La geología del esquisto bituminoso es una rama de las ciencias geológicas que estudia la formación y composición de los esquistos bituminosos , rocas sedimentarias de grano fino que contienen cantidades importantes de querógeno y que pertenecen al grupo de los combustibles sapropel . [1] La formación de esquisto bituminoso tiene lugar en varios entornos de depósito y tiene una variación de composición considerable. Las lutitas bituminosas se pueden clasificar por su composición ( minerales carbonatados como la calcita o minerales detríticos como el cuarzo y las arcillas ) o por su entorno de depósito (grandes lagos , 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 terrestres vasculares . Los tres tipos principales de materia orgánica ( macerales ) en la pizarra bituminosa son la telalginita , lamalginita y bituminita . [2] Algunos depósitos de esquisto bituminoso 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 , Ordovícico temprano y medio , Devónico tardío , Jurásico tardío y Paleógeno a través del entierro por carga sedimentaria sobre los depósitos de pantanos de algas, lo que resultó en la conversión de la materia orgánica en kerógeno mediante 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 son generalmente mucho más delgados que los depósitos de las grandes cuencas lacustres. [5]
La pizarra bituminosa 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. Las lutitas bituminosas varían considerablemente en su contenido mineral, composición química, edad, tipo de kerógeno e historial de depósito y no todas las lutitas bituminosas se clasificarían necesariamente como lutitas 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 lutitas bituminosas según su contenido mineral, tipo de kerógeno, edad, historial de depósito y organismos de los que se derivan. La edad de los depósitos de esquisto bituminoso conocidos oscila entre el Cámbrico y el Paleógeno . Las litologías comprenden lutitas, margas y rocas carbonatadas , todas las cuales forman una mezcla de materia orgánica estrechamente ligada 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 de carbonato en las lutitas bituminosas, la mayoría de los cuales se consideran autigénicos 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, resistentes a la meteorización y difíciles de procesar mediante métodos ex situ . [8] [9] Las lutitas bituminosas silíceas suelen ser lutitas de color marrón oscuro o negras. [9] No son ricos en carbonatos sino en minerales silíceos como cuarzo , feldespato , arcilla, pedernal y 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 de canal suelen ser lutitas de color marrón oscuro o negro, que consisten en materia orgánica que encierra completamente otros granos minerales. Son adecuados para la extracción mediante métodos ex situ . [9]
Otra clasificación según el tipo de querógeno, se basa en el contenido de hidrógeno , carbono y oxígeno de la materia orgánica original de la pizarra bituminosa. Esta clasificación utiliza el diagrama de Van Krevelen . [6] La clasificación más utilizada de las lutitas 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 lutitas bituminosas se designan como terrestres , lacustres (depositadas en el fondo de un lago) o marinas (depositadas en el fondo del océano), 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 aceite extraído. [10]
El carbón de canal (también llamado carbón de vela ) es un tipo de esquisto terrestre, que es carbón pardo 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 están formadas por lamosita y torbanita . La lamosita es una pizarra bituminosa de color marrón pálido y marrón grisáceo a gris oscuro a negro cuyo principal constituyente orgánico es la lamalginita derivada de algas planctónicas lacustres . La torbanita, que lleva el nombre de Torbane Hill en Escocia, es una pizarra bituminosa negra cuya materia orgánica es telalginita derivada de Botryococcus ricos en lípidos y formas de algas relacionadas. Las lutitas marinas constan de tres variedades: kukersita , tasmanita y marinita . La kukersita, que lleva el nombre de 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, que lleva el nombre de 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 origen marino de color gris a gris oscuro a negro en la que los principales componentes orgánicos son lamalginita y bituminita derivados del fitoplancton marino con mezclas variadas de betún , telalginita y vitrinita. [3]
Como combustible de sapropel, el esquisto bituminoso se diferencia de los combustibles de humus por su menor contenido de materia orgánica. La materia orgánica tiene una proporción atómica de hidrógeno a carbono de aproximadamente 1,5, aproximadamente la misma que la del petróleo crudo y de cuatro a cinco veces mayor que la del carbón . La materia orgánica de las lutitas bituminosas forma una estructura macromolecular compleja que es insoluble en disolventes orgánicos comunes. [1] [10] Se mezcla con cantidades variadas de materia mineral. Para los grados comerciales de esquisto bituminoso, la proporción de materia orgánica a materia mineral es de aproximadamente 0,75:5 a 1,5:5. [10]
La porción orgánica del esquisto bituminoso consiste en gran parte en una masa subterránea bituminosa previa al betún, 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 lutitas bituminosas terrestres contienen resinas, esporas, cutículas cerosas y tejidos corchosos de raíces y tallos de plantas vasculares terrestres, las lutitas bituminosas lacustres incluyen materia orgánica rica en lípidos derivada de algas. Las lutitas bituminosas marinas están compuestas de algas marinas, acritarcos y dinoflagelados marinos . [10] La materia orgánica del esquisto bituminoso 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, lamalginita y bituminita. La telalginita se define como materia orgánica estructurada compuesta por grandes algas unicelulares coloniales o de paredes gruesas como Botryococcus y Tasmanites . La lamalginita incluye algas coloniales o unicelulares de paredes delgadas que se presentan como láminas distintas, pero que muestran pocas o ninguna estructura biológica reconocible. Bajo el microscopio, la telalginita y lamalginita se reconocen fácilmente por sus tonos brillantes de amarillo bajo luz fluorescente ultravioleta/azul. La bituminita es en gran medida amorfa, carece de estructuras biológicas reconocibles y muestra una fluorescencia relativamente baja bajo el microscopio. Otros constituyentes orgánicos incluyen vitrinita e inertinita , que son macerales derivados de la materia húmica de las plantas terrestres. Estos macerales suelen encontrarse en cantidades relativamente pequeñas en la mayoría de las lutitas bituminosas. [2]
La materia mineral en la pizarra bituminosa contiene minerales de silicato y carbonato de grano fino como calcita , dolomita , siderita , cuarzo , rutilo , ortoclasa , albita , anortita , moscovita , anfípolo , marcasita , limonita , yeso , nahcolita , dawsonita y alumbre . Algunos depósitos de esquisto bituminoso 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 ambientes de depósito , desde agua dulce hasta lagos altamente salinos , cuencas marinas epicontinentales y plataformas submareales , y estaban restringidos a áreas estuarinas como lagos en forma de meandro , turberas , pantanos límpicos y costeros . y almizcleros . [3] Cuando las plantas mueren en un ambiente acuático anaeróbico, los bajos niveles de oxígeno impiden su completa descomposición bacteriana . [4]
Para que se conserve la materia orgánica no descompuesta y se forme esquisto bituminoso, el entorno debe permanecer uniforme durante períodos de tiempo prolongados para que se acumulen secuencias suficientemente espesas de materia de algas. Con el tiempo, el pantano de algas u otro entorno restringido se altera y cesa la acumulación de esquisto bituminoso. El entierro por carga sedimentaria sobre los depósitos de algas convierte la materia orgánica en kerógeno mediante los siguientes procesos diagenéticos normales:
Aunque similares en su proceso de formación, las lutitas bituminosas se diferencian del carbón en varios aspectos distintos. Los precursores de la materia orgánica en el esquisto bituminoso y el carbón difieren en el sentido de que el esquisto bituminoso es de origen algal, pero también puede incluir restos de plantas terrestres vasculares que comúnmente componen gran parte de la materia orgánica del carbón. El origen de parte de la materia orgánica del esquisto bituminoso 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 producto de la degradación bacteriana de algas u otra materia orgánica. [3]
Una temperatura y presión más bajas durante el proceso de diagénesis en comparación con otros modos de generación de hidrocarburos dan como resultado un menor nivel de maduración del esquisto bituminoso. El enterramiento continuo, el calentamiento adicional y el aumento de la presión con el tiempo podrían dar como resultado la producción convencional de petróleo y gas a partir de la roca madre de esquisto bituminoso . [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 lacustres de esquisto bituminoso se encuentran típicamente en áreas de fallas de bloques o deformaciones de la corteza terrestre debido a la formación de montañas . Los depósitos como el Green River pueden tener hasta 2000 pies (610 m) y producir hasta 40 galones de petróleo por cada tonelada (166 L / t) de esquisto. [9]
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. Suelen tener unos pocos metros de espesor y se extienden sobre áreas muy grandes, extendiéndose hasta miles de kilómetros cuadrados. De los tres tipos litológicos de lutitas bituminosas, las lutitas bituminosas silíceas se encuentran con mayor frecuencia en dichos entornos. Estas lutitas bituminosas no son tan ricas orgánicamente como las lutitas bituminosas depositadas en lagos y, por lo general, no contienen más de 30 galones de petróleo extraíble por tonelada de lutitas bituminosas. Las lutitas bituminosas depositadas en ambientes lagunares o de pequeños lagos rara vez son extensas y a menudo están asociadas con rocas que contienen carbón. [5] [9] Estas lutitas bituminosas pueden tener altos rendimientos: hasta 40 galones por tonelada (166 L/t) de lutita bituminosa. Sin embargo, debido a su pequeña extensión, se consideran 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, calidad y ubicación. La Formación Green River del Eoceno cubre partes de Colorado , Wyoming y Utah ; el segundo depósito importante son las lutitas bituminosas del Devónico en el este de Estados Unidos. En ambos lugares existen 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. Los tres primeros han sido objeto de importantes exploraciones 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 cubrieron un área estimada de más de 65.000 kilómetros cuadrados (25.100 millas cuadradas) durante el Eoceno temprano y medio . Estos lagos estaban separados por el levantamiento de Uinta y el anticlinal de la Cuenca Axial . Durante períodos significativos durante sus 10 Ma de vida, los lagos se convirtieron en sistemas cerrados que permitieron muchos cambios de tamaño, salinidad y sedimentación. La deposición de esquistos bituminosos fue el resultado de abundantes algas verdiazules que prosperaron en los lagos. [3]
El esquisto bituminoso que subyace a casi 750.000 kilómetros cuadrados (289.580 millas cuadradas) en el este de los Estados Unidos se formó en un entorno de depósito marino, muy diferente de las cuencas del río Green. Estos yacimientos también han sido objeto de intentos de comercialización; también son recursos para el gas natural y se han extraído para obtener esquisto bituminoso de baja calidad. Estas lutitas bituminosas se formaron durante los períodos Devónico tardío y Misisipio temprano . Durante esta época, gran parte del este de los Estados Unidos estaba cubierta por un gran mar poco profundo. Se cree que la pizarra bituminosa fue el resultado de una lenta deposición de algas planctónicas , en condiciones anóxicas. En partes de la cuenca cercanas a la costa, la mezcla orgánica que ayudó a formar la pizarra bituminosa contiene sedimentos ricos en materia orgánica de las crecientes Montañas Apalaches . [3]
Brasil tiene nueve ubicaciones importantes de depósitos de esquisto bituminoso. El tamaño, la ubicación y la calidad de los depósitos 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 3.000 millones de barriles. Si bien el depósito de la "formación Irati" es el más pequeño de los dos y 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 consta de dos lechos de esquisto bituminoso separados por 12 metros (40 pies) de piedra caliza y esquisto. La capa superior es más gruesa (9 metros (30 pies)) pero el lecho inferior más delgado (4 metros (10 pies)) es de mayor valor; el porcentaje en peso del rendimiento del petróleo de esquisto es de alrededor del 12% para la capa inferior en comparación con el 7% para la superior. El rendimiento de la pizarra bituminosa varía lateralmente y puede ser tan solo del 7% para la capa inferior y del 4% para la capa superior. La formación es un depósito laminado y de grano muy fino que varía en color desde gris oscuro hasta marrón y negro. Mientras que entre el 60% y el 70% del esquisto está formado por minerales arcillosos, el resto está formado por materia orgánica. [3]
No se ha llegado a un consenso sobre la naturaleza exacta del depósito del esquisto bituminoso de Irati. Una teoría sugiere que la materia orgánica del esquisto bituminoso 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 haber sido depositado en un ambiente marino poco profundo y parcialmente restringido. La clasificación de Hutton lo describe como esquisto bituminoso de origen marino. [3]
El esquisto bituminoso de kukersita de la era Ordovícica en Estonia forma parte de la cuenca de esquisto bituminoso del Báltico y se depositó en entornos marinos poco profundos. El depósito es uno de los depósitos de mayor ley del mundo, con más del 40% de contenido orgánico y un índice de conversión del 66% en petróleo y gas de esquisto. La pizarra bituminosa se encuentra en una sola 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 aproximadamente 3.000 kilómetros cuadrados (1.200 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 capas de algas en aguas intermareales y submareales muy poco profundas. [14] Los minerales de la matriz incluyen calcita, dolomita y minerales siliciclásticos con bajo contenido de magnesio . No está enriquecido en metales pesados. [3]
Como rocas generadoras de 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] Como ocurre 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 de manera económica utilizando la tecnología existente. Dado que las tecnologías de extracción se desarrollan continuamente, los planificadores sólo pueden estimar la cantidad de kerógeno recuperable. [16] [3] Aunque los recursos de esquisto bituminoso se encuentran en muchos países, sólo 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, los depósitos en Suecia y Estonia , el depósito El-Lajjun en Jordania y yacimientos 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 fijó los recursos mundiales totales de esquisto bituminoso en 689 gigatoneladas , equivalente 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 tienen 3,7 billones de barriles ( 590 mil millones de metros cúbicos), aunque sólo una parte es recuperable. [19] Según el informe World Energy Outlook 2010 de la Agencia Internacional de la Energía , los recursos mundiales de esquisto bituminoso pueden equivaler 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 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 de 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 mundiales en términos de contenido de petróleo de esquisto. [17] Estas cifras siguen siendo provisionales, ya que la exploración o el análisis de varios depósitos aún están pendientes. [3] El profesor Alan R. Carroll de la Universidad de Wisconsin-Madison considera que los depósitos lacustres de esquisto bituminoso del Pérmico superior del noroeste de China, ausentes en evaluaciones globales anteriores de esquisto bituminoso, son comparables en tamaño a la Formación Green River. [22]
