidos.
Su proporción en las plantas varía en muy
amplios límites.

12. Alcaloides, porfirinas y pigmentos
Nicotina
Quinina
Cafeína
Clorofila
caroteno

13. Grasas, Ceras y Resinas
Grasas:
–Ésteres carboxílicos derivados de ácidos grasos y
glicerina o alcoholes superiores. Predominio del
C
16 (palmítico) y C
18(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)

14. Teoría de Carbogénesis

15. Diagénesis
La materia orgánica pierde la mayor parte de los grupos
funcionales asociados.
Duración: 10
6
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 (CH
4; CO
2y H
2S)
Acidos húmicos
Sustancias bituminosas (a partir de ceras, resinas y grasas)
Transformación de restos orgánicos por reacciones bioquímicas.

16. Resistencia a la degradación
Según 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
Aumenta resistencia a la degradación

17. Subsidencia:
Etapa indispensable en la formación del carbón

18. 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.

19. 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.

20. Proceso evolutivo de la materia vegetal
en la formación de la hullaMATERIA 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

21. Serie del Carbón.
turba lignitobituminosoantracita

22. El azufre en el carbón.

23. Factores en la formación del carbón mineral
•Tipo de vegetación.
•Era geológica de
fomacióndel 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.

24. Período geológico y tipo de carbón.

25. 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.
Kerogeno
Insoluble en disolventes orgánicos.
Heteropolímero de alto peso
molecular

26. 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
DurantelaCarbogénesis:
PérdidadeCO
2 O/C&H/C
PérdidadeH
2O O/C&H/C
Pérdidade-CH
2 H/C

27. 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.

28. 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.

29. Variación de parámetros del rango con
la profundidad
Carbón alemán en el distrito de Ruhr
% C
% H
Análisis Elemental
Poder calorífico
Análisis Inmediato

30. Variación de parámetros del rango con
la profundidad
Carbón alemán en el distrito de Saar
Poder Calorífico% C
Materias Volátiles

31. Variación del rango con el tiempo

32. Relación entre parámetros que afectan
el rango del carbón.

33. 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.

34. Variación del análisis inmediato con el
Rango del carbón.
Lignito B Lignito A
Sub
-
bituminoso A
Sub
-
bituminoso B
Sub
-
bituminoso C
Bituminoso
Alto Volátil A
Bituminoso
Alto Volátil C
Bituminoso
Alto Volátil B
Bituminoso
Medio Volátil
Bituminoso Bajo Volátil
Semi
-
antracita
Antracita
Meta
-
antracita

35. Variación del Poder Calorífico con el
Rango del carbón.