FUNDAMENTOS DEL PETROLEO Y GAS NATURAL

Capítulo 1: Fundamentos de Geología

1.1. Introducción

1.2. Que estudia la Geología

La geología estudia la tierra, por lo tanto es la ciencia que estudia los cambios sucesivos que han operado en los reinos orgánicos e inorgánicos en la naturaleza.

La geología tiene gran importancia en el estudio y análisis del origen y formación del petróleo.

Dos son las ramas de la geología:

Física: Estudia la composición y los procesos que ocurren en la tierra Histórica: Estudia el origen y los cambios que ocurren en la tierra

1.3. Estructura de la tierra

La tierra forma parte del sistema solar y por lo tanto debe tener una estructura y composición similar a los otros planetas y estar sometida a las mismas leyes generales. La tierra tiene un radio medio de 6.371 Km.

La temperatura interna de la tierra aumenta para cada 33 metros 1 grado centígrado llamándose a este aumento el gradiente geotérmico o grado geotérmico. Si el aumento continuase uniformemente la temperatura en el centro de la tierra llegaría hasta los 193.000 grados centígrados, es decir, unas 35 veces más caliente que el sol que tiene una temperatura de 5.500 grados centígrados. Pero en realidad la temperatura en el centro de la tierra oscila entre los 2.200 y 4.400 ºC.

1.3.1. Estructura interna de la tierra

La Tierra tiene una estructura diferenciada en diferentes capas. Estas capas poseen diferentes composiciones químicas y comportamiento geológico. Su naturaleza puede estudiarse a partir de la propagación de ondas sísmicas en el interior terrestre y a través de las medidas de los diferentes momentos gravitacionales de las diferentes capas obtenidas por diferentes satélites orbitales.

Los geólogos han diseñado dos modelos geológicos que establecen una división de la estructura terrestre:

• Modelo geostático:

Corteza (Litosfera): Es la capa más superficial y tiene un espesor que varía entre los 12 km, en los océanos, hasta los 80 km en cratones (porciones más antiguas de los núcleos continentales). La corteza está compuesta por basalto en las cuencas oceánicas y por granito en los continentes.

Manto (Pirosfera): Es una capa intermedia entre la corteza y el núcleo que llega hasta una profundidad de 2900 km. El manto está compuesto por peridotita. El cambio de la corteza al manto está determinado por la discontinuidad de Mohorovicic. El manto se divide a su vez en manto superior y manto inferior. Entre ellos existe una separación determinada por las ondas sísmicas llamada discontinuidad de Repetti (700 km).

Núcleo (Barisfera): es la capa más profunda del planeta y tiene un espesor de 3.475 km. El cambio del manto al núcleo está determinado por la discontinuidad de Gutenberg (2.900 km).

Modelo geodinámico:

Litosfera: Es la parte más superficial que se comporta de manera elástica. Tiene un espesor de 250 km y abarca la corteza y la porción superior del manto.

Astenosfera: Es la porción del manto que se comporta de manera fluida. En esta capa las ondas sísmicas disminuyen su velocidad.

Mesosfera: También llamada manto inferior. Comienza a los 700 km de profundidad, donde los minerales se vuelven más densos sin cambiar su composición química. Está formada por rocas calientes y sólidas, pero con cierta plasticidad.

Capa D: Se trata de una zona de transición entre la mesosfera y la endosfera. Aquí las rocas pueden calentarse mucho y subir a la litosfera, pudiendo desembocar en un volcán.

Endosfera: Corresponde al núcleo del modelo geostático. Formada por una capa externa muy fundida donde se producen corrientes o flujos y otra interna, sólida y muy densa.

Modelo geostático y geodinámico de las estructura de la tierra

La Tierra es el único planeta en nuestro sistema solar que tiene una superficie líquida. El agua cubre un 71% de la superficie de la Tierra (97% de ella es agua de mar y 3% agua dulce), formando cinco océanos y siete continentes.

1.4. Atmósfera terrestre

La Tierra tiene una espesa atmósfera compuesta en un 78% de nitrógeno, 21% de oxígeno molecular y 1% de argón, más trazas de otros gases como anhídrido carbónico y vapor de agua. La atmósfera actúa como una manta que deja entrar la radiación solar pero atrapa parte de la radiación terrestre (efecto invernadero). Gracias a ella la temperatura media de La Tierra es de unos 17 °C. La composición atmosférica de la Tierra es inestable y se mantiene por la biosfera. Así, la gran cantidad de oxígeno libre se obtiene por la fotosíntesis de las plantas, que por la acción de la energía solar transforma CO2 en O2. El oxígeno libre en la atmósfera es una consecuencia de la presencia de vida (de la vegetación) y no al revés.

Las capas de la atmósfera son: la troposfera, la estratosfera, la mesosfera, la termosfera, y la exosfera. Sus alturas varían con los cambios estacionales.

La masa total de la atmósfera es aproximadamente 5,1×1018 kg.

1.5. La corteza terrestre

Desde sus orígenes, nuestro planeta está compuesto de diversas capas que se formaron mientras los materiales pesados caían hacia el centro y los más ligeros salían a la superficie. Entre algunas de las capas se producen cambios químicos o estructurales que provocan discontinuidades. Los elementos menos pesados, como silicio, aluminio, calcio, potasio, sodio y oxígeno, componen la corteza exterior.

Las placas que forman la corteza terrestre se encuentran flotando sobre materiales pastosos sometidos a fuertes presiones que se desplazan lentamente las unas con respecto a las otras.

Debido a estos movimientos y a la presión sobre los materiales internos, se producen diversos fenómenos: plegamientos del terreno, fallas, grietas, volcanes y terremotos. Vivimos sobre una superficie que, lejos de permanecer estable, va cambiando a lo largo del tiempo.

Durante miles de millones de años se ha ido sucediendo un lento pero continuo desplazamiento de las placas que forman la corteza del planeta Tierra, originando la llamada "tectónica de placas", una teoría que complementa y explica la deriva continental.

Los continentes se unen entre sí o se fragmentan, los océanos se abren, se levantan montañas, se modifica el clima, influyendo todo esto, de forma muy importante en la evolución y desarrollo de los seres vivos. Se crea nueva corteza en los fondos marinos, se destruye corteza en la trinchera oceánica y se producen colisiones entre continentes que modifican el relieve.

1.6. Placas tectónicas

Una placa tectónica es un fragmento de litósfera que se desplaza como un bloque rígido sin presentar deformación interna sobre la Astenosfera de la Tierra. Este movimiento se produce por corrientes de convección en el interior de la Tierra que liberan el calor original adquirido por el planeta durante su formación.

La tectónica de placas es la teoría que explica de manera elegante y coherente la estructura, historia y dinámica de la superficie de la Tierra. La litosfera terrestre está dividida en 12 grandes placas y en varias placas menores o micro placas. En los bordes de las placas se concentra actividad sísmica, volcánica y tectónica. Esto da lugar a la formación de grandes cadenas de montañas y cuencas.

1.6.1. Tipos de Placas

Oceánicas Continentales

Entre las que pueden existir grandes, pequeñas y micro placas.

Grandes Placas Tectónicas

Placa Euroasiática Placa Aficana Placa Indoaustraliana Placa Pacífica Placa Norteamericana Placa Sudamericana Placa Antártica

Placas Menores y Micro Placas

Placa de Nazca Placa de Cocos Placa del Caribe Placa de Arabia Placa de las Filipinas Placa de Juan de Fuca Placa de Somalia

Hasta ahora la Tierra es el único planeta del Sistema Solar con placas tectónicas activas, aunque hay evidencias de que Marte, Venus y alguno de los satélites galileanos fueron tectónicamente activos en tiempos remotos.

1.6.2. Limites entre Placas

Las placas limitan entre sí por tres tipos de situaciones:

Límites divergentes

Corresponden al medio oceánico que se mueven en sentidos contrarios para crear un nuevo suelo oceánico.

Límites convergentes: Allí donde dos placas colisionan.

Hay dos casos muy distintos:

Límites de subducción

La subducción es un proceso de hundimiento de la corteza oceánica, de mayor peso específico, por debajo de la corteza continental, de menor peso específico, debido al choque de ambas placas según la teoría de tectónica de placas.

El lento movimiento, hacia las capas más profundas de la Tierra, de la placa oceánica provoca un aumento lento de las temperaturas en las rocas del antiguo fondo del mar, hasta más de 1.000 grados Celsius y a una profundidad de 100 kilómetros aproximadamente las rocas de la placa oceánica se funden parcialmente. Durante la subducción se observa además un aumento relativo rápido de la presión. En una zona de subducción, la corteza

terrestre así derretida asciende nuevamente hacia la superficie en donde ayuda a formar volcanes e islas. La formación de algunos volcanes, montañas, islas y fosas oceánicas están conectadas con el proceso de subducción, deriva continental y orogénesis.La subducción ocurre principalmente en la costa oeste de América del Sur (Chile, Perú, Ecuador, Colombia), Japón, Aleutianas, Java y partes del Mar Mediterráneo. Siempre provoca fenómenos sísmicos de mayor magnitud.

La litosfera derretida también libera gases de la atmósfera, que fueron atrapados en el suelo y por eso la subducción de la litosfera también contribuye al reciclaje de la atmósfera.

La subducción: puede ser de tipo continental, como ocurre en la subducción de la placa de Nazca bajo los Andes; o puede ser oceánica, en cuyo caso se desarrollan allí edificios volcánicos que forman un arco de islas. Las fosas oceánicas, y los límites que marca, tienen una forma curva, con una gran amplitud según corresponde a la sección de un plano inclinado, el plano de subducción, con la superficie.

Límites de colisión

Se originan cuando la convergencia facilitada por la subducción provoca la aproximación de dos masas continentales. Al final las dos masas chocan, levantándose un orógeno de colisión, con los materiales continentales de la placa que subducía tendiendo a ascender sobre la otra placa. Las mayores cordilleras, como el Himalaya y los Alpes se formaron así.

Límites de fricción

Es como llamamos a la situación en que dos placas aparecen separadas por un tramo de falla transformante.

Las fallas transformantes quiebran transversalmente las dorsales, permitiéndoles desarrollar un trazado sinuoso a pesar de que su estructura interna exige que sean rectas. Topográficamente las fallas transformantes aparecen como estrechos valles rectos asimétricos en el fondo oceánico. Sólo una parte del medio de cada falla es propiamente límite entre placas, proyectándose los dos extremos cada uno dentro de una placa. Una característica de estos límites es el desliz entre placas sin causar la destrucción o creación de suelo.

1.7. Bases de la teoría tectónica

Según la teoría de la tectónica de placas, la corteza terrestre está compuesta al menos por una docena de placas rígidas que se mueven a su aire. Estos bloques descansan sobre una capa de roca caliente y flexible, llamada Astenosfera, que fluye lentamente a modo de alquitrán caliente.

Las teorías más vanguardistas afirman que el movimiento del material espeso y fundido de la Astenosfera fuerza a las placas superiores a moverse, hundirse o levantarse.Concepto básico de la teoría de la tectónica de placas es simple: el calor asciende. El aire caliente asciende por encima del aire frío y las corrientes de agua caliente flotan por encima de las de agua fría. El mismo principio se aplica a las rocas calientes que están bajo la superficie terrestre: el material fundido de la Astenosfera, o magma, sube hacia arriba, mientras que la materia fría y endurecida se hunde cada vez más hacia al fondo, dentro del manto. La roca que se hunde finalmente alcanza las elevadas temperaturas de la Astenosfera inferior, se calienta y comienza a ascender otra vez.

Este movimiento continuo y, en cierta forma circular, se denomina convección. En los bordes de

la placa divergente y en las zonas calientes de la litosfera sólida, el material fundido fluye hacia

la superficie, formando una nueva corteza.

1.8. El movimiento continuo

Lo que ha ocurrido, por lo menos, una vez, puede volver a ocurrir. Y ocurrirá. El movimiento de las placas que forman la corteza terrestre deslizándose sobre una capa viscosa, sometida a fuertes tensiones, no puede detenerse.

¿Por qué no lo notamos?

Bueno, es un movimiento muy lento, o nuestra visión muy rápida. Pero la deriva de los continentes es imparable, como lo es la salida al exterior de nuevos materiales en las dorsales oceánicas y el hundimiento en las zonas de subducción.

Recordemos que los continentes no son más que las tierras emergidas de algunas placas y, de buen seguro, en el futuro cambiarán de forma y posición muchas veces, como lo hicieron en el pasado.

De hecho, no son los continentes, sino el propio fondo oceánico el que se mueve y arrastra de este modo los continentes. El proceso continúa, y los continentes siguen su deriva, por lo general a razón de unos pocos centímetros al año. Por tanto, su actual disposición no es permanente.

El océano Atlántico se está ensanchando a medida que África y América se separan; en cambio, el océano Pacífico se está empequeñeciendo. También el mar Mediterráneo se estrecha, y terminará por desaparecer, pues África avanza hacia el norte, al encuentro de Europa.

Cuando Pangea se escindió en Gondwana y Laurasia, la India formaba parte de Gondwana. Más tarde se rompió y se desplazó rápidamente hacia el norte a la velocidad inusualmente elevada de 17 cm anuales, hasta chocar con Asia e unirse a este continente. La presión de la India contra Asia provocó el plegamiento de la corteza y la formación de la cordillera del Himalaya, fenómeno que aún prosigue.

Se cree que la unión o sutura de masas de tierra continuará repitiéndose una y otra vez en el futuro y que todos los continentes volverán a reunirse de nuevo en un supercontinente.

1.9. Placas Tectónicas

Mapa que muestra la distribución de fósiles en los continentes del Sur. Esta distribución hizo que Wegener una los continentes, tal como demuestra el mapa. Imagen de USGS publication This Dynamic Earth

Para explicar estos datos, Wegener propuso la teoría del movimiento continental, en su libro Los Orígenes de los Continentes y los Océanos, publicado en Alemán en 1915. Su teoría enunciaba que todos los continentes estaban originalmente unidos en un supercontinente llamado Pangea. También decía que hace aproximadamente 200 millones de años, Pangea se separó y los continentes se movieron lentamente a sus posiciones actuales.

Pérmico: 225 millones Jurásico135 millones Hoy en Día de años atrás de años atrásImágen de USGS publication This Dynamic Earth

1.10. La erosión de la superficie terrestre

Llamamos "erosión" a una serie de procesos naturales de naturaleza física y química que desgastan y destruyen los suelos y rocas de la corteza de un planeta, en este caso, de la Tierra.

La erosión terrestre es el resultado de la acción combinada de varios factores, como la temperatura, los gases, el agua, el viento, la gravedad y la vida vegetal y animal. En algunas regiones predomina alguno de estos factores, como el viento en las zonas áridas.

También, y mucho más en los últimos tiempos, se produce una erosión acelerada como el resultado de la acción humana, cuyos efectos se perciben en un periodo de tiempo mucho menor. Sin la intervención humana, estas pérdidas de suelo debidas a la erosión se verían compensadas por la formación de nuevos suelos en la mayor parte de la Tierra.

1.11. La meteorización

La corteza terrestre sufrió numerosas alteraciones causadas por las fuerzas internas del planeta, por lo que se rompió y se formó de nuevo. Una gran parte de estos procesos continua actuando.

Pero desde que existe la atmósfera hay otros agentes que han contribuido a transformarla lentamente hasta tener el aspecto que ahora nos presenta. Todos estos procesos se denominan "meteorización" o, genéricamente, "erosión" y los agentes causantes (agentes geológicos externos) pueden ser de tipo físico (mecánico), químico y biológico, en otras palabras la meteorización o erosión es el proceso de degradación del suelo, rocas, etc.

La meteorización produce fragmentos de rocas y minerales, así como otros productos residuales y solubles, que pueden ser transportados y depositados a otros niveles, lo que deja nuevas superficies expuestas a la meteorización.

1.11.1. Meteorización mecánica

La meteorización mecánica es la disgregación física de las rocas en fragmentos, a causa de los cambios de temperatura, humedad y actividad biológica.

Temperatura: Al calentarse las rocas y minerales se producen diferencias de tensión en su estructura. Los materiales oscuros absorben más calor que los claros y están expuestos. Las altas variaciones de temperatura entre el día y la noche imprimen a las rocas fuertes contracciones y dilataciones, que provocan fisuras y, con el tiempo, su fragmentación.

Agua: El agua líquida influye en la meteorización mecánica de las rocas, y aún más cuando se trata de hielo. En pocas horas el hielo puede abrir fisuras en las rocas y exponerlas a una acción acelerada de otros agentes. Las rocas de las capas más superficiales de la corteza terrestre, presentan grietas o fisuras. Cuando el agua de lluvia o procedente de los deshielos penetra en el interior de estas grietas y la temperatura desciende por debajo de los 0 grados, se expande. Si la roca es muy porosa, su disgregación puede llegar a tener consistencia granular.

Actividad biológica: Cuando las rocas ya presentan fisuras pueden ser colonizadas por las raíces de los árboles, que imprimen presión conforme crecen y aumentan de volumen. La presión ejercida por las raíces no es comparable a la del hielo, pero puede ser suficiente para generar rotura y desprendimiento de rocas, que quedan así expuestas a la acción otros agentes. La meteorización química

1.11.2. Meteorización química

Es el conjunto de los procesos llevados a cabo por medio del agua o por los agentes gaseosos de la atmósfera como el oxígeno y el dióxido de carbono.

Las rocas se disgregan más fácilmente gracias a este tipo de meteorización, ya que los granos de minerales pierden adherencia y se disuelven o desprenden mejor ante la acción de los agentes físicos.

Disolución: Consiste en la incorporación de las moléculas de un cuerpo sólido a un disolvente como es el agua. Mediante este sistema se disuelven muchas rocas sedimentarias compuestas por las sales que quedaron al evaporarse el agua que las contenía en solución.

Hidratación: Es el proceso por el cual el agua se combina químicamente con un compuesto. Cuando las moléculas de agua se introducen a través de las redes cristalinas de las rocas se produce una presión que causa un aumento de volumen, que en algunos casos puede llegar al 50%. Cuando estos materiales transformados se secan se produce el efecto contrario, se genera una contracción y se resquebrajan.

Oxidación: La oxidación se produce por la acción del oxígeno, generalmente cuando es liberado en el agua. En la oxidación existe una reducción simultánea, ya que la sustancia oxidante se reduce al adueñarse de los electrones que pierde la que se oxida. Los sustratos rocosos de tonalidades rojizas, ocres o parduzcas, tan abundantes, se producen por la oxidación del hierro contenido en las rocas.

Hidrólisis: Es la descomposición química de una sustancia por el agua, que a su vez también se descompone. En este proceso el agua se transforma en iones que pueden reaccionar con determinados minerales, a los cuales rompen sus redes cristalinas. Este es el proceso que ha originado la mayoría de materiales arcillosos que conocemos.

Carbonatación: Consiste en la capacidad del dióxido de carbono para actuar por si mismo, o para disolverse en el agua y formar ácido carbónico en pequeñas cantidades. El agua carbonatada reacciona con rocas cuyos minerales predominantes sean calcio, magnesio, sodio o potasio, dando lugar a los carbonatos y bicarbonatos.

Acción biológica: Los componentes minerales de las rocas pueden ser descompuestos por la acción de sustancias liberadas por organismos vivos, tales como ácidos nítricos, amoniacos y dióxido de carbono, que potencian la acción erosionadora del agua.

1.12. Sedimentos y estratos

Los procesos sedimentarios son de tres tipos:

Marinos, se forman depósitos en la plataforma continental y en las zonas abismales.

Continentales, se acumulan materiales a los pies de las cadenas montañosas, en los glaciares, a lo largo de las cuencas de los ríos y en los desiertos.

De transición, que es la sedimentación que tiene lugar en puntos de contacto entre el mar y los continentes, como las zonas pantanosas y los deltas.

Los restos orgánicos atrapados en los sedimentos se pueden fosilizar si estos se convierten en rocas metamórficas. Al conjunto de los diversos estratos que contienen los mismos tipos de fósiles se le llama "unidad estratigráfica".

El grosor de un sedimento permite deducir el tiempo que tardó en formarse, si se conoce la velocidad de sedimentación. Cada tipo de sedimento indica algunas características de la época en que se formó, tales como lluvias, glaciaciones, desertización, ... Todo esto permite conocer a los geólogos la edad del sedimento y, por tanto, también la edad de los fósiles que contiene, resultando un buen método de datación.

1.13. Rocas de la corteza terrestreLas rocas son agregados de diversos minerales, auque, en ocasiones, pueden estar formadas por un único mineral. Las rocas se pueden formar de muy diversas maneras y a distintas profundidades. Una vez formadas, afloran. Se las encuentra por toda la superficie terrestre.

Para estudiarlas, dividimos las rocas en tres grandes grupos, según como se han formado: ígneas, formadas por la solidificación del magma; metamórficas, formadas por transformación de otros tipos y sedimentarias, originadas a partir de los materiales de la erosión acumulados en una zona concreta.

1.13.1. Rocas ígneas

Las rocas ígneas se forman por el enfriamiento y la solidificación de materia rocosa fundida, el magma. Según las condiciones bajo las que el magma se enfríe, las rocas que resultan pueden tener granulado grueso o fino.

Las rocas ígneas se subdividen en dos grandes grupos:

Rocas plutónicas o intrusivas: Se forman a partir de un enfriamiento lento y en profundidad del magma. Las rocas se enfriaron muy despacio, permitiendo así el crecimiento de grandes cristales de minerales puros. Ejemplos: granito y sienita.

Rocas volcánicas o extrusivas: Se forman por el enfriamiento rápido y en superficie, o cerca de ella, del magma. Se formaron al ascender magma fundido desde las profundidades llenando grietas próximas a la superficie, o al emerger magma a través de los volcanes. El enfriamiento y la solidificación posteriores fueron muy rápidas, dando como resultado la formación de minerales con grano fino o de rocas parecidas al vidrio. Ejemplos: basalto y riolita.

Existe una correspondencia mineralógica entre las rocas plutónicas y volcánicas, de forma que la riolita y el granito tienen la misma composición, así como el gabro y el basalto. Sin embargo, la textura y el aspecto de las rocas plutónicas y volcánicas son diferentes.

Las rocas ígneas, compuestas casi en su totalidad por silicatos, pueden clasificarse según su contenido de sílice. Las principales categorías son ácidas o básicas. En el extremo de las rocas ácidas o silíceas están el granito y la riolita, mientras que entre las básicas se encuentran el gabro y el basalto. Son de tipo intermedio las dioritas y andesitas.

1.14. Rocas sedimentarias y metamórficas

Una vez que las rocas se han formado a partir del magma que asciende y sale a la superficie, pueden sufrir diversos procesos que las transforman. Por una parte, pueden ser pulverizadas por la erosión y, sus fragmentos, dar origen a rocas sedimentarias. Por otra, pueden hundirse o no haber llegado a la superficie y ser transformada por el calor y la presión, dando lugar a rocas metamórficas.

1.14.1. Rocas sedimentarias

Las rocas sedimentarias están compuestas por materiales transformados, formadas por la acumulación y consolidación de materia mineral pulverizada, depositada por la erosión.

Las rocas sedimentarias se clasifican según su origen:

Rocas detríticas, o fragmentarias: Se componen de partículas minerales producidas por la desintegración mecánica de otras rocas y transportadas, sin deterioro químico, gracias al agua. Son acarreadas hasta masas mayores de agua, donde se depositan en capas. Ejemplos: lutitas y arenisca.

Rocas sedimentarias químicas: Se forman por sedimentación química de materiales que han estado en disolución durante su fase de transporte. En estos procesos de sedimentación también puede influir la actividad de organismos vivos, en cuyo caso se puede hablar de origen bioquímico u orgánico. Ejemplos: yeso, anhidrita y calizas.

1.15. Rocas metamórficas

Las rocas metamórficas son aquellas cuya composición y textura originales han sido alteradas por calor y presión. A este proceso se le llama metamorfosis de la roca. Los ambientes con calor y presión suficientes para causar metamorfismo se encuentran frecuentemente donde las placas tectónicas de la Tierra se están uniendo. Allí, las placas que chocan entre sí, trituran las rocas y son calentadas a grandes profundidades por el magma.

Las rocas pueden ser alteradas en pequeñas áreas de metamorfismo por contacto, o en grandes áreas por el metamorfismo regional.

El metamorfismo de contacto se produce cuando un magma intruye una roca más fría. En la roca madre o de caja (la mas fría) se forma una zona de alteración llamada aureola de contacto. La aureola puede estar dividida en varias zonas metamórficas, ya que cerca del intrusivo se formaran minerales de altas temperaturas como el granate mientras que mas lejos se formaran minerales de bajo grado como la clorita.