Caracterització inorgànica i orgànica dels lignits garumnians del Pirineu central català

Abstract

[cat] L'objectiu d'aquesta Tesi Doctoral ha estat l’establiment de la caracterització i variabilitat de la fracció orgànica i inorgànica dels materials organògens d'edat garumniana del sector central del Pirineu Català, així com les associacions organo-minerals, la valoració de les fàcies organògenes com a possibles roques mare de hidrocarburs i l'aproximació al seu medi deposicional.

Els materials estudiats formen part de l'unitat estructural del Pirineu Català, corresponents al tram inferior de les seqüències garumnianes d'edat Maestrichliana, compreses en el tram organogènic de la Formació Tremp en les zones de: Berga (en l'unitat al.lòctona del Mantell Inlerior del Pedraforca) corresponent a les denominades informalment: “Fm. Margues de Perles”, “Nivell Cementos” i “Membre Margues de Sant Corneli”), Tremp (en la Conca de Tremp en l'unitat de mantells intermitjos) i Àger (unitat sudpirenaica).

Les tècniques analítiques emprades han estat: a) microscopia òptica: de transmissló, de reflexió amb llum blanca (qualificació de la fracció orgànica i inorgànica, anàlisi maceràtica i mesura de la reflectància) i llum blava violada (qualificació de la fluorescència). Les dues darreres tècniques ens permetran determinar el grau evolutiu de la matèria orgànica, b) microscopia electrònica de raslreig: ens ha permès diferenciar les lasses orgàniques i inorgàniques, les seves morfologies i mesures, el reconeixement del seu quimisme ha possibilitat establir associacions organo-minerals. c) difracció de raigs X: per la determinació i caracterització de la fracción inorgànica associada a la orgànica, i quantificar les classes cristal.lines presents. d) espectroscòpia Mössbauer: emprada en la determinació de les posicions cristal.loquímiques dels àtoms de ferro per a correlacionar-lo amb la maduresa de la fracció orgànica, e) tècnica de piròlisi (“rock-eval”): ens ha informat sobre el tipus i evolució de la matèria orgànica i la seva possiblltat de generar hidrocarburs.

La fracció orgànica reconeguda és fonamentalment húmica, amb absència generalitzada d'algues. Està constituïda per macerats de tipus: VITRINITIC (felinita; col.linita; telocol.linila; gelocol.linita; desmocol.linita i corpocol.linita; i vitrodetrinita); LIPTINITIC (cutinita, suberinita, fluorinita, resinita, esporinilas: pol.len i espores, bitominita, liptodetrinita i restes de liplinita algal) i INERTINlTIC (semilusinita, tusinita, macrinita, micrinita, esclerotona i inertodetrinita): ademés de terpentinita i exudatinita. Dins del grup de la Iiptinita cal destacar la nombrosa variabilitat de cossos resinítics fluorescents determinats en el Mb. Sant Corneli i en la Fm. Tremp, els de color groc-verd els atribuïm a coníferes i els taronja a angiospermes. La distribució de la matèria orgànica en els tres sectors depén de les fluctuacions que esdevenen en el medi deposíconal. Les zones Berga i Tremp contenen una fracció orgànica significativa, mentre que en Àger és poc representatiu.

Aquests macerals no estroben aïllats sinò que s'associen amb d'altres de diferent grup i/o fracció inorgànica. A partir de l'anàlisi maceràtica hem establert els tipus d'associacions següents: a) nivells orgànics: Tipus I o vitro-inertinílic i TIpus II o inerto-vitrinílic. b) nivells inorgànics: Tipus III o carbonàtic; Tipus IV o argiles i Tipus V o pirític. Des del punt de vista de maduresa o estadi de transformació tèrmica de la matèria orgànica garumniana establim que la reflectància de la vitrinita té un comportament regular en totes les series analitzades. Els paràmetres mesurats permeten definir dues poblacions: a) vitrinites amb reflectància (R) mitja de 0,35 %: corresponen a les mesurades en nivells fonamentalment inorgànics. b) vitrinites amb reflectància (R) mitja de 0,45 %. Aquesta correspon a les mesurades en els nivells fonamentalment orgànics o carbonosos. A la zona de Tremp aquestes vitrinites han presentat valors de R mitja de 0,44 %, a la zona de l'Alt Berguedà la R mitja ha estat de 0.45 %, i finalment al sector d'Àger la R mitja ha estat de 0.42 %. Aquests valors ens situarien en un estadi evolutiu de diagènesi, el qual queda corroborat pels colors de fuorescéncia (grocs i verds fonamentalment) dels macerals liptinítics. Mentre que els valors de reflectància inferiors en els nivells carbonàtcs podrien explicar-se per la menor efectivitat del gradient geotèrmic sobre les restes vegetals originals, motivat per un "efecte curt-circuit” d'aquests nivells carbonàtics que impedirien la seva total evolució. El gradient geotèrmic que ha actuat sobre les restes vegetals originals ha tingut un comportament diferencial segons la natura del nivell que els conté. Un altre paràmetre necessari per classificar els carbons en el seu estadi evolutiu és el poder calorífic superior sobre combustible sec, en el nostre cas té valors superiors a 24 Mj; aquest valor, conjuntament amb els valors de reflectància de la vitrinila (<0.50%) ens permet classificar els nivells orgànogens garumnians com a carbons sub•bituminosos. Tanmateix, el paràmetre geoquímic de maduresa, obtingut per piròlisi rock-eval, de temperatura màxima té un comportament homogeni en els materials garumnians, oscil.lant al voltant dels 430ºC. El conjunt de mostres estudiades ens queda situat a l'àrea límit entre la zona inmadura i la de generació de petroli, al voltant de l'anomenada "finestra del petroli”. Els valors corresponents a COT, S, S(p), IH i IP els considerem merament indicatius, perquè tenen valors fora de l'escala del mètode, atesa la seva natura carbonosa per la qual el calibratge d'aquest mètode no està preparada.

El conjunt de paràmetres determinats ens fa que considerem els materials garumnians com a potencials generadors d'hidrocarburs tipus gas en el cas que haguessin estat sotmesos a una major temperatura i/o pressió a nivells d'enterrament aproximadament superiors a 2.500 metres. La fracció inorgàrica determinada es troba en mig de la fracció orgànica (dispersao reblint cavitats cel.lulars) o bé concentrada en llits de diterent potència. El temps de formacó i la seva composició és variable i es relacionen amb l'ambient deposicional. Establim que aquesta té una distribució força monòtona i uniforme en les tres àrees i està constituïda per: siIicats (minerals d'argila: caolinita, il.lita i clorita; i quars), sofre orgànic, sulfurs (pirita), carbonats (carbonat càlcic) i sulfats (iarosita i basanita). La fracció carbonàtica és la fonamental (majoritària i més abundosa).

Els carbonats localitzats en aquest estudi son propis d’un ambient d'aigues dolces, precipitats en el propi medi deposclonal que originà la torbera on tingué lloc la gènesi de la matèria orgànica. Tan sols els carbonats de la Formació Perles i Nivell 'cementos' els hi atribuim un origen marí i salobre respectivament. L'anàlisl per espectroscòpia Mössbauer ens ha permès corroborar el contingut de la fracció inorgànica rica en ferro i determinar l'oxidació natural que es produeix en algunes mostres corresponents d'una antiga mina a cel obert.

Els materials inorgànics garumnians han patit un grau de transformació lleu. Els minerals de l'argila han estat sotmesos a una fase diagenètica amb prou força que ha provocat la desaparició de l’esmecita, però no ha tingut la potència suficient com per a transformar la caolinita en il.lita. Aquest darrer canvi a l’igual que el de caolinita a clorita han estat puntuals i poc significatius. Les il.lites determinades en els materíats garumnians es troben feblement cristal.linitzades. La baixa proporció d'ankerita ens indica una pobre transformació del carbonat càlcic.

A les zones de l'Alt Berguedà i de Tremp hi ha correlació diagenètica entre la fracció argilosa (desaparició de les esmectites) i la matèria orgànica (reflectància 0.40-0.50%). A la zona d'Ager no s’ha pogut establir aquesta correlació per la manca de fracció argilosa. Tanmateix, establim amb el baix índex de cristal.linitat de l'il.lita que es correspon amb el baix grau evolutiu dels materials analitzats, els quals han patit pressions litostàliques poc importants, fet que també és fa patent en l'ànalisi d'espectroscòpica Mössbauer, on hem evidenciant la baixa proporció de transformació de carbonat càlcic en ankerita i la feble evolució orgànica (baixa reflectància de la vitrinita i colors de fluorescència poc intensos).

Cadascuna de les anàlisis realitzades ens ha permès caracteritzar progressivament tots els nivells que formen els materials estudiats i establir les fases més representatives: inorgàniques constituïdes exclusivament per matèria mineral (Iutílic-margoses i carbonàtiques); mides formades per matèria orgànica i inorgànica (Iutilico-margoses organògenes, carbonàtiques amb partícules orgàniques i calcàries organògenes); i organògenes (vitré, claré i fusé).

En l'aproximació al medi deposicional establim que el Mb. Sant Corneli i la Fm. Tremp presenten petites variacions al llarg del temps, com a resultat de canvis en els factors ambientals. En general, el medi deposicional que les originà era ric en calci i es tractaria d'una torbera pantanosa d'aigues dolces, on hi havia una bona preservació de teixits llenyosos i fluctuacions del nivell d'aigua que varen provocar l'existència de diferents episodis orgànics i d'altres d'inorgànics. Les condicions climàtiques, propies d'un clima humid i subtropical, afavoririen l'abundància d'angiospermes, arbres amb troncs gruixuts, i boscos de coniferes (taxodiaceae), riques en diferents tipus de resinites. La fluctuació de l'alcalinitat en les condicions ambientals provocarien una proliferación de bacteris sulfato-reductors. Els interbancs inorgànics indiquen episodis en els que la torbera deixa d'actuar, prescindint de la presència de matèria orgànica i dominant la formació de minerals.

En ambdúes conques -Berguedà i Tremp- es produeix un increment de la fracció inorgànica cap a sostre del dipósit per acabar finalmenl en nivells totalment inorgànics. Aquest esdeveniment indica un trencament de l'equilibri que fins llavors es mantenia entre la formació de carbó i la subsidència de la conca de sedimentació on es constituia.

La similitud de tots els paràmetres en els tres sectors estudiats suggereix que en el moment de la seva constitució formaven part d'una única conca sedimentària, possiblement emplaçada molt més al nord.

[eng] This Ph.D. Thesis studies the bottom of Garumnien deposition sequence, specifically Tremp Formation, in Central Pyrenean: Berga, Tremp and Ager areas. Organic matter is humic from terrestrial plants, with five resinite groups. Its origin is probably related to their botanical properties and pre- and post-depositional conditions. lnorganic matter of sediments are carbonates; a wide range of accessory are sulphides, silica and clay minerals (kaolinite, iIIite and chlorite). Some minerals could be detritals, while pyrite and some kaolinite are early authigenic; infilling cell lumens or replacing cell walls. Pyrite may be also epigenic.

Maturity and source rock potential of organic rich beds in the Garumnian sequences have been investigated using reflected light microscopy. The results have been compared with other maturity parameters (rock-eval, calorific value and diagenetic mineral matter). The vitrinite reflectance (Ro 0.35-0.45%) and the maximal temperature (430ºC) are low and homogeneous in all different areas. These values indicate the samples are rank from immature diagenetic state bordering mature, near to the oil window. There is a correlation between the diagenesis of mineral matter with the organic one. The parameters: calorific value major to 24 MJ and the vitrinite reflectance minor to 0.50% involve the rank classification of Garumnian coal with subbituminous.

The macerals are not isolated; they are associated with others and with mineral matter in different proportions: produced by various paleo-environments of coal deposition related to the depth of water. In this study we distinguish five types of associations: vitri-inertinite, inerti-vitrinite, carbonate, argilite and pyrite. Usually these types are inter levels as the result of the different depositional environment depositonal. So you may establish that exist different interbedded the inorganic facies, mixed facies and organic facies.

The macerals in the coal subbituminous indicate that the coal-forming peal is accumulated in a predominantly forest, moor swamp environment. The liptirite assemblage suggests that a subtropical and humid climate existed during depositional of the coal. The organic matter decrease within the sedimentary sequence to the uppermost deposits analysed. Paleoenvironments were similar in the Berga, Tremp and Ager areas, it is possible this were part of the same basin located more to the North.