Las transformaciones fisicoquímicas de la materia orgánica durante la historia geológica de las cuencas sedimentarias no pueden ser consideradas como un proceso aislado, ya que están controladas por los mismos factores principales que también son determinantes en cuanto a la variación en la composición de la fase sólida inorgánica (las rocas) y del agua intersticial de los estratos (aguas de formación).
Estos factores principales son, la actividad biológica en la etapa temprana, y la temperatura y la presión en estadíos posteriores.
Las interacciones entre las sustancias orgánicas e inorgánicas, pueden proceder en diferentes etapas de la evolución de los sedimentos.
La naturaleza y abundancia de la materia orgánica, puede ocasionar un comportamiento evolutivo diferente para las fases minerales, justo después de su depositación.
Por otro lado, la composición química de los minerales y la estructura física de la roca, pueden influir en la composición de la fase de fluido orgánico, a mayores profundidades.
La Figura 1 representa un esquema de la evolución de la materia orgánica desde el momento de su depositación hasta el comienzo del metamorfismo. Las etapas de evolución consideradas son: diagénesis, catagénesis, metagénesis y metamorfismo.
Diagénesis de la Materia Orgánica
Los sedimentos depositados en ambientes subacuáticos, contienen una gran cantidad de agua (la porosidad asciende hasta un 80% en lodos arcillosos a los 5 cm. de profundidad; el agua representa un 60% del peso total del sedimento), minerales, materia orgánica muerta (contemporánea autóctona y alóctona, así como materiales retrabajados), y numerosos microorganismos.
Tal mezcla proviene de varios procesos sedimentarios y de componentes primarios de diferentes orígenes, y de un punto de vista termodinámico, se encuentra fuera de equilibrio.
En este sentido, puede adscribirse el término Diagénesis, similarmente como se define en el estudio de rocas sedimentarias, como el proceso a través del cual el sistema bajo consideración tiende a alcanzar un equilibrio bajo condiciones de soterramiento somero, y mediante el cual los sedimentos se consolidan a rocas.
El intervalo de profundidad en el que ocurre este proceso es del orden de unos pocos cientos de metros, aunque ocasionalmente podría alcanzar algunos pocos miles de metros.
Durante la etapa de la diagénesis temprana, el principal agente de transformación del sistema es la actividad microbiana.
Los microorganismos aeróbicos que viven en los estratos superiores de los sedimentos consumen oxígeno libre. Los organismos anaeróbicos reducen los iones sulfato para obtener el oxígeno requerido para sus procesos metabólicos.
La energía necesaria para llevar a cabo esta reacción, es proporcionada por la descomposición de la materia orgánica, en cuyo proceso esta última es convertida en dióxido de carbono, amoníaco y agua.
La eficiencia de esta conversión usualmente es alta en sedimentos del tipo arenas, donde la circulación del agua es favorable, pero es bastante baja en los limos y lodos.
Al mismo tiempo, el potencial de óxido-reducción (Eh) decrece abruptamente y el pH se hace ligeramente alcalino. Ciertos minerales como la calcita (CaCO₃) y el cuarzo (SiO₂) pueden disolverse, alcanzar la saturación y reprecipitar, junto con minerales autigénicos como los sulfuros de hierro, cobre, plomo y zinc, la siderita, etc.
Dentro del sedimento, la materia orgánica también avanza hacia condiciones de equilibrio termodinámico. Los biopolímeros que constituyen los organismos vivientes (proteínas y carbohidratos) son destruidos a monómeros por la actividad bacteriana durante la sedimentación y la diagénesis temprana.
Posteriormente, sus constituyentes se van progresivamente insertando dentro de nuevas estructuras policondensadas (geopolímeros) que son precursoras del kerógeno.
De modo análogo al estudio de la materia orgánica en los suelos, se postula que estos geopolímeros evolucionan desde ácidos fúlvicos a ácidos húmicos y finalmente a huminas, incrementando su complejidad estructural y grado de polimerización, y disminuyendo su concentración de grupos funcionales hidrolizables.
En aquellas situaciones naturales en las que el volumen de depositación de la materia orgánica derivada de plantas superiores continentales, predomina en comparación con la contribución de la materia mineral inorgánica, se forma una acumulación especial denominada la turba, la cual en estadios más avanzados, evoluciona a carbón marrón (lignito y carbón sub-bituminoso).
En todos los casos, el hidrocarburo más abundante formado durante la diagénesis es el metano, aunque en la etapa de la diagénesis tardía, la materia orgánica puede producir CO₂, H₂O y algunos compuestos heteroatómicos pesados.
El punto final de la diagénesis de la materia orgánica sedimentaria, se establece por conveniencia en aquel nivel donde los ácidos húmicos extraíbles de los sedimentos, se han reducido a su mínima expresión, y en donde la mayoría de los grupos funcionales carboxílicos de la materia orgánica han sido removidos.
Esto es equivalente al límite entre carbón marrón (sub-bituminoso) y carbón duro (bituminoso de alto volátil), y corresponde a un valor de reflectancia de la vitrinita de aproximadamente 0,5%.
Catagénesis de la Materia Orgánica
La depositación consecutiva de nuevos sedimentos suprayacentes, en el tiempo geológico, trae como consecuencia el soterramiento cada vez mayor de los estratos previamente depositados, hasta profundidades de varios kilómetros.
Esto implica un incremento considerable de la temperatura y de la presión. Para definir esta etapa de la evolución sedimentaria de la materia orgánica, se ha utilizado el término Catagénesis.
Durante esta etapa, la variación de la temperatura puede oscilar entre 50 y 150 ºC, y la presión geostática debido a la sobrecarga, puede variar desde 300 hasta 1000 ó 1500 bares.
Tal incremento coloca de nuevo al sistema fuera del equilibrio termodinámico, trayendo como consecuencia la generación de nuevos cambios químicos y físicos en la materia orgánica y las rocas asociadas.
Durante esta etapa, se preserva la textura y composición de las fases mineralógicas, salvo algunos cambios que esencialmente ocurren en la fracción arcillosa.
Las principales modificaciones del punto de vista de la matriz inorgánica, tienen que ver con la compactación de la roca; como principal consecuencia, y en concordancia con la tendencia natural evolutiva de las rocas sedimentarias al incrementarse la profundidad de soterramiento, el agua continúa siendo expelida de las rocas.
Esto trae como consecuencia una marcada disminución de su porosidad y permeabilidad, e incrementando la salinidad del agua intersticial atrapada en los poros, posiblemente hasta alcanzar un nivel de salinidad cercano a la saturación.
Por otra parte, la materia orgánica experimenta aún mayores cambios: la evolución progresiva del kerógeno, como respuesta al incremento progresivo de la presión y sobre todo de la temperatura, que promueve una serie de reacciones químicas de craqueo de las macromoléculas que lo conforman, dan origen en primer término al petróleo líquido.
Posteriormente, en etapas más avanzadas con temperaturas más elevadas, se genera gas húmedo (condensado y mezcla de metano con otros alcanos livianos) y finalmente gas seco (solamente metano).
En todos los casos, tanto el proceso de formación del petróleo líquido, como el del gas condensado, están acompañados por la aparición de concentraciones importantes de metano.
La catagénesis de los depósitos masivos orgánicos conocidos como carbón mineral, procede a través de varios rangos de madurez térmica creciente (desde bituminoso medio hasta bajo en volátiles) y casi siempre este proceso trae como consecuencia la producción de algunos hidrocarburos líquidos y mayoritariamente metano.
El final de la catagénesis es alcanzado a un nivel donde la desaparición de cadenas alifáticas enlazadas al kerógeno es completado, y donde además comienza el desarrollo de un ordenamiento cristalográfico de las unidades macromoleculares del kerógeno.
Esto último se corresponde con un valor de reflectancia de vitrinita de aproximadamente 2,0% el cual, de acuerdo con la clasificación del carbón mineral, se aproxima al rango de la antracita.
Debido a que a partir de este punto ya prácticamente no se generan fluidos orgánicos del kerógeno, excepto cantidades limitadas de metano, se propone establecer desde este punto una nueva etapa en la evolución de la materia orgánica, conocida como metagénesis.
Metagénesis de la Materia Orgánica
La última etapa de la evolución de los sedimentos se conoce con el nombre de Metamorfismo y es alcanzada en las cuencas sedimentarias a grandes profundidades y en zonas de geosinclinales.
Las temperaturas y presiones alcanzan grandes valores; por otra parte, las rocas pueden estar expuestas a la influencia del magma y a efectos hidrotermales.
Sin embargo, a la Geoquímica del Petróleo solo le concierne la etapa precursora del metamorfismo, a la cual se le llamará Metagénesis de la materia orgánica.
En esta etapa, los minerales son severamente transformados; por ejemplo, los minerales de arcilla pierden el agua intersticial, obteniendo un mayor grado de cristalinidad; los óxidos de hierro que contiene agua estructural (goetita), cambian a óxidos sin agua (hematita), etc.
Ocurren eventos severos de presión-disolución y la roca sufre un alto grado de recristalización, formándose por ejemplo una cuarcita a partir de una arenisca cuarzosa.
Las rocas alcanzan condiciones de temperatura que conducen a la metagénesis del kerógeno. En esta etapa, la materia orgánica presente en las rocas, está constituida únicamente por metano y un residuo sólido rico en carbono, sobre el cual comienza a desarrollarse un ordenamiento cristalino.
El carbón mineral se convierte en antracita. Las condiciones del verdadero metamorfismo comienzan con el desarrollo de las facies de los esquistos verdes y de las anfibolitas.
El carbón es transformado en metaantracita, la cual tiene un valor de reflectancia de vitrinita de más del 4%. Los constituyentes del kerógeno residual son convertidos a grafito. En la Figura 2, se puede observar las transformaciones de la materia orgánica con la evolución de las cuencas sedimentarias, hasta formar acumulaciones de petróleo.
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