20.3: Combustibles fósiles

Existen numerosos tipos de combustibles fósiles, pero todos ellos implican el almacenamiento de materia orgánica en sedimentos o rocas sedimentarias. Los combustibles fósiles son ricos en carbono y casi todo ese carbono finalmente se origina a partir del CO ₂ sacado de la atmósfera durante la fotosíntesis. Ese proceso, impulsado por la energía solar, implica la reducción (lo contrario de la oxidación) del carbono, resultando en que se combine con hidrógeno en lugar de oxígeno. La materia orgánica resultante está compuesta por moléculas complejas y variadas de carbohidratos.

La mayor parte de la materia orgánica se vuelve a oxidar a CO ₂ con relativa rapidez (en semanas o años en la mayoría de los casos), pero cualquiera de ella que se aísla del oxígeno de la atmósfera (por ejemplo, en lo profundo del océano o en un pantano estancado) puede durar lo suficiente como para ser enterrada por sedimentos y, de ser así, puede conservarse por decenas a cientos de millones de años. En condiciones naturales, eso significa que se almacenará hasta que esas rocas finalmente se expongan en la superficie y se desgasten.

En esta sección, discutiremos los orígenes y la extracción de los combustibles fósiles importantes, incluyendo carbón, petróleo y gas. El carbón, el primer combustible fósil ampliamente utilizado, se forma principalmente en tierra en áreas pantanosas adyacentes a ríos y deltas en áreas con climas húmedos tropicales a templados. El crecimiento vigoroso de la vegetación conduce a una abundancia de materia orgánica que se acumula dentro del agua estancada, y por lo tanto no se descompone y oxida. Esta situación, donde la materia orgánica muerta se sumerge en agua pobre en oxígeno, debe mantenerse durante siglos a milenios para que se acumule suficiente material para formar una capa gruesa (Figura\(\PageIndex{1}\) a). En algún momento, el depósito pantanoso está cubierto con más sedimentos, típicamente porque un río cambia de curso o se eleva el nivel del mar (Figura\(\PageIndex{1}\) b). A medida que se agregan más sedimentos, la materia orgánica comienza a comprimirse y calentarse. El carbón de lignito de baja calidad se forma a profundidades entre unos 100 m y 1,500 m y temperaturas de hasta aproximadamente 50°C (Figura\(\PageIndex{1}\) c). A entre 1,000 m a 5,000 m de profundidad y temperaturas de hasta 150°C m, se forma carbón bituminoso (Figura\(\PageIndex{1}\) d). A profundidades superiores a 5,000 m y temperaturas superiores a 150°C, se forma carbón antracita.

Figura\(\PageIndex{1}\) Formación de carbón: (a) acumulación de materia orgánica dentro de una zona pantanosa; (b) la materia orgánica es cubierta y comprimida por deposición de una nueva capa de sedimentos clásticos; (c) con mayor entierro, formas de carbón lignito; y (d) a profundidades aún mayores, carbón bituminoso y eventualmente antracita forma.

Hay importantes yacimientos de carbón en muchas partes de Canadá, incluidos los Marítimos, Ontario, Saskatchewan, Alberta y Columbia Británica. En Alberta y Saskatchewan, gran parte del carbón se utiliza para la generación de electricidad. El carbón de la mina Highvale (Figura\(\PageIndex{2}\)), la más grande de Canadá, se utiliza para alimentar las centrales eléctricas de Sundance y Keephills al oeste de Edmonton. Casi todo el carbón extraído en Columbia Británica se exporta para su uso en la fabricación de acero.

Figura\(\PageIndex{2}\) La mina Highvale (fondo) y las estaciones generadoras de Sundance (derecha) y Keephills (izquierda) en la orilla sur del lago Wabamun, Alberta.

Si bien casi todo el carbón se forma en la tierra a partir de la vegetación terrestre, la mayor parte del petróleo y el gas se deriva principalmente de microorganismos marinos que se acumulan dentro de los sedimentos del fondo marino. En zonas donde la productividad marina es alta, la materia orgánica muerta se entrega al fondo del mar lo suficientemente rápido como para que parte de ella escapa a la oxidación. Este material se acumula en los sedimentos fangosos, que quedan enterrados a una profundidad significativa debajo de otros sedimentos.

Figura\(\PageIndex{3}\) Los límites de profundidad y temperatura para gas biogénico, petróleo y gas termogénico.

A medida que aumenta la profundidad del entierro, también lo hace la temperatura, debido al gradiente geotérmico, y gradualmente la materia orgánica dentro de los sedimentos se convierte en hidrocarburos (Figura\(\PageIndex{3}\)). La primera etapa es la producción biológica (involucrando bacterias anaerobias) de metano. La mayor parte de esto se escapa de regreso a la superficie, pero algunos quedan atrapados en hidratos de metano cerca del fondo marino. A profundidades superiores a aproximadamente 2 km, y a temperaturas que van de 60° a 120°C, la materia orgánica se convierte por procesos químicos en petróleo. Este rango de profundidad y temperatura se conoce como la ventana de aceite. Más allá de 120°C, la mayor parte de la materia orgánica se convierte químicamente en metano.

Figura\(\PageIndex{4}\) Migración de petróleo y gas de rocas fuente a trampas en rocas de yacimientos.

La roca portadora de materia orgánica dentro de la cual tiene lugar la formación de gas y petróleo es conocida por los geólogos del petróleo como la roca fuente. Tanto el petróleo líquido como el metano gaseoso son más ligeros que el agua, por lo que a medida que se forman líquidos y gases, tienden a moverse lentamente hacia la superficie, fuera de la roca fuente y hacia las rocas reservorio. Las rocas de yacimiento suelen ser relativamente permeables porque eso permite la migración de los fluidos de las rocas fuente, y también facilita la recuperación del petróleo o gas. En algunos casos, los líquidos y gases llegan hasta la superficie, donde se oxidan, y el carbono se devuelve a la atmósfera. Pero en otros casos, están contenidos por rocas impermeables superpuestas (por ejemplo, mudrock) en situaciones donde anticlinos, fallas, cambios de estratigrafía, y arrecifes o cúpulas de sal crean trampas (Figura\(\PageIndex{4}\)).

Los líquidos y gases que quedan atrapados dentro de los depósitos se separan en capas en función de su densidad, con gas que sube a la parte superior, petróleo debajo de él y agua debajo del petróleo. Las proporciones de petróleo y gas dependen principalmente de la temperatura en las rocas fuente. Algunos campos petrolíferos, como muchos de los de Alberta, están dominados por el petróleo, mientras que otros, notablemente los del noreste de B.C., están dominados por el gas.

Figura Sección\(\PageIndex{5}\) sísmica por el Campo East Breaks en el Golfo de México. La línea roja discontinua marca el límite aproximado entre rocas deformadas y rocas más jóvenes sin deformar. Las flechas meneadas son trayectorias de migración interpretadas. El grosor total de esta sección es de aproximadamente 5 km.

En general, los yacimientos petrolíferos no son visibles desde la superficie, y su descubrimiento implica la búsqueda de estructuras en el subsuelo que tengan el potencial de formar trampas. Los estudios sísmicos son la herramienta más utilizada para la exploración petrolera en etapa temprana, ya que pueden revelar información importante sobre la estratigrafía y geología estructural de rocas sedimentarias subsuperficiales. Un ejemplo del Golfo de México al sur de Texas se muestra en la Figura\(\PageIndex{5}\). En esta zona, un espeso depósito de evaporita (“sal”) ha formado cúpulas porque la sal es más ligera que otros sedimentos y tiende a elevarse lentamente hacia la superficie; esto ha creado trampas. La secuencia de rocas deformadas está cubierta con una capa de roca no deformada.

Ejercicio 20.4 Interpretación de un Perfil Sísmico

Figura\(\PageIndex{6}\)

La sección transversal que se muestra en la Figura\(\PageIndex{6}\) es de un levantamiento sísmico a bordo de un buque en el mar de Bering frente a la costa oeste de Alaska. Como geólogo petrolero, es tu trabajo elegir dos ubicaciones separadas para perforar petróleo o gas. ¿Qué ubicaciones elegirías?

Consulte el Apéndice 3 para el Ejercicio 20.4 respuestas.

El tipo de yacimientos de petróleo y gas ilustrados en las Figuras 20.3.4 y 20.3.5 se describen como reservas convencionales. Algunos tipos no convencionales de petróleo y gas incluyen arenas petrolíferas, gas de esquisto y metano de lecho de carbón.

Figura Corte transversal\(\PageIndex{7}\) esquemática del norte de Alberta que muestra las rocas fuente y la ubicación de las arenas petrolíferas de Athabasca.

Las arenas petrolíferas son importantes porque las reservas en Alberta son extremadamente grandes (la reserva única de petróleo más grande del mundo), pero son muy polémicas desde una perspectiva ambiental y social. Son “poco convencionales” porque el aceite está expuesto cerca de la superficie y es altamente viscoso debido a los cambios microbianos que han tenido lugar en la superficie. Los hidrocarburos que forman esta reserva se originaron en rocas Paleozoicas profundamente enterradas adyacentes a las Montañas Rocosas y migraron hacia arriba y hacia el este (Figura\(\PageIndex{7}\)).

Las arenas petrolíferas son polémicas principalmente por el costo ambiental de su extracción. Dado que el aceite es tan viscoso, requiere calor para que sea lo suficientemente líquido para procesarlo. Esta energía proviene del gas; aproximadamente 25 m ³ de gas se utiliza para producir 0.16 m ³ (un barril) de petróleo. (Eso no es tan malo como suena, ya que el equivalente energético del gas requerido es alrededor del 20% de la energía encarnada en el petróleo producido). El otro costo ambiental de la producción de arenas petrolíferas es la devastación de vastas áreas de tierra donde se está llevando a cabo la extracción de bandas y se construyen estanques de relaves, y la inevitable liberación de contaminantes en las aguas subterráneas y ríos de la región.

En la actualidad, la mayor parte de la recuperación de petróleo de las arenas petrolíferas se logra extrayendo la arena y procesándola in situ La explotación de la arena de petróleo que no está expuesta en la superficie depende de procesos in situ, un ejemplo es la inyección de vapor en la capa de aceite-arena para reducir la viscosidad del aceite para que pueda ser bombeado a la superficie.

El gas de esquisto es gas que está atrapado dentro de la roca que es demasiado impermeable para que el gas escape en condiciones normales, y solo se puede extraer fracturando la roca del yacimiento usando agua y productos químicos a presión extremadamente alta. Este procedimiento se conoce como fracturación hidráulica o “fracking”. El fracking es polémico por el volumen de agua utilizada, y porque, en algunas jurisdicciones, las empresas de fracking no están obligadas a revelar la naturaleza de los productos químicos utilizados. Aunque el fracking generalmente se realiza a profundidades significativas, siempre existe el riesgo de que los acuíferos suprayacentes de suministro de agua puedan contaminarse (Figura\(\PageIndex{8}\)). El fracking también induce sismicidad de bajo nivel.

Figura\(\PageIndex{8}\) Representación del proceso de perforación direccional y fracking para recuperar gas de rocas impermeables. Las flechas de color azul claro representan el potencial de liberación de químicos de fracking a los acuíferos.

Durante el proceso que convierte la materia orgánica en carbón, se produce algo de metano, que se almacena dentro de los poros del carbón. Cuando se extrae carbón, el metano se libera en la mina donde puede convertirse en un grave peligro de explosión. Las modernas máquinas mineras de carbón tienen detectores de metano y en realidad dejan de funcionar si los niveles de metano son peligrosos. Es posible extraer el metano de los lechos de carbón sin extraer el carbón; el gas recuperado de esta manera se conoce como metano de lecho de carbón.

Atribuciones de medios

• Figuras 20.3.1, 20.3.2, 20.3.3, 20.3.4: © Steven Earle. CC POR.
• Figura\(\PageIndex{5}\): “Análisis de cuencas sedimentarias” © AAPG. Basado en datos de Lovely y Ruggiero. CC BY-SA.
• Figura\(\PageIndex{6}\): Imagen del USGS. Dominio público.
• Figura\(\PageIndex{7}\): © Steven Earle. CC POR.
• Figura\(\PageIndex{8}\): “HydroFrac2” © Mikenorton. Adaptado por Steven Earle. CC BY-SA.