Geología del Carbón

Óscar Pintos Rodríguez

GEOLOGÍA DEL CARBÓN 1

DEFINICIÓN Y ORIGEN El carbón es una roca sedimentaria fácilmente combustible de naturaleza orgánica, formada a partir de restos vegetales. Dichos restos vegetales, según el grado de alteración que sufran, darán uno u otro tipo de carbón. Las capas de carbón producidas, pueden presentar distintas morfologías y espesores. Hay una parte constituyente del carbón, que no proviene de restos vegetales; ésta es la materia mineral de carbón, y su composición y porcentaje modificará notablemente la calidad del carbón. Cuando el carbón presente más de un 40 % de materia mineral, no será rentable su explotación. El carbón estará constituido por más de un 50 % en peso (70 % en volumen) de materia carbonosa. Como materia orgánica, podemos tener plantas, algas y plancton; la materia inorgánica, puede ser intrínseca (asociada de manera natural a las plantas. Ej.: Gramíneas→SiO2) o extrínseca (partículas incorporadas al carbón de forma mecánica o química; Pueden ser singenéticas, si se forman a la vez que el carbón, o epigenéticas si precipitan en grietas, una vez endurecido el carbón. Ej.: carbonatos, sulfuros, ...).

FACTORES DE LA CARBONIFICACIÓN - Presión: compactación y diagénesis. - Temperatura - Tiempo

Se da un enriquecimiento de C con respecto a otros elementos (principalmente O e H). A lo largo de estas transformaciones, obtenemos los tres componentes principales del carbón: macerales (materia orgánica alterada), fiterales (restos orgánicos reconocibles) y minerales (materia inorgánica).

TIPOS DE MACERALES Los macerales se agrupan en base a sus propiedades ópticas y químicas: � Vitrinita: Gris intermedio, reflectividad media. Alto contenido en oxígeno. Al

aumentar el rango, el color se aclara. Procede de madera, hojas y rellenos celulares de plantas. Los procesos que han de sufrir estos restos para transformarse primero en huminita y luego en vitrinita, son humificación (proceso lento de oxidación de tejidos, dando lugar a ácidos húmicos), gelificación (proceso de tipo físico-coloidal asociado al pH del agua; da lugar a materiales gelificados de tipo huminas) y vitrificación (transformación de la huminita en vitrinita debido a un icerto aumento de la temperatura).

� Liptinita: Color más oscuro y menor reflectividad. Alto contenido en hidrógeno. Procede de esporas, polen, resinas y restos de partes duras (cutículas).



� Intertinita: Color gris claro a blanco y alta reflectividad. Procede de cualquier tipo de materia vegetal que haya sufrido oxidación.

LITOTIPOS Y MICROLITOTIPOS A grandes rasgos, podemos decir que existen dos tipos generales de materiales que pueden dar lugar al carbón: → Materiales húmicos o lignocelulósicos: Restos de plantas terrestres que han

sufrido un cierto transporte, lo que dará lugar a fragmentos de troncos, hojas, … Generan un carbón tipo hulla. Debido a su origen, los carbones húmicos tienen un aspecto bandeado y heterogéneo; En función del tipo de transporte, se clasifican en alóctonos, hipoalóctonos (cierto transporte, pero no muy importante), y autóctonos (generados en la propia cuenca). Dentro de los carbones húmicos, aparecen cuatro litotipos: vitreno, clareno, dureno y fuseno.

→ Materiales sapropélicos: Se originan en ambientes muy tranquilos y de escasa profundidad, por lo que suelen ser entornos anaerobios. Compuestos por restos de algas, plancton y organismos de pequeño tamaño; Dan lugar a carbones de aspecto muy homogéneo y masivo. Encontramos dos litotipos: Cannel (esporas) y Boghead.

FITERALES. MATERIA MINERAL DEL CARBÓN

Literales Restos orgánicos del carbón reconocibles; pueden ser macroscópicos y microscópicos. La mayoría son de origen vegetal. Permiten delimitar facies, como por ejemplo las palinofacies (formadas por palinomorfos) e interpretar el origen del carbón, datarlo, analizar la extensión lateral de las capas y determinar ciclos sedimentarios. Las principales palinofacies son Arboreal mixta, Riparian, Euricaráceas, … En función del estado de conservación, se tienen palinodebris (de color negro o marrón, sin estructura celular) y palinowafer (los restos conservan la estructura celular, y son clasificables). Los coal-balls son nódulos de naturaleza carbonatada que se encuentran en turbas y en carbones bituminosos. Minerales del carbón Aquellos componentes inorgánicos, excepto C, H, N, O y S; Se dividen en elementos mayoritarios (>10 %), minoritarios (0.1-10 %) o traza (< 0.1 %). Se pueden clasificar en: � Detríticos o terrígenos: Son la mayoría de los minerales presentes en el carbón, y

que proceden de una zona externa a la turba; Lo más frecuente, es que hayan sido



transportados por el viento (Ej.: Arcillas de origen volcánico). Dan acumulaciones con un grado de compactación muy alto.

� Autigénicos o químicos: Se forman por la deposición de la turba o durante la formación del carbón; cabe destacar los sulfuros. En función de la distribución, podemos distinguir entre materia mineral inherente (íntimamente ligada al carbón y finamente distribuida a la materia orgánica) y materia mineral extraña (separable del carbón de forma relativamente sencilla mediante métodos físicos).

Elementos traza En general, se habla de asociaciones orgánicas (afinidad orgánica) e inorgánicas (aislados por sí mismos) respecto a si aparecen unidos a materia orgánica o formando parte de minerales íntimamente distribuidos en el carbón. Cuando el contenido en determinados minerales es muy alto, se utilizan los términos carbargilita (carbón de la arcilla; 20-60 % de cenizas), carbankerita (20-60 % de carbonatos), y carbopirita (5-20 % de pirita u otros sulfuros). Cenizas del carbón En las centrales térmicas se trabaja en calderas de 1600 ºC y carbón pulverizado; A esta temperatura, la materia mineral del carbón se transforma en cenizas; Parte de estas cenizas se quedan en el horno (escorias) y otra parte escapa de la caldera, dando lugar a cenizas volantes. El flujo de esas cenizas es de tipo gaseoso, por lo que deben pasar por unos filtros que retengan sus partículas, al menos en un 90 %. Existen diversos efectos que provocan los minerales, algunos de ellos beneficiosos, como es el caso de la presencia de carbonato cálcico o magnésico, que a determinadas temperaturas, son capaces de retener el azaufre impidiendo que salte a la atmósfera. Los mayores problemas provienen de la presencia de sulfuros, ya que reducen la capacidad calorífica, dificultan el aprovechamiento secundario del carbón y filtrado de residuos, y crean graves problemas ambientales, como la lluvia ácida; además, los sulfuros crean graves problemas al horno, como: � Erosión, por bombardeo de partículas sólidas sobre las paredes de la caldera. � Slagging: parte de las cenizas se depositan en el horno y se funden; su viscosidad

puede dar lugar a dificultades en la eliminación de escorias. Se soluciona controlando la temperatura de fusión de las cenizas.

� Fouling o suciedad producida por el depósito de sólidos. � Corrosión o destrucción del material de la caldera por reacción de las cenizas con

los materiales de las paredes de la caldera. Fuera de la caldera, los sulfuros ocasionan problemas de tipo:

� Contaminación ambiental. � Preparación: aumentan el costo del proceso de machaqueo, ya que la resistencia

mecánica es mayor. � Separación: los localizados en fracturas son fácilmente extraíbles, pero aquellos que

aparecen íntimamente ligados a los materiales carbonosos presentan grandes problemas, lo que da lugar a un descenso de la calidad del carbón.

� Coquefacción: Cuando los carbones tienen una alta proporción de minerales, no se puede hacer coque (especialmente cuando aparece S2Fe o Cl).

� Hidrogenación: Enriquecimiento en hidrógeno para crear líquidos parecidos al petróleo. Es imposible someter al carbón a este proceso cuando la proporción en minerales es alta.

� Oxidabilidad: Facilidad para provocar inflamación espontánea del carbón; en general, aumenta con el contenido en minerales.



CLASIFICACIÓN DE LOS CARBONES El rango del carbón es el grado que alcanza el carbón dentro del proceso de carbonificación o maduración de la materia orgánica. Se consideran parámetros químicos (% humedad, % volátiles, % humedad ambiental, % O, % C elemental y poder calorífico) y físicos (reflectancia de la vitrinita y fluorescencia de la liptinita). El rango se relaciona con muchos factores, como: 1. Proporción de carbono: En turbas es superior o igual al 50%, y va aumentando

hacia los lignitos. 2. Tipo de carbón original: En los carbones sapropélicos, la proporción original de

carbono es mayor que en los húmicos, ya que la alginita o la esporinita son mas ricas en este elemento, que la materia vegetal; las proporciones se van equiparando a medida que se aproximan a las antracitas y lignitos.

3. Hidrógeno: Desciende según aumenta el rango; al principio de la diagénesis apenas sufre transformaciones, pero según se va intensificando se produce una brusca reducción entre los carbones altos y bajos en volátiles; los valores más comunes de H, son 5-6% en turbas y lignitos y > 2% en lignitos, hullas y antracitas.

4. Oxígeno: Desciende proporcionalmente a la diagénesis y el enriquecimiento en carbono. La proporción en lignitos es 20-35%, 5-15% en hullas y <5% en antracitas.

5. Nivel de carbonificación, en función de las proporciones de C, H y O. 6. Densidad: No es un parámetro muy fiable, especialmente en los altos rangos. En

general, la densidad del carbón aumenta con el rango, produciéndose un incremento brusco en las antracitas.

7. Contenido en volátiles: Principalmente son gases y agua; Tienden a disminuir con la profundidad, lo que hace que exista un aumento relativo del carbono.

8. Proporción de humedad: También disminuye con la profundidad de una forma muy constante.

Para calcular el grado de metamorfismo o diagénesis, se utiliza la reflectividad de la vitrinita: Turbas-Lignitos <1 (80-85 % C); Carbones bituminosos y hullas 1-1.2 (85-90 % C); Antracitas >1.9-2 (C > 90 %). La reflectancia de la vitrinita va aumentando proporcionalmente al rango de los carbones; La variación de la reflectancia, denominada anisotropía (diferencia entre valores mínimos y máximos para un mismo rango) de la vitrinita, es muy pequeño en carbones bituminosos y subbituminosos. Cuando no existe vitrinita, se pueden utilizar otros parámetros microscópicos para determinar el rango, tales como la luz reflejada, la luz transmitida (TAI o translucidez de los palinomorfos).

La temperatura de confinamiento es aquélla a la que ha sido sometido el carbón para alcanzar el grado que presenta.



CONDICIONES PARA EL DESARROLLO DEL CARBÓN La única diferencia entre el carbón y otras rocas sedimentarias, es que sus componentes son básicamente orgánicos (macerales). Las variaciones de las propiedades del carbón, son el reflejo del ambiente deposicional originario. Condiciones de formación de turbas Tras la muerte, comienza la putrefacción por acción de microorganismos, y sólo se detendrá si existe una acumulación de materia orgánica bajo aguas estancadas (medio reductor), o si existe una reducción del oxígeno. En general, para la formación de turba, se necesita un medio acuoso o unos sedimentos empapados; En cualquier caso, ha de existir además una inhibición bacteriana para que la producción sea mayor que la putrefacción; Los medios, además han de estar sometidos a precipitaciones o aportes de agua para que se genere vegetación, y el clima ha de ser tal que la alteración sedimentaria no sea muy intensa (humedad y temperaturas altas; sin embargo, cuando la temperatura es muy alta, la putrefacción es mucho más efectiva; por esta razón, las selvas tropicales son poco adecuadas: la putrefacción sobrepasa la producción). Carbonificación De toda la acumulación de restos vegetales, sólo un 15% entra a formar parte de los sedimentos. Una vez que han sido incluidos, se producen dos procesos fundamentales: carbonificación bioquímica y geoquímica, mediante las cuales los restos vegetales se van transformando de turbas a lignitos, carbones subbituminosos, hullas, semiantracitas y metaantracitas. Mediante la etapa bioquímica, se obtienen las turbas, lignitos y carbones subbituminosos mediante cambios microbianos a una profundidad de medio metro. Los principales agentes transformadores de las turberas son los hongos aerobios y las bacterias. Por debajo de esta profundidad comienzan a actuar los organismos anaerobios. El proceso de alteración bioquímica se resume en: humificación o transformación de la materia vegetal en humus (turba), gelificación o transformación del humus en gel (sólo se gelifican la celulosa y la lignina), y vitrificación o transformación a vitrinita de la celulosa y la lignina. De este modo, la materia orgánica sufre transformaciones biológicas y químicas por descenso del contenido en celulosa, aumento de la proporción de C, aumento del poder calorífico, descenso del contenido en volátiles y escasa formación de gases. También sufre transformaciones físicas por compactación, descenso de porosidad, descenso de humedad, descenso del volumen de la capa y expulsión de fluidos; y variaciones petrográficas por enriquecimiento en vitrinita. En la transformación de turba a lignito se rebaja el contenido inicial de agua que puede superar un 75% y aumenta el contenido en C, que originalmente podría ser inferior al 60% y se obtiene un material no fragmentable con la mano y sin celulosa libre; Todas las transformaciones son graduales. Por debajo de los 10 m, sólo existen procesos geoquímicos, ya que no existe acción bacteriana y la materia mineral no es alterada. A partir de este momento, los únicos agentes son la presión, la temperatura y el tiempo. Los procesos geoquímicos, son los responsables de la formación de carbones subbituminosos y antracitas. Tipos de cuencas



Las zonas de mayor deposición de terrígenos son poco favorables, por lo que el carbón tenderá a acumularse en zonas laterales, donde los aportes son mínimos. En función de la relación terrígenos/carbón, se distinguen:

� Cuencas hímnicas: Cuencas continentales endorréicas cerradas. Relacionadas con los levantamientos de cadenas montañosas que originan zonas deprimidas que reciben gran cantidad de material; Cuando aparecen carbones en esos ambientes, suelen tener poca extensión lateral.

� Cuencas parálicas: Presentan una clara influencia marina con cierta influencia continental. Alta producción orgánica con frecuentes invasiones marinas; la variedad de carbones es muy alta; el ritmo de deposición es menor, pero tienen grandes extensiones laterales.

Dentro de estas cuencas, a gran rango, pueden presentarse diferentes ambientes: � Sucesiones terrígenas: Se dan por acumulación de sedimentos fluviales. El carbón

se forma en zonas tranquilas, fuera de los canales, como las llanuras de inundación o los meandros abandonados. Son capas de pequeño espesor, en general con muchas cenizas y no son buenos formadores de carbones económicos.

� Series deltaicas: Se dan en zonas de baja energía, pero mezclados con gran cantidad de terrígenos, por lo que suelen ser carbones improductivos; capas muy discontinuas.

� Series marinas: Se producen en zonas con influencia marina como manglares o marismas. Relacionadas con sedimentos carbonatados; son interesantes, ya que generan carbones con bajo contenido en cenizas.

Factores en la generación de carbones productivos 1. Las aguas han de tener un carácter ácido con alto contenido en terrígenos y en

ambientes pantanosos. Las aguas ácidas inhiben la decantación y disuelven las partículas, excepto el cuarzo y el caolín.

2. La turba ha de acumularse en distinto lugar que los terrígenos, como por ejemplo, en los pantanos flotantes.

3. El depósito de turba no ha de ser contemporáneo con la deposición de los clásticos. 4. El desarrollo de la vegetación ha de ser muy importante, o bien, la putrefacción muy

reducida.

CARBONES AUTÓCTONOS Y ALÓCTONOS

Carbones alóctonos Materiales que han sufrido un alto transporte, de tal modo que la sedimentación se produce en zonas de baja energía. El material aparece muy fragmentado por el proceso de transporte. Estas turberas se caracterizarán por la acumulación asociada de grandes cantidades de terrígenos que hacen que sean carbones poco productivos. Carbones autóctonos Se dan cuando el material vegetal se deposita in situ. Se pueden diferenciar tres tipos de pantanos productores de turbas: → Ciénagas o turberas flotantes: Se desarrollan en lagos de poca profundidad donde

hay un desarrollo vegetal a partir de los bordes del pantano. Las turberas serán de poca profundidad y de extensión variable; darán lugar a carbones con bajos contenidos en cenizas y muy ricos en liptinitas.

→ Marismas flotantes o turberas bajas: Se dan en zonas llanas con un gran aporte de agua, pero de corriente difusa y un drenaje deficiente. Dan grandes concentraciones de masas vegetales y mucha variedad; Las aguas tienen un pH entre ácido y neutro, y con aportes de terrígenos dispersos. Las turberas son de gran



potencia pero muy irregulares, existiendo una gran variedad de macerales, predominando la vitrinita.

→ Pantanos elevados o turberas altas: Turberas convexas que presentan una topografía que no tiene nada que ver con aquélla en la que se asentaron. Son típicas de climas lluviosos, pero fríos. Las aguas son muy ácidas, favoreciendo la disolución de los terrígenos e impidiendo la acción de hongos y bacterias. Dan potencias altas de carbones, de buena calidad. La vegetación es de tipo pradera-bosque. Son típicas de zonas deltaicas, pero sobre todo en maglares rodeados de arenas, pero sin mezclas. Escasa cantidad de cenizas; presentan los tres macerales, aunque especialmente vitrinita.

La acumulación de turbas, es un hecho puntual; para que se produzca, ha de existir

una interrupción en la sedimentación del sistema.

SECUENCIAS DEPOSICIONALES CON CARBÓN Ciclotemas El carbón presenta variaciones en la horizontal y en la vertical, debido a cambios de vegetación, proporciones de agua, episodios climáticos, … Se definió el término ciclotema para explicar las repeticiones cíclicas observadas en las litologías asociadas al carbón. Las primeras capas que aparecen en casi todos los casos pertenecen a las cuencas de control paleogeográfico y pelotográfico, como valles que se inundan y generan niveles de carbonatos que cubren inmediatamente el carbón; Posteriormente se depositan terrígenos cada vez más gruesos hasta que reaparece el carbón. Son sucesiones muy características, similares a los manglares actuales, en los que la influencia deltaica suele ser muy pequeña. → Ciclotemas con control eustático: Corresponden generalmente a valles o zona que

posteriormente han sido inundadas por el agua del mar. Se produce un desarrollo importante de los sedimentos finos, fundamentalmente de carácter arenosos y arcilloso, seguidos de la capa de carbón que inmediatamente es cubierta por una capa de calizas de origen marino; Por encima de esta capa, se depositan de nuevo, terrígenos de carácter grueso; El inicio de la transgresión se sitúa en el momento en el que termina la sedimentación del carbón. Es típico de llanuras y albuferas que son inundadas por el mar.

→ Ciclotemas con control tectónico, y en menor medida, climático: Se producen en zonas donde existen movimientos tectónicos recurrentes, de manera que los episodios de levantamiento producen gran cantidad de terrígenos por erosión, quedando la turba desarrollada dentro de los sistemas fluviales de tipo braided o anastomosados. La secuencia está compuesta por sedimentos arenosos estructurados (point-bars, …), sedimentos finos de llanura de inundación (levees, …), y por último, una capa de carbón. Es típico de zonas intracratónicas (cuenca hímnicas).

→ Ciclotemas con control climático: Corresponden a los generados en las zonas deltaicas distales; deltas con gran influencia climática y gran aporte de sedimentos.



→ Ciclotemas de control sedimentario: Acumulación de sedimentos bajo tasas constantes de subsidencia o transgresión, con variaciones periódicas en el transporte de sedimentos. Se produce una importante alternancia de gruesos y finos en la base, que pasan a conglomerados y arenas, terrígenos con posible influencia marina, y niveles de carbón tapados de nuevo por terrígeno.

TÉCNICAS DE EXPLOTACIÓN DEL CARBÓN � Corta de carbón: Excavación tridimensional con sección troncocónica que se efectúa en capas de

carbón muy potentes, o bien cuando aparecen muchas capas que se pueden agrupar en una sola. � Descubierta de carbón: Avance a lo largo de un único banco. El hueco dejado se va rellenando con

el estéril. Se realiza cuando aparece una capa muy potente, horizontal o con poco buzamiento y que aflora en superficie, o tiene pocos recubrimientos.

� Terrazas: Se denomina minería de bloqueo, y de nuevo, el hueco dejado se va rellenando con estéril. Se efectúa cuando las capas son horizontales, el recubrimiento es más o menos importante, pero fácilmente extraíble.

� Minería de contorno: Explotación hasta el límite de la rentabilidad; se va rastreando la capa. Se utiliza cuando la situación geológica es compleja, en capas con buzamiento muy importante, la potencia es reducida, e incluso cuando la inclinación de las capas cambia.

USOS DEL CARBÓN

Combustión El proceso de combustión del carbón consiste en la devolatilización y oxidación. La devolatilización es el calentamiento del carbón de tal modo que pueda, en primer lugar, perder agua y posteriormente los hidrocarburos. La masa de la partícula de carbón, se ve reducida hasta en un 80%, a una temperatura de unos 1500 ºC. Este proceso se realiza en calderas de carbón pulverizado y dura entre milisegundos y minutos. El resultado final es una masa de partículas de carbón agrietada y porosa. La oxidación del carbonizado (char residual) se produce a mayor temperatura, quemando la partícula de carbono por medio de oxígeno; es un proceso mucho más lento. Coquefacción Más del 80% del coque es consumido por la industria del acero. Se genera coque por un proceso de carbonización, con el alquitrán como subproducto. El coque es un material carbonoso, de aspecto grafitizable, obtenido por tratamiento térmico en ausencia de aire, a temperaturas superiores a los 1000 ºC. El producto final depende de la calidad del carbón inicial. Los pasos en la elaboración del coque, son:

→ Calentamiento por debajo de los 200 ºC, con pérdida del agua y otros gases como el CO2, N y CH4.

→ Etapa preplástica en la que se siguen eliminando gases atrapados. → Etapa plástica: Se sitúa entre los 350 y 500 ºC. El carbón se reblandece, fundiendo y dando lugar

a una masa fluida o estado plástico del carbón; Por encima de los 500 ºC se produce una resolidificación y se genera semicoque (estado intermedio entre el carbón y el coque); esta etapa resulta clave para la producción del coque.

→ Etapa postplástica: Por encima de los 500 ºC, el semicoque sigue perdiendo gases, sobre todo N. A partir de los 750 ºC se produce la compactación definitiva, dando un residuo sólido, poroso y de organización granítica, que es el coque.

Gasificación



Consiste en obtener, a partir de la materia orgánica del carbón, gases combustibles mediante la inducción de calor a las capas de carbón. El fenómeno de desprendimiento de gases del carbón es muy conocido y constituye en peligro muy típico en las minas de carbón (gras grisú). Licuefacción Se denominan líquidos del carbón a los productos de origen orgánico provenientes del carbón, que son sólidos o líquidos solubles en diferentes solventes. Tienen dimensiones mucho menores que la macromolécula del carbón. El proceso de licuefacción consta de dos fases: � Solubilización: Produce un residuo insoluble de donde se obtienen los asfaltenos, aceites y

preasfaltenos. � Hidrogenación: Esta fase es la más interesante, ya que, aunque se obtienen los mismos productos, su

peso moléculas es mucho menor.

IMPLICACIONES MEDIOAMBIENTALES Existen tres tipos de productos contaminantes relacionados con el carbón: • Productos sólidos: Polvo carbonoso de origen orgánico (no es un producto muy nocivo, aunque

puede contaminar el agua; El principal efecto es estético, ya que produce un tapiz oscuro. Cuando el tamaño de las partículas es inferior a una micra, puede inhalarse, provocando enfermedades. Al ser rico en ácidos húmicos, es beneficioso para los suelos vegetales) o de origen inorgánico (procede de la combustión y la gasificación; cuando están fundidos no son dañinos. Los más peligrosos son los elementos traza, como el Hg en los peces, As y Pb en los mamíferos y F en las plantas. Existen tres sistemas de retención o filtros: mecánicos [mallas], electrostáticos [ionización de partículas] y químicos [reacciones que dan lugar a compuestos inertes]).

• Productos líquidos: Son los procedentes del lavado de la mina, causando un efecto similar al de la lluvia ácida. Se lavan con técnicas químicas. Son los más controlados.

• Productos gaseosos: Son los más contaminantes, ya que contienen gases ácidos (S y N) procedentes de la combustión del carbón; Impiden la respiración en plantas y animales, dan lugar a la lluvia ácida, perduran durante mucho tiempo en la atmósfera, y pueden recorrer grandes distancias.

RECURSOS EN ESPAÑA Las principales cuencas perálicas españolas, se sitúan en el Bierzo, Asturias y Sur de la Cantábrica. Las cuencas límnicas principales están en el Sur Occidental. Y los lignitos, en Teruel y Galicia.

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