La geología de las lutitas bituminosas es una rama de las ciencias geológicas que estudia la formación y composición de las lutitas bituminosas, rocas sedimentarias de grano fino que contienen cantidades significativas de kerógeno y que pertenecen al grupo de los combustibles sapropel . [1] La formación de lutitas bituminosas tiene lugar en varios entornos deposicionales y tiene una variación considerable en su composición. Las lutitas bituminosas se pueden clasificar por su composición ( minerales de carbonato como la calcita o minerales detríticos como el cuarzo y las arcillas ) o por su entorno deposicional ( lagos grandes , entornos marinos poco profundos y lagunas /lagos pequeños). Gran parte de la materia orgánica de las lutitas bituminosas es de origen algal , pero también puede incluir restos de plantas vasculares terrestres . Los tres tipos principales de materia orgánica ( macerales ) en las lutitas bituminosas son la telalginita , la lamalginita y la bituminita . [2] Algunos depósitos de lutitas bituminosas también contienen metales que incluyen vanadio , zinc , cobre y uranio . [1] [3]
La mayoría de los depósitos de esquisto bituminoso se formaron durante el Cámbrico medio , el Ordovícico temprano y medio , el Devónico tardío , el Jurásico tardío y el Paleógeno a través del enterramiento por carga sedimentaria en la parte superior de los depósitos de pantanos de algas, lo que resultó en la conversión de la materia orgánica en kerógeno por procesos diagenéticos . [1] [4] Los depósitos más grandes se encuentran en los restos de grandes lagos, como los depósitos de la Formación Green River de Wyoming y Utah, EE. UU. Los depósitos de esquisto bituminoso formados en los mares poco profundos de las plataformas continentales generalmente son mucho más delgados que los depósitos de las grandes cuencas lacustres. [5]
El esquisto bituminoso pertenece al grupo de los combustibles sapropel. [1] No tiene una definición geológica definida ni una fórmula química específica, y sus vetas no siempre tienen límites discretos. Los esquistos bituminosos varían considerablemente en su contenido mineral, composición química, edad, tipo de kerógeno e historial de deposición y no todos los esquistos bituminosos se clasificarían necesariamente como esquistos en sentido estricto. [6] Su característica común es la baja solubilidad en disolventes orgánicos de bajo punto de ebullición y la generación de productos orgánicos líquidos en la descomposición térmica . [7]
Existen diferentes clasificaciones de esquistos bituminosos según su contenido mineral, tipo de kerógeno, edad, historial de sedimentación y organismos de los que se derivan. La edad de los depósitos de esquisto bituminoso conocidos varía desde el Cámbrico hasta el Paleógeno . Las litologías comprenden esquistos, margas y rocas carbonatadas , todas las cuales forman una mezcla de materia orgánica fuertemente unida y componentes inorgánicos. [6]
Las lutitas bituminosas se han dividido en tres categorías según su composición mineral: lutitas ricas en carbonatos , lutitas silíceas y lutitas de canal . Las lutitas ricas en carbonatos derivan su nombre de la gran cantidad de minerales carbonatados como la calcita y la dolomita . Se han encontrado hasta veinte minerales carbonatados en las lutitas bituminosas, la mayoría de los cuales se consideran autóctonos o diagenéticos . Las lutitas bituminosas ricas en carbonatos, en particular las de los depósitos de origen lacustre , suelen tener capas ricas en materia orgánica intercaladas entre capas ricas en carbonatos. Estos depósitos son formaciones duras que son resistentes a la intemperie y son difíciles de procesar utilizando métodos ex situ . [8] [9] Las lutitas bituminosas silíceas suelen ser lutitas de color marrón oscuro o negras. [9] No son ricas en carbonatos, sino en minerales silíceos como el cuarzo , el feldespato , la arcilla, el sílex y el ópalo . Las lutitas silíceas no son tan duras ni resistentes a la intemperie como las lutitas ricas en carbonatos, y pueden ser más adecuadas para la extracción mediante métodos ex situ . [8] Las lutitas en canal suelen ser lutitas de color marrón oscuro o negro, que consisten en materia orgánica que encierra por completo otros granos minerales. Son adecuadas para la extracción mediante métodos ex situ . [9]
Otra clasificación según el tipo de kerógeno, se basa en el contenido de hidrógeno , carbono y oxígeno de la materia orgánica original en la pizarra bituminosa. Esta clasificación utiliza el diagrama de Van Krevelen . [6] La clasificación más utilizada de las pizarras bituminosas fue desarrollada entre 1987 y 1991 por Adrian C. Hutton de la Universidad de Wollongong , adaptando términos petrográficos de la terminología del carbón. Según esta clasificación, las pizarras bituminosas se designan como terrestres , lacustres (depositadas en el fondo de lagos) o marinas (depositadas en el fondo de océanos), según el entorno donde se depositó la biomasa inicial. [2] [3] El esquema de clasificación de Hutton ha demostrado ser útil para estimar el rendimiento y la composición del petróleo extraído. [10]
El carbón de cannel (también llamado carbón de vela ) es un tipo de esquisto terrestre, que es carbón marrón a negro rico en hidrógeno, a veces con textura arcillosa, compuesto de resinas, esporas, ceras , materiales cutináceos y corchosos derivados de plantas vasculares terrestres , así como cantidades variadas de vitrinita e inertinita . Las lutitas lacustres consisten en lamosita y torbanita . La lamosita es una pizarra bituminosa de color marrón pálido y marrón grisáceo a gris oscuro a negra cuyo principal componente orgánico es la lamalginita derivada de algas planctónicas lacustres . La torbanita, llamada así por Torbane Hill en Escocia, es una pizarra bituminosa negra cuya materia orgánica es telalginita derivada de Botryococcus rico en lípidos y formas de algas relacionadas. Las lutitas marinas consisten en tres variedades, a saber, kukersita , tasmanita y marinita . La kukersita, llamada así por Kukruse en Estonia, es una pizarra bituminosa marina de color marrón claro cuyo principal componente orgánico es la telalginita derivada del alga verde Gloeocapsomorpha prisca . La tasmanita, llamada así por Tasmania , es una pizarra bituminosa de color marrón a negro cuya materia orgánica consiste en telalginita derivada principalmente de algas tasmanítidas unicelulares de origen marino. La marinita es una pizarra bituminosa de color gris a gris oscuro a negra de origen marino en la que los principales componentes orgánicos son lamalginita y bituminita derivadas del fitoplancton marino con diversas mezclas de betún , telalginita y vitrinita. [3]
Como combustible de sapropel, el esquisto bituminoso se diferencia de los combustibles de humus en su menor contenido de materia orgánica. La materia orgánica tiene una relación atómica de hidrógeno a carbono de aproximadamente 1,5, aproximadamente la misma que la del petróleo crudo y cuatro a cinco veces mayor que la del carbón . La materia orgánica en los esquistos bituminosos forma una estructura macromolecular compleja que es insoluble en solventes orgánicos comunes. [1] [10] Se mezcla con cantidades variadas de materia mineral. Para los grados comerciales de esquisto bituminoso, la relación de materia orgánica a materia mineral es de aproximadamente 0,75:5 a 1,5:5. [10]
La porción orgánica de la pizarra bituminosa consiste en gran parte de una masa de base bituminosa pre-bituminosa, como restos de algas, esporas , polen , cutículas de plantas y fragmentos corchosos de plantas herbáceas y leñosas, y restos celulares de otras plantas lacustres, marinas y terrestres. [10] [11] Mientras que las pizarras bituminosas terrestres contienen resinas, esporas, cutículas cerosas y tejidos corchosos de raíces y tallos de plantas terrestres vasculares, las pizarras bituminosas lacustres incluyen materia orgánica rica en lípidos derivada de las algas. Las pizarras bituminosas marinas están compuestas de algas marinas, acritarcos y dinoflagelados marinos . [10] La materia orgánica en la pizarra bituminosa también contiene azufre orgánico (alrededor del 1,8% en promedio) y una menor proporción de nitrógeno . [1]
Los tres tipos principales de materia orgánica ( macerales ) en la pizarra bituminosa son la telalginita, la lamalginita y la bituminita. La telalginita se define como materia orgánica estructurada compuesta de grandes algas unicelulares de paredes gruesas o coloniales, como Botryococcus y Tasmanites . La lamalginita incluye algas unicelulares o coloniales de paredes delgadas que se presentan como láminas distintas, pero muestran pocas o ninguna estructura biológica reconocible. Bajo el microscopio, la telalginita y la lamalginita se reconocen fácilmente por sus brillantes tonos de amarillo bajo la luz fluorescente ultravioleta/azul. La bituminita es en gran parte amorfa, carece de estructuras biológicas reconocibles y muestra una fluorescencia relativamente baja bajo el microscopio. Otros componentes orgánicos incluyen la vitrinita y la inertinita , que son macerales derivados de la materia húmica de las plantas terrestres. Estos macerales se encuentran generalmente en cantidades relativamente pequeñas en la mayoría de las pizarras bituminosas. [2]
La materia mineral presente en la pizarra bituminosa contiene minerales de silicato y carbonato de grano fino, como calcita , dolomita , siderita , cuarzo , rutilo , ortoclasa , albita , anortita , moscovita , anfípole , marcasita , limonita , yeso , nacolita , dawsonita y alumbre . Algunos depósitos de pizarra bituminosa también contienen metales como vanadio , zinc , cobre y uranio , entre otros. [1] [3]
La mayoría de los depósitos de esquisto bituminoso se formaron durante el Cámbrico medio , el Ordovícico temprano y medio , el Devónico tardío , el Jurásico tardío y el Paleógeno . [1] Estos se formaron por la deposición de materia orgánica en una variedad de entornos deposicionales que incluyen lagos de agua dulce a altamente salinos , cuencas marinas epicontinentales y plataformas submareales y estaban restringidos a áreas estuarinas como lagos de meandro , turberas , pantanos límnicos y costeros y muskegs . [3] Cuando las plantas mueren en un entorno acuático anaeróbico, los bajos niveles de oxígeno impiden su descomposición bacteriana completa . [4]
Para que la materia orgánica no descompuesta se conserve y forme esquisto bituminoso, el entorno debe permanecer uniforme durante períodos prolongados de tiempo para que se formen secuencias suficientemente espesas de materia de algas. Finalmente, el pantano de algas u otro entorno restringido se altera y cesa la acumulación de esquisto bituminoso. El enterramiento por carga sedimentaria sobre los depósitos del pantano de algas convierte la materia orgánica en kerógeno mediante los siguientes procesos diagenéticos normales:
Aunque su proceso de formación es similar, las lutitas bituminosas se diferencian de los carbones en varios aspectos. Los precursores de la materia orgánica de las lutitas bituminosas y del carbón difieren en el sentido de que las lutitas bituminosas son de origen algal, pero también pueden incluir restos de plantas vasculares terrestres que, más comúnmente, componen gran parte de la materia orgánica del carbón. El origen de parte de la materia orgánica de las lutitas bituminosas es oscuro debido a la falta de estructuras biológicas reconocibles que ayudarían a identificar los organismos precursores. Dichos materiales pueden ser de origen bacteriano o el producto de la degradación bacteriana de algas u otra materia orgánica. [3]
La temperatura y la presión más bajas durante el proceso de diagénesis en comparación con otros modos de generación de hidrocarburos dan como resultado un nivel de maduración más bajo de la pizarra bituminosa. El enterramiento continuo y el mayor calentamiento y el aumento de la presión a lo largo del tiempo podrían dar como resultado la producción convencional de petróleo y gas a partir de la roca madre de la pizarra bituminosa . [12] Los depósitos más grandes se encuentran en los restos de grandes lagos, como los depósitos de la Formación Green River de Wyoming y Utah, EE. UU. Las grandes cuencas de pizarra bituminosa de lagos se encuentran típicamente en áreas de fallas de bloques o deformación de la corteza debido a la formación de montañas . Los depósitos como el de Green River pueden tener hasta 2000 pies (610 m) y producir hasta 40 galones de petróleo por cada tonelada (166 L/t) de pizarra. [9]
Los depósitos de esquisto bituminoso formados en los mares poco profundos de las plataformas continentales son generalmente mucho más delgados que los depósitos de las grandes cuencas lacustres. Suelen tener unos pocos metros de espesor y se extienden sobre áreas muy grandes, que pueden llegar a abarcar miles de kilómetros cuadrados. De los tres tipos litológicos de esquistos bituminosos, los esquistos bituminosos silíceos son los que se encuentran con mayor frecuencia en dichos entornos. Estos esquistos bituminosos no son tan ricos en materia orgánica como los esquistos bituminosos depositados en lagos y, por lo general, no contienen más de 30 galones de petróleo extraíble por tonelada de esquisto bituminoso. Los esquistos bituminosos depositados en entornos de lagunas o lagos pequeños rara vez son extensos y, a menudo, están asociados con rocas que contienen carbón. [5] [9] Estos esquistos bituminosos pueden tener altos rendimientos, hasta 40 galones por tonelada (166 L/t) de esquisto bituminoso. Sin embargo, debido a su pequeña extensión, se los considera candidatos poco probables para la explotación comercial. [3]
Estados Unidos tiene dos importantes depósitos de esquisto bituminoso que son adecuados para el desarrollo comercial debido a su tamaño, grado y ubicación. La Formación Green River del Eoceno cubre partes de Colorado , Wyoming y Utah ; el segundo depósito significativo son los esquistos bituminosos del Devónico en el este de los Estados Unidos. En ambos lugares, hay subcuencas que varían en volumen y calidad de las reservas. El esquisto bituminoso en la Formación Green River se encuentra en cinco cuencas sedimentarias, a saber, Green River, Uinta, Piceance Creek, Sand Wash y Washakie. Las primeras tres han sido objeto de una importante exploración e intentos de comercializar las reservas de esquisto bituminoso desde la década de 1960. La Formación Green River incluye depósitos de dos grandes lagos que cubrían un área estimada de más de 65.000 kilómetros cuadrados (25.100 millas cuadradas) durante el Eoceno temprano a medio . Estos lagos estaban separados por el levantamiento de Uinta y el anticlinal de la Cuenca Axial . Durante períodos significativos de sus 10 millones de años de existencia, los lagos se convirtieron en sistemas cerrados que permitieron muchos cambios en el tamaño, la salinidad y la sedimentación. La deposición de esquistos bituminosos fue resultado de la abundancia de algas verdeazuladas que prosperaron en los lagos. [3]
El esquisto bituminoso que se encuentra debajo de casi 750.000 kilómetros cuadrados (289.580 millas cuadradas) en el este de los Estados Unidos se formó en un entorno de sedimentación marina, muy diferente de las cuencas del río Green. Estos depósitos también han sido objeto de intentos de comercialización; también son recursos de gas natural y se han extraído esquisto bituminoso de baja calidad. Estas pizarras bituminosas se formaron durante los períodos Devónico tardío y Misisipiense temprano . Durante este tiempo, gran parte del este de los Estados Unidos estaba cubierto por un gran mar poco profundo. Se cree que el esquisto bituminoso ha sido el resultado de la deposición lenta de algas planctónicas , en condiciones anóxicas. En partes de la cuenca cercanas a la costa, la mezcla orgánica que ayudó a formar el esquisto bituminoso contiene sedimentos ricos en materia orgánica de los montes Apalaches en ascenso . [3]
Brasil cuenta con nueve importantes yacimientos de esquisto bituminoso. El tamaño, la ubicación y la calidad de los yacimientos de esquisto bituminoso en el Valle de Paraíba y la Formación Irati han atraído la mayor atención. Estos dos contienen aproximadamente 1.400 millones de barriles de petróleo de esquisto in situ con recursos totales de más de tres mil millones de barriles. Si bien el yacimiento de la "formación Irati" es el más pequeño de los dos, ya que contiene aproximadamente 600 millones de barriles in situ en comparación con los 840 millones de la formación del Valle de Paraíba, el primero es más viable económicamente. [3]
La Formación Irati consiste en dos capas de esquisto bituminoso separadas por 12 metros (40 pies) de piedra caliza y esquisto. La capa superior es más gruesa (9 metros (30 pies)) pero la capa inferior, más delgada (4 metros (10 pies)) es de mayor valor; el porcentaje en peso del rendimiento de petróleo de esquisto es de alrededor del 12% para la capa inferior en comparación con el 7% para la superior. El rendimiento de esquisto bituminoso varía lateralmente y puede ser tan poco como el 7% para la capa inferior y el 4% para la capa superior. La formación es un depósito laminado de grano muy fino que varía en color desde gris oscuro hasta marrón y negro. Mientras que el 60-70% del esquisto consiste en minerales arcillosos, el resto está compuesto de materia orgánica. [3]
No se ha llegado a un consenso sobre la naturaleza depositacional exacta de la pizarra bituminosa de Irati. Una teoría sugiere que el material orgánico de la pizarra bituminosa de Irati se originó a partir de algas depositadas en un ambiente lacustre con una salinidad que varía desde la del agua dulce hasta la del agua salobre . Otra teoría sugiere que el sedimento orgánico puede haberse depositado en un ambiente marino poco profundo y parcialmente restringido. La clasificación de Hutton la describe como una pizarra bituminosa de origen marino. [3]
La pizarra bituminosa de kukersita de la era Ordovícica en Estonia es parte de la cuenca de esquisto bituminoso del Báltico y se depositó en entornos marinos poco profundos. El depósito es uno de los de mayor calidad del mundo, con más del 40 % de contenido orgánico y una tasa de conversión en petróleo y gas de esquisto del 66 %. La pizarra bituminosa se encuentra en una única capa calcárea de 2,5 a 3 metros (8,2 a 9,8 pies) de espesor y está enterrada a profundidades de 7 a 100 metros (23 a 328 pies). [6] El área total de la cuenca es de unos 3000 kilómetros cuadrados (1200 millas cuadradas). [1] El rendimiento de petróleo de la kukersita es del 30 al 47 %. La mayor parte de la materia orgánica se deriva del alga verde fósil, Gloeocapsomorpha prisca , que tiene afinidades con la cianobacteria moderna , Entophysalis major , una especie existente que forma tapetes de algas en aguas intermareales a submareales muy poco profundas. [14] Los minerales de la matriz incluyen calcita con bajo contenido de magnesio , dolomita y minerales siliciclásticos . No está enriquecido con metales pesados. [3]
Como rocas fuente para la mayoría de los yacimientos de petróleo convencionales , los depósitos de esquisto bituminoso se encuentran en todas las provincias petroleras del mundo, aunque la mayoría de ellos son demasiado profundos para ser explotados económicamente. [15] Al igual que con todos los recursos de petróleo y gas, los analistas distinguen entre recursos de esquisto bituminoso y reservas de esquisto bituminoso. "Recursos" se refiere a todos los depósitos de esquisto bituminoso, mientras que "reservas", representa aquellos depósitos de los cuales los productores pueden extraer esquisto bituminoso económicamente utilizando la tecnología existente. Dado que las tecnologías de extracción se desarrollan continuamente, los planificadores solo pueden estimar la cantidad de kerógeno recuperable. [16] [3] Aunque los recursos de esquisto bituminoso se encuentran en muchos países, solo 33 países poseen depósitos conocidos de posible valor económico. [17] [18] Los depósitos bien explorados, potencialmente clasificables como reservas, incluyen los depósitos de Green River en el oeste de los Estados Unidos, los depósitos terciarios en Queensland , Australia, depósitos en Suecia y Estonia , el depósito El-Lajjun en Jordania y depósitos en Francia, Alemania, Brasil , China, el sur de Mongolia y Rusia. Estos depósitos han dado lugar a expectativas de producir al menos 40 litros de petróleo de esquisto por tonelada de esquisto bituminoso, utilizando el ensayo de Fischer . [3] [6]
Una estimación de 2008 estableció los recursos mundiales totales de esquisto bituminoso en 689 gigatoneladas , equivalentes a un rendimiento de 4,8 billones de barriles (760 mil millones de metros cúbicos) de petróleo de esquisto, con las mayores reservas en los Estados Unidos , que se cree que tiene 3,7 billones de barriles (590 mil millones de metros cúbicos), aunque solo una parte es recuperable. [19] Según el World Energy Outlook 2010 de la Agencia Internacional de la Energía , los recursos mundiales de esquisto bituminoso pueden ser equivalentes a más de 5 billones de barriles (790 mil millones de metros cúbicos) de petróleo, de los cuales más de 1 billón de barriles (160 mil millones de metros cúbicos) pueden ser técnicamente recuperables. [15] A modo de comparación, las reservas probadas de petróleo convencional del mundo se estimaron en 1,317 billones de barriles (209,4 × 10 9 m 3 ), al 1 de enero de 2007. [20] Los mayores depósitos comerciales conocidos en el mundo se encuentran en los Estados Unidos en la Formación Green River , que cubre partes de Colorado , Utah y Wyoming ; alrededor del 70% de este recurso se encuentra en tierras propiedad o administradas por el gobierno federal de los Estados Unidos. [21] Los depósitos en los Estados Unidos constituyen el 62% de los recursos mundiales; juntos, Estados Unidos, Rusia y Brasil representan el 86% de los recursos del mundo en términos de contenido de petróleo de esquisto. [17] Estas cifras siguen siendo tentativas, con la exploración o el análisis de varios depósitos aún pendientes. [3] El profesor Alan R. Carroll, de la Universidad de Wisconsin-Madison, considera que los depósitos de esquisto bituminoso lacustre del Pérmico superior del noroeste de China, que no figuraban en las evaluaciones globales anteriores de esquisto bituminoso, son comparables en tamaño a la Formación Green River. [22]
