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16.3: Combustibles fósiles - Geociencias

16.3: Combustibles fósiles - Geociencias


Combustibles fósiles son fuentes extraíbles de energía almacenada creadas por ecosistemas antiguos. Esta energía se formó originalmente a través de la fotosíntesis por organismos vivos como plantas, fitoplancton, algas y cianobacterias. A veces, esto se conoce como energía solar fósil, ya que la energía del sol en el pasado se convirtió en energía química dentro de un combustible fósil. Por supuesto, a medida que se usa la energía, al igual que la respiración de la fotosíntesis que ocurre hoy, el carbono puede ingresar a la atmósfera y causar consecuencias climáticas (ver cap. 15). Los combustibles fósiles representan una gran parte de la energía utilizada en el mundo.

La conversión de organismos vivos en combustibles fósiles de hidrocarburos es un proceso complejo. A medida que los organismos mueren, la descomposición se ve obstaculizada, generalmente debido al rápido entierro, y la energía química dentro de los tejidos de los organismos se agrega a los materiales geológicos circundantes. Una mayor productividad en el medio ambiente antiguo conduce a un mayor potencial de acumulación de combustibles fósiles, y hay alguna evidencia de mayor biomasa global y productividad a lo largo del tiempo geológico [8]. La falta de oxígeno y las temperaturas moderadas parecen favorecer la conservación de estas sustancias orgánicas [9; 10]. El calor y la presión que se aplican después del entierro también pueden provocar la transformación en materiales de mayor calidad (lignito a antracita, petróleo a gas) y / o la migración de materiales móviles [11].

Petróleo y gas

PAGetroleo, con el componente líquido comúnmente llamado petróleo y componente de gas llamado gas natural (compuesto principalmente de metano), se deriva principalmente de depósitos sedimentarios marinos poco profundos ricos en materia orgánica [12]. A medida que la roca (que suele ser pizarra, lutita o piedra caliza) se litifica, el petróleo y el gas se escapan del Roca de origen debido al aumento de presión y temperatura, y migran a una unidad de roca diferente más arriba en la columna de roca. Similar a la discusión sobre buenos acuíferos en el capítulo 11, si la roca es arenisca, caliza u otra roca porosa y permeable, entonces esa roca puede actuar como un reservorio para el petróleo y el gas.

A trampa es una combinación de una estructura geológica subterránea y una capa impermeable que ayuda a bloquear el movimiento de petróleo y gas y lo concentra para su posterior extracción humana [13; 14]. El desarrollo de una trampa podría ser el resultado de muchas situaciones geológicas diferentes. Los ejemplos comunes incluyen una estructura anticlinal o domal, un domo de sal impermeable o un bloque estratigráfico delimitado por fallas (roca porosa junto a roca no porosa). Las diferentes trampas tienen una cosa en común: agrupan los combustibles fósiles fluidos en una configuración en la que es más probable que la extracción sea rentable. El petróleo o el gas en estratos fuera de una trampa hace que la extracción sea menos viable.

Una rama de la geología que ha surgido del deseo de comprender cómo el cambio del nivel del mar crea lodos marinos poco profundos ricos en orgánicos, carbonatos y arenas muy cerca unos de otros se llama estratigrafía secuencial [15]. Un entorno costero típico tiene playas junto a lagunas junto a arrecifes de coral. Capas de arenas de playa y lodos lacustres y arrecifes de coral se acumulan en sedimentos que forman areniscas, buenas rocas de reservorio, junto a lutitas junto a calizas, ambas posibles rocas generadoras. A medida que el nivel del mar sube o baja, la ubicación de la costa cambia y la ubicación de las arenas, lodos y arrecifes con ella. Esto coloca rocas productoras de petróleo y gas (como lutitas y calizas) junto a depósitos de petróleo y gas (areniscas y algunas calizas). Comprender la interacción de la litología y la profundidad del océano puede ser muy importante para encontrar nuevos recursos petroleros porque el uso de la estratigrafía secuencial como modelo puede permitir realizar predicciones sobre la ubicación de las rocas generadoras y los reservorios.

Arenas bituminosas

El petróleo y el gas convencionales (bombeados desde un depósito) no son la única forma de obtener hidrocarburos. Las siguientes secciones se conocen como fuentes de petróleo no convencionales, sin embargo, se están volviendo más importantes a medida que aumenta la escasez de las fuentes convencionales. Arenas bituminosas, o arenas petrolíferas, son areniscas que contienen productos derivados del petróleo que son muy viscosos (como el alquitrán) y, por lo tanto, no pueden perforarse y bombearse del suelo, a diferencia del petróleo convencional. El combustible fósil en cuestión es el betún, que se puede bombear como fluido solo a tasas muy bajas de recuperación y solo cuando se calienta o se mezcla con solventes. Por lo tanto, se pueden utilizar inyecciones de vapor y solventes, o extracción directa de las arenas bituminosas para su posterior procesamiento para extraer el alquitrán de las arenas. Se sabe que Alberta, Canadá, tiene las mayores reservas de arenas bituminosas del mundo [16].

Nota

Un recurso energético se vuelve antieconómico una vez que el costo total de su extracción excede los ingresos que se obtienen de la venta del material extraído

Esquisto bituminoso

Esquisto bituminoso (o aceite compacto) es una roca sedimentaria de grano fino que tiene una cantidad significativa de petróleo o gas natural. El esquisto es una fuente común de combustibles fósiles con alta porosidad pero tiene muy baja permeabilidad. Para extraer el petróleo, el material debe extraerse y calentarse, lo que, al igual que las arenas bituminosas, es costoso y, por lo general, tiene un impacto negativo en el medio ambiente [17].

Fracking

Otro proceso que se utiliza para extraer el petróleo y el gas de la pizarra y otros recursos reducidos no convencionales se llama fracturamiento hidráulico, mejor conocido como fracking [18]. En este método, las inyecciones de agua a alta presión, granos de arena y productos químicos agregados se bombean bajo tierra, creando y manteniendo fracturas abiertas en las rocas, lo que ayuda a liberar los fluidos de difícil acceso, principalmente gas natural. Esto es más útil en sedimentos más compactos, especialmente lutitas, que tienen una alta porosidad para almacenar los hidrocarburos pero una baja permeabilidad para transmitir los hidrocarburos. El fracking se ha vuelto controvertido debido al potencial de contaminación de las aguas subterráneas [19] y sismicidad inducida [20] y representa un equilibrio entre las preocupaciones públicas y el valor energético.

Carbón

Carbón es el producto de pantanos fosilizados [21], aunque se presume que algunos depósitos de carbón más antiguos que son anteriores a las plantas terrestres provienen de acumulaciones de algas [22]. Es principalmente carbono, hidrógeno, nitrógeno, azufre y oxígeno, con cantidades menores de otros elementos [23]. A medida que este material vegetal se incorpora a los sedimentos, sufre una serie de cambios debido al calor y la presión que concentra el carbono fijo, la parte combustible del carbón. En este sentido, cuanto más calor y presión sufre el carbón, mayor es su valor como combustible y más deseable es el carbón. La secuencia general de un pantano que se convierte en las diversas etapas del carbón son:

Pantano => Turba => Lignito => Subbituminoso => ​​Bituminoso => ​​Antracita => Grafito.

A medida que los materiales del pantano se acumulan en el suelo del pantano, se convierten en turba. A medida que se produce la litificación, la turba se convierte en lignito. Con el aumento del calor y la presión, el lignito se convierte en carbón subbituminoso, carbón bituminoso y luego, en un proceso como el metamorfismo, antracita. La antracita es el carbón de grado metamórfico más alto y el más deseable, ya que proporciona la mayor producción de energía. Con aún más calor y presión expulsando todos los volátiles y dejando carbón puro, la antracita puede convertirse en grafito.

El carbón ha sido utilizado por los seres humanos durante al menos 6000 años [23], principalmente como fuente de combustible. Los recursos de carbón en Gales se citan a menudo como la razón principal del surgimiento de Gran Bretaña (y más tarde, de Estados Unidos) en la Revolución Industrial [24; 25; 26]. Según la Administración de Información Energética de EE. UU., La producción de carbón en los EE. UU. Ha disminuido debido a los precios más bajos de la competencia por las fuentes de energía y el reconocimiento de sus impactos ambientales negativos, incluido el aumento de partículas de grano muy fino, gases de efecto invernadero [27], ácido lluvia [28] y contaminación por metales pesados ​​[29]. Visto desde este punto de vista, es poco probable que la industria del carbón reviva.

Referencias

8. Tappan, H. y Loeblich, A. R. Implicaciones geobiológicas de la evolución del fitoplancton fósil y la distribución espacio-temporal. Documentos especiales de la Sociedad Geológica de América 127, 247–340 (1970).

9. Gordon, M., Jr, Tracey, J. I., Jr y Ellis, M. W. Geología de la región de bauxita de Arkansas. (1958).

10. Demaison, G. J. & Moore, G. T. Ambientes anóxicos y génesis del lecho de la fuente de aceite. Org. Geochem. 2, 9–31 (1980).

11. Tissot, B. Efectos sobre las prolíficas rocas generadoras de petróleo y los principales depósitos de carbón provocados por los cambios en el nivel del mar. Naturaleza 277, 463–465 (1979).

12. Pratt, W. E. Aceite en la tierra. (Prensa de la Universidad de Kansas, 1942).

13. Orton, E. La piedra caliza de Trenton como fuente de petróleo y gas inflamable en Ohio e Indiana. (Oficina de Imprenta del Gobierno de EE. UU., 1889).

14. Dott, R. H. y Reynolds, M. Libro de consulta sobre geología del petróleo. (1969).

15. Vail, P. et al. Estratigrafía sísmica y cambios globales del nivel del mar. Aplicaciones de estratigrafía sísmica a la exploración de hidrocarburos, editado por Payton, CE, Tulsa, American Association of Petroleum Geologists Memoir 26, 49–212 (1977).

16. Bauquis, P.-R. Qué futuro para el petróleo extrapesado y el betún: el caso del Orinoco. en 13, 18 (1998).

17. Youngquist, W. Shale oil - La energía esquiva. Boletín del Centro Hubbert 4, (1998).

18. Gandossi, L. Una descripción general de la fracturación hidráulica y otras tecnologías de estimulación de formaciones para la producción de gas de esquisto. EUR. Comisión Jt. Res. Centavo. Tech. Informes (2013).

19. Brown, V. Problemas de la industria: Calentar el gas. Reinar. Perspectiva de salud. 115, A76 (2007).

20. Kim, W.-Y. Sismicidad inducida asociada con la inyección de fluido en un pozo profundo en Youngstown, Ohio. J. Geophys. [Tierra solida] 118, 3506–3518 (2013).

21. Taylor, E. L., Taylor, T. N. y Krings, M. Paleobotánica: la biología y evolución de las plantas fósiles. (Elsevier Science, 2009).

22. Mancuso, J. y Seavoy, R. Carbón precámbrico o antraxolita; una fuente de grafito en esquistos y gneis de alto grado. Econ. Geol. 76, 951–954 (1981).

23. Blander, M., Sinha, S., Pelton, A. & Eriksson, G. Cálculos de la influencia de los aditivos en los depósitos de combustión de carbón. Laboratorio Nacional Argonne, Lemont, Illinois 315 (2011).

24. Belloc, H. El Estado Servil. (T.N. Foulis, 1913).

25. McKenzie, H. y Moore, B. Orígenes sociales de la dictadura y la democracia. (1970).

26. Wrigley, E. A. Continuidad, azar y cambio: el carácter de la revolución industrial en Inglaterra. (Cambridge University Press, 1990).

27. Quéré, C. L. et al. El presupuesto mundial de carbono 1959-2011. Datos científicos del sistema terrestre 5, 165–185 (2013).

28. Barrie, L. & Hoff, R. M. La tasa de oxidación y el tiempo de residencia del dióxido de azufre en la atmósfera ártica. Atmos. Reinar. 18, 2711–2722 (1984).

29. Crutzen, P. y Lelieveld, J. Impactos humanos en la química atmosférica. Annu. Rev. Planeta Tierra. Sci. 29, 17–45 (2001).


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