El pirobitumeno es un tipo de materia orgánica sólida y amorfa . El pirobitumeno es mayoritariamente insoluble en disulfuro de carbono y otros disolventes orgánicos como resultado de la reticulación molecular , que hace que la materia orgánica previamente soluble (es decir, el betún ) sea insoluble. [1] [2] No todos los betunes sólidos son pirobitumenos, ya que algunos betunes sólidos (por ejemplo, la gilsonita ) son solubles en disolventes orgánicos comunes, incluido el CS
2, diclorometano y mezclas de benceno y metanol .
Si bien la principal distinción entre el betún y el pirobitumen es la solubilidad, los procesos térmicos que impulsan la reticulación molecular también reducen la relación atómica de hidrógeno a carbono de más de uno a menos de uno y, en última instancia, a aproximadamente la mitad. También debe entenderse que tanto la solubilidad como las relaciones atómicas de H/C forman un continuo, y la mayoría de los betunes sólidos tienen componentes solubles e insolubles. La distinción entre el pirobitumen y el kerógeno residual en una roca madre madura se basa en evidencia microscópica de flujo de fluido dentro de la estructura de la roca y, por lo general, no se determina.
Los términos betún y pirobitumen tienen definiciones relacionadas en la corteza terrestre y en el laboratorio. En geología, el betún es el producto de la deposición y maduración de la materia orgánica. El material orgánico extraíble (EOM) en las rocas generadoras de petróleo y las rocas de yacimiento se define como betún. Tras la exposición a altas temperaturas regionales a lo largo del tiempo geológico , el betún se convierte en pirobitumen como resultado de las reacciones activadas térmicamente que expulsan los productos de petróleo y gas más ligeros y dejan un residuo insoluble rico en carbono. El pirobitumen representa una fracción significativa del destino final de los líquidos de petróleo formados a partir del kerógeno durante la catagénesis. En el laboratorio, los experimentos en rocas ricas en materia orgánica (esquistos bituminosos y rocas generadoras de petróleo), la descomposición de la materia orgánica inicialmente insoluble (definida como kerógeno) produce productos gaseosos y líquidos. El fluido soluble que permanece en la roca calentada se define como betún. Tras una mayor exposición térmica, el betún continúa evolucionando y se desproporciona en pirobitumen y más petróleo y gas.
Los términos betún y asfalto se utilizan a menudo indistintamente para describir formas de petróleo muy viscosas o sólidas que se han utilizado en la construcción desde el quinto milenio a. C. El betún es distinto del alquitrán , que describe adecuadamente un producto formado por pirólisis (destilación destructiva) de carbón o madera. La brea recuperada del petróleo por destilación también se denomina a veces betún o asfalto.
La expresión "betún" tiene su origen en el sánscrito , donde encontramos las palabras jatu, que significa "brea", y jatu-krit, que significa "creador de brea", "productor de brea" (en referencia a árboles coníferos o resinosos). Algunos afirman que el equivalente en latín fue originalmente gwitu-men (relativo a la brea), y otros, pixtumens (brea que exuda o burbujea), que posteriormente se acortó a betún.
Hunt [3] define el betún como una sustancia nativa de color, viscosidad y volatilidad variables compuesta principalmente de carbono e hidrógeno. Además, define el petróleo como una forma de betún que es gaseoso o líquido en el yacimiento y se puede producir a través de una tubería. Otros betunes varían de muy viscosos (por ejemplo, los petróleos pesados de Athabasca y Venezuela, los pozos de alquitrán de La Brea ) a sólidos (por ejemplo, gilsonita , ozocerita , grahamita , impsonita ). El pirobitumeno se forma por descomposición térmica y reticulación molecular del betún. El pirobitumeno se distingue de otros betunes sólidos extruidos de rocas generadoras ricas en kerógeno de maduración temprana (por ejemplo, gilsonita) y betunes semisólidos en arenas petrolíferas de alta viscosidad formadas por lavado con agua y biodegradación de petróleo convencional (por ejemplo, arenas bituminosas de Athabasca ), todos los cuales son solubles en disulfuro de carbono.
Los sistemas de clasificación arcaicos para clasificar los betunes se construyeron sin el amplio conocimiento de la geoquímica orgánica desarrollado en los últimos 50 años. El pirobitumen se definió originalmente como un betún sólido que es insoluble e infusible. El sistema de clasificación original para el betún sólido de Abraham, [4] adaptado de Curiale, [5] se muestra en la Figura 1. Curiale dice que si bien el esquema de clasificación histórica es útil para clasificar colecciones de museos, no es útil para establecer relaciones genéticas, y propuso la clasificación alternativa que se muestra en la Figura 2.
Aunque no existe una relación directa entre los sistemas de clasificación de las figuras 1 y 2, un tipo de pirobitumen es un subconjunto del betún sólido post-petróleo formado por la degradación térmica del kerógeno y el petróleo. De las 27 muestras investigadas por Curiale, las tres muestras de impsonita tenían una solubilidad baja (<3%) y una relación H/C baja (<0,9) característica de la materia orgánica altamente madura. Estas muestras también tenían el contenido más bajo de asfaltenos , el contenido más alto de aromáticos y el contenido más alto de volátiles en la fracción soluble. Los depósitos de carbono asociados con los nódulos de uranio también tenían solubilidades bajas y relaciones H/C menores a 1,0 y corresponden a pirobitumen de origen inorgánico. A modo de comparación, la brea de alquitrán de hulla tiene una relación atómica H/C de aproximadamente 0,8. [6]
En la comunidad de geoquímica petrolera , el pirobitumen son los restos de petróleo alterado térmicamente que se generó previamente durante la maduración del kerógeno; gran parte de ese petróleo migró y se acumuló en un yacimiento de petróleo. Los estudios petrográficos de residuos de pirólisis hidratada, que se considera una buena simulación de laboratorio de la formación natural de petróleo, muestran la formación de una red bituminosa continua durante las primeras etapas de la transformación del kerógeno, parte de la cual se convierte en pirobitumen con una alta exposición térmica. [7] Esta definición es consistente con la que se da para el pirobitumen en el Glosario de la Sociedad de Ingenieros Petroleros: "un asfalto nativo duro dentro de los poros [de la roca]". Por lo general, no se mueve ni entra en la reacción". [8] Hunt [9] utiliza esta definición de residuo térmicamente maduro para calcular los balances de materiales para el destino del petróleo en madurez muy alta, tanto el retenido en la roca fuente como el de los yacimientos. El pirobitumen en yacimientos de petróleo térmicamente maduros ha sido caracterizado por Hwang. [10] Más recientemente, se considera que el pirobitum retenido en la roca madre desempeña un papel importante en el almacenamiento y la producción de gas de esquisto . [11]
En la retorta de esquisto bituminoso, el residuo de pirobitumeno tiene una relación atómica H/C de aproximadamente 0,5 y a menudo se lo denomina coque , [12] que tiene su análogo en la producción de coques de petróleo y carbón por destilación destructiva, aunque algunos trabajadores, por ejemplo, Wen y Kobylinski, [13] han utilizado de manera inapropiada el término pirobitumeno como el intermedio de reacción entre el kerógeno y el petróleo para distinguirlo del betún natural.
Algunas definiciones arcaicas de pirobitumen incluyen turba y lignito , aunque estos materiales experimentaron poco calentamiento geológico en comparación con el requerido para formar betún fluido, y mucho menos pirobitumen. Para los sólidos derivados de húmicos en la tierra, una posición análoga en la ruta de maduración del carbón lo colocaría en un mínimo en el rango bituminoso medio volátil (es decir, H/C < 0,8, O/C < 0,05 y reflectancia de vitrinita > 1,0 %). [14] [15] [16] Para los sistemas petroleros, Mukhopadhyay [17] afirma que el betún sólido comienza a formarse cuando la reflectancia de vitrinita alcanza el 0,45 %, es decir, las primeras etapas de la conversión de kerógeno en petróleo y gas. El betún también se vuelve más reflectante con la madurez, y da una reflectancia de betún equivalente de 0,6% para una reflectancia de vitrinita de 1,0%, que corresponde al límite entre asfalto/albertita y epi-impsonita. Aunque la definición arcaica de pirobitumen incluye betunes sólidos de baja madurez como la albertita, una definición más estrechamente vinculada a la formación y destrucción de petróleo a partir del kerógeno definiría al pirobitumen como alguien que tiene una relación H/C menor a 1,0. De hecho, la Guía de Biomarcadores [18] define al pirobitumen como alguien que tiene una relación H/C menor a 0,5, lo que corresponde a una reflectancia de vitrinita de aproximadamente 2,0% y un rango de carbón bituminoso a semiantracita de baja volatilidad . Hwang et al. [10] encontraron que la solubilidad de los betunes de yacimientos sólidos disminuyó por debajo del 50% para una reflectancia de vitrinita de 0,7% y por debajo del 20% para una reflectancia de vitrinita mayor de 1,0%, con una reflectancia de vitrinita de 1,1% correspondiente a una relación atómica H/C de 0,8. Warner et al. [19] también encontraron pirobitumen en el campo Tengiz con H/C de 0,8. También lo citan como de alta reflectividad, incluida la aparición de una textura de reflectividad en mosaico. La pirólisis produjo algo de petróleo similar al del que se derivó. Bordenave [20] describe el pirobitumen como de entre 1,5 y 2,5% y un rendimiento de pirólisis de menos de 80 mg de hidrocarburo/g de carbono orgánico. De estas descripciones y otros estudios de pirólisis, se desprende claramente que la relación H/C de 0,5 dada por Peters corresponde al final de dicho rendimiento de pirólisis, aunque el betún se vuelve insoluble, y por tanto pirobitumen, antes de esa madurez.