1T Introducción a La Geoquímica
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5/21/2018 1T Introduccin a La Geoqumica
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1. INTRODUCCIN
Porqu aplicar geoqumica en La Exploracin de Hidrocarburos
Provee Respuestas:Carga: Calidad, Migracin, Conectividad en la historia
Volumen:Preservacin
Impacta directamente en la reduccin del riesgo exploratorio!!!
Sistemas petrolferosIncluye todos los elementos y procesos geolgicos esenciales para que existanacumulaciones de hidrocarburos.
Elementos esencialesRoca generadora, roca almacenadora, roca sello y roca de sobrecarga.
ProcesosFormacin de las trampas, generacin-migracin y acumulacin de hidrocarburos.
La figura 1.1, muestra algunos de los anlisis que se le hacen al petrleo paracaracterizarlo y compararlo con los anlisis que se hacen al bitumen para establecer laposible roca fuente.
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Fraccin C15-
en o once cru os
95 Terciario 12 Cretceo
CICLOHEXANO
2 METIL CICLOHEXANO3 METIL CICLOHEXANO
TOLUENO
1,1,3,TMCICLOHEPTANO+2,3 DIMETILHEXANO
2 METIL HEPTANO4 METILHEPTANO
3 METIL HEPTANO
1,4 DIMETILCICLOHEXANO
n-HEPTANOMETIL CICLOHEXANO
m-XILENO
o-XILENO
CromatogramaArena A
CromatogramaArena B
Los crudos tienen huellasdigitales que pueden
preservarse en los yacimientos
Fraccin C15-
en o once cru os
95 Terciario 12 Cretceo
CICLOHEXANO
2 METIL CICLOHEXANO3 METIL CICLOHEXANO
TOLUENO
1,1,3,TMCICLOHEPTANO+2,3 DIMETILHEXANO
2 METIL HEPTANO4 METILHEPTANO
3 METIL HEPTANO
1,4 DIMETILCICLOHEXANO
n-HEPTANOMETIL CICLOHEXANO
m-XILENO
o-XILENO
CICLOHEXANO
2 METIL CICLOHEXANO3 METIL CICLOHEXANO
CICLOHEXANO
2 METIL CICLOHEXANO3 METIL CICLOHEXANO
TOLUENO
1,1,3,TMCICLOHEPTANO+2,3 DIMETILHEXANO
2 METIL HEPTANO4 METILHEPTANO
3 METIL HEPTANO
1,4 DIMETILCICLOHEXANO
n-HEPTANOMETIL CICLOHEXANO
m-XILENO
o-XILENO
TOLUENO
1,1,3,TMCICLOHEPTANO+2,3 DIMETILHEXANO
2 METIL HEPTANO4 METILHEPTANO
3 METIL HEPTANO
1,4 DIMETILCICLOHEXANO
n-HEPTANOMETIL CICLOHEXANO
m-XILENO
o-XILENO
CromatogramaArena A
CromatogramaArena B
Los crudos tienen huellasdigitales que pueden
preservarse en los yacimientos
Modificado Rangel 2007 Figura 1.1. Algunos de los anlisis que se hacen al petrleo para caracterizarlo.
1.1. EVOLUCIN DE LA MATERIA ORGNICA SEDIMENTARIA 2.000 m.a.: algas verde azules. Devnico: Diversas formas de fitoplancton Devnico: Aparicin de Plantas terrestre
Silrico: Amplia distribucin de plantas terrestres
Cretcico Superior: Aparicin de las Plantas Superiores.
Terciario: Amplia distribucin de plantas Superiores.
La figura 1.2, presenta la evolucin de la materia orgnica a travs de la historia de latierra.
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Figura 1.2. Evolucin de las plantas a travs de la historia del planeta
1.2. FUENTES DE MATERIA ORGNICA
Alctona (derivados, detrticos, lavados) o autctona (producida en el ambiente dedepositacin).
1.2.1. Materia orgnica Alctona Plantas terrestres y detritos animales
Granos de polen y esporas (transportados por el viento o el agua)
Kergeno reciclado (viejo) proveniente de rocas sedimentarias
1.2.2. Materia orgnica autctona
Fitoplancton (algas, diatomeas, etc.) productores primarios de C por fotosntesis
Zooplancton (coppodos, foraminferos, etc.) Peces (necton)
Bentos (corales, esponjas, etc.)
Bacterias
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En la figura 1.3 A, B, y C, se aprecia como se pueden ver al microscopio los diferentescomponentes precursores de la materia orgnica proveniente de los tejidos vegetales.
Figura 1.3A. Corteza delgada de un tallo reciente. Luz reflejada normal y luz reflejadafluorescente 200x
Figura 1.3B. Corteza gruesa de un tallo reciente. Luz reflejada normal y luz reflejadafluorescente 200x
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Figura 1.3C. Corteza gruesa de un tallo reciente. Luz reflejada normal y luz reflejadafluorescente 200x
En la figura 1.4A y B, los tejidos vegetales han empezado a transformarse
Humocolinita
Megaespora?
Funginita
Humotelinita
Exsudados
Figura 1.4A. Tejidos vegetales en las primeras etapas de transformacin (lignito). Luz
reflejada normal y luz reflejada fluorescente 200x
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Cuticula
Cutinita
Resinita??
Figura 1.4B. Tejidos vegetales en las primeras etapas de transformacin (lignito). Luz
reflejada normal y luz reflejada fluorescente 200x.
La figura 1.5 muestra el ciclo de los nutrientes y la materia orgnica dentro de losocanos, la figura 1.6 la produccin primaria de materia orgnica en los ocanos delmundo, y la figura 1.7, los controles latitudinales en la temperatura superficial del mar enlos ocanos Atlntico, Pacfico e Indico, (Brenchley & Harper 1998).
Movimiento de la M.O
Senda de los nutrientes
Figura 1.5. El ciclo de los nutrientes y la materia orgnica dentro de los ocanos
(Brenchley & Harper 1998), modificado de Rangel 2007
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Figura 1.6. Produccin primaria de materia orgnica en los ocanos del mundo(Brenchley & Harper 1998), modificado de Rangel 2007
Figura 1.7. Variaciones latitudinales en la temperatura superficial del mar en los ocanosAtlntico, Pacfico e Indico, (Brenchley & Harper 1998), modificado de Rangel 2007.
La estratificacin trmica dentro de los ocanos se puede ver en la figura 1.8.
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Es tratificacin trmica dentro de los ocanosa) Ocano tropical b) Lati tudes medias termoclina en el veranoc) Ocanos de latitudes altas temperatura uniforme
Figura 1.8. La estratificacin trmica dentro de los ocanos, modificado de Rangel 2007.
1.3. Sistemas Petrolferos
Sistema petrolero: Es un sistema natural que incluye todos aquellos elementos yprocesos que son esenciales para la existencia de acumulaciones de petrleo y gas. Estetiene que correlacionar una roca madre con todas las acumulaciones de hidrocarburosgenerados, Figura 1.9A, B y C.
Elementos ProcesosRoca madre GeneracinVas de Migracin MigracinRoca yacimiento AcumulacinRoca sello PreservacinTrampa
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Teapot Owens
Cocina
R.M
maduraJust
Big Oil
Hardy Lucky
Lmite SistemaPetrolero
Roca Madreinmadura
Raven
Marginal
250 Ma
A A
Roca
Yacimie
nto
David
Teapot Owens
Cocina
R.M
maduraJust
Big Oil
Hardy Lucky
Lmite SistemaPetrolero
Roca Madreinmadura
Raven
Marginal
250 Ma
A A
Roca
Yacimie
nto
David
Figura 1.9A. Esquema que muestra la relacin de los parmetros asociados a un sistema
petrolfero, modificado de Rangel 2007.
Basemento
Extensin geogrfica del sistema petrolero
Presente
Extensin estratigrfica del
sistema petrolero
Acumulacin de petrleo
Tope ventana
Base ventana
Trampa TrampaTrampa
Sello
Reservorio
Roca
Madre
Sobrecarga
A A
Basemento
Extensin geogrfica del sistema petrolero
Presente
Extensin estratigrfica del
sistema petrolero
Acumulacin de petrleo
Tope ventana
Base ventana
Trampa TrampaTrampa Trampa TrampaTrampa
Sello
Reservorio
Roca
Madre
Sobrecarga
A A
Figura 1.9B. Esquema que muestra la extensin geogrfica de un sistema
petrolfero, modificado de Rangel 2007.
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400400 300300 200200 100100 Escala deEscala de
tiempotiempo
EventosEventos
FormacinFormacin
Roca madreRoca madre
ReservorioReservorio
SelloSello
Trampa OrigenTrampa Origen
SobrecargaSobrecarga
Gen/Migracin/Gen/Migracin/AcumAcum
PreservaciPreservacinn
Momento crticoMomento crtico
PaleozoicoPaleozoico MesozoicoMesozoico CenozoicoCenozoico
DD MM PP PP TTRR JJ KK PP NN
Elementos
Elementos
Procesos
Procesos
Ma oonMa oonandandDowDow Momento CrticoMomento Crtico
400400 300300 200200 100100 Escala deEscala de
tiempotiempo
EventosEventos
FormacinFormacin
Roca madreRoca madre
ReservorioReservorio
SelloSello
Trampa OrigenTrampa Origen
SobrecargaSobrecarga
Gen/Migracin/Gen/Migracin/AcumAcum
PreservaciPreservacinn
Momento crticoMomento crtico
PaleozoicoPaleozoico MesozoicoMesozoico CenozoicoCenozoico
DD MM PP PP TTRR JJ KK PP NN
Elementos
Elementos
Procesos
Procesos
Ma oonMa oonandandDowDow Momento CrticoMomento Crtico
Al tiempo de la expulsin y migracin(la trampa ya debe existir
Modificado Rangel 2007 Figura 1.9C. Esquema que muestra la relacin en el tiempo de los parmetros asociados a
un sistema petrolfero, modificado de Rangel 2007.
1.3.1. Momento crticoEs el periodo en el tiempo geolgico, durante el cual ocurri la expulsin,migracin y acumulacin de la mayor parte de los hidrocarburos en una cuenca.
1.3.2. Nombre del sistema petrolferoIncluye el nombre de la roca fuente, seguido por el nombre del almacenadorprincipal y el smbolo que expresa el nivel de certidumbre. Ejemplo:
Villeta-Caballos (!)
NIVEL DE CERTIDUMBRE SIMBOLO CRITERIO
CONOCIDO (!) Correlacin positivas crudo-roca o gasRoca
HIPOTETICO (.) Algunas evidencias indican el origende los hidrocarburos
ESPECULATIVO (?) Sin evidencias
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1.4. FUENTES DE CARBONO ORGNICO
Plancton (marino y lacustre):
Fitoplancton (vegetal)
Cocolitos, Diatomeas, Dinoflagelados
Zooplancton (animal) Foraminiferos, radiolarios
Bacterias
Necton (animales marinos y lacustres nadadores) Peces, cetaceos
Organismos Bnticos (vegetal, animal, bacterias)
Plantas Superiores
1.5. ACUMULACION DE MATERIA ORGNICA (MO) EN DIFERENTESAMBIENTES DEPOSITACIONALES
1.5.1. Desiertos (< 0.05% MO)
Materia orgnica cerosa Casi todo se convierte a CO2 y H2O Casi no hay rocas fuentes potenciales (pero las areniscas en el desierto pueden
tener alto potencial como roca reservorio).
1.5.2. Llanuras ocenicas abisales (< 0.1% MO)
Lodos y fangos pelgicos
Los fangos pueden ser calcreos (Ej., a partir de cocolitos, foraminferos) osilceos (Ej., a partir de diatomeas, radiolarios)
En la parte central, mas profunda del ocano, las aguas del fondo son insaturadascon respecto a CaCO3y slice amorfa as:
No se pueden formar los fangos (las conchas se disuelven); solamente se puedenacumular arcillas detrticas
Mucha de la MO que se produce, se consume o recicla en la columna de agua MO que se sedimenta a travs de la columna de agua para llegar al piso del
ocano, puede luego ser consumida por los organismos bnticos
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Los pelets fecales permiten el rpido desprendimiento de la materia orgnica en elpiso del mar
Los nutrientes no son abundantes en la parte central de los ocanos, as laproductividad primaria es muy baja
1.5.3. Costas de alta energa (0.20.5% OM)
Adecuada productividad los nutrientes con frecuencia provienen de la tierra;hay abundante oxgeno
Las olas y las corrientes pueden producir sedimentos gruesos
Alta oxigenacin de los sedimentos permeables, pueden producir la biodegradacintemprana (descomposicin biolgica de la materia orgnica a CO2y agua, figura 1.10.
Figura 1.10. Posibilidades de acumulacin de materia orgnica en costas de alta energa.
1.5.4. Costas de baja energa (0.55% MO)
Alta productividad Se depositan lodos o lodos de carbonato Si la tasa de descomposicin biognica de la materia orgnica no es muy alta, se
puede producir material fuente de buena calidad
1.5.5. Llanura de inundacin distal y deltas (0.5 > 10% MO)
Sedimentacin principalmente arcillosa La materia orgnica es principalmente terrestre (produce kergeno Tipo III y II) Produce mucho carbn y gas y muy posiblemente aceite
La figura 1.11, muestra un esquema del transporte de sedimentos en deltas dominadospor las mareas.
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Figura 1.11. Esquema del transporte de sedimentos en deltas dominados por las mareas.
1.5.6. Cuencas cerradas, mares cerrados
(< 2 > 10% MO)
Alta productividad Arcillas Frecuentemente anxicas Pueden producir rocas fuentes de muy buena calidad.
1.5.7. Lagos, lagunas costeras (< 1 - > 10%)
De buena calidad si hay: Bajo aporte de materiales clsticos Sedimentacin de arcillas Aguas estratificadas
En muchos casos no estn estratificadasPueden ser eutrficas (proliferacin de algas)
1.5.8. Pantanos costeros (10 100%)
Alta vegetacin; aguas estancadas Produce turba (carbn + metano e hidrocarburos lquidos)
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1.6. PRODUCCIN Y ACUMULACIN DE MATERIA ORGNICA
La mayor parte del petrleo es de origen biolgico y se deriva de la materia orgnicapresente en los sedimentos.
La materia orgnica marina se forma en la zona ftica por fitoplancton (productoresprimarios) que fijan el carbono a travs de la fotosntesis.
La mayor productividad se presenta en la parte superficial del ocano, declinando con laprofundidad a medida que la penetracin de la luz del sol disminuye, figura 1.12
Productividad Primaria en Ocanos
rea gr C/m2 /aoOcano Abierto 18 - 55Pacifico Ecuatorial 180Indico Ecuatorial 73 - 90Upwelling 180 - 3600Plataforma continental 50 - 120Artico 1Promedio total 50 370
Figura 1.12. Produccin y acumulacin de la materia orgnica en el ocano.
Mucho del carbono fijado por la fotosntesis en la superficie 100 150 m es reciclado enla columna de agua por el paso a travs de la cadena alimenticia, figura 1.13.
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Fitoplancton (diatomeas, algas: productores primarios de MO) se oxidan o son comidospor el zooplancton. Ambos tipos de plancton son luego consumidos por otros organismossuperiores. Ellos defecan, produciendo pelets que contienen las partes no digeribles de lamateria orgnica, figura 1.13.
Figura 1.13. Cadena alimenticia de los ocanos y preservacin de la materia orgnica
Los pelets se sedimentan rpidamente en el fondo, mientras el plancton se degrada en lacolumna de agua.
La materia orgnica que llega al piso del ocano (o lago), puede luego ser consumida porlos organismos bnticos.
Solamente un porcentaje bajo de la materia orgnica producida es enterrada en lossedimentos, especialmente en las partes ms profundas de los ocanos.
La alta productividad orgnica en los ocanos depende principalmente de la adecuada luzdel sol (para la fotosntesis) y la disponibilidad de nutrientes.
En las aguas superficiales, la luz del sol generalmente no es un factor limitante exceptoestacionalmente (invierno) en las altas latitudes.
Los nutrientes (principalmente N y P) tienen una distribucin muy heterognea en lasaguas marinas.
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Las mayores concentraciones se hallan comnmente en las regiones costeras, donde ellosvienen de la tierra (e.j., erosin del suelo con lavado por los ros), y en las zonas deupwelling, figura 1.14.
El Upwellings esta presente principalmente en las mrgenes occidentales y en las reasde divergencia ocenica como por ejemplo en el Pacfico ecuatorial.
Figura 1.14. Sedimentacin simplificada de un upwelling costero
En regiones polares, el oxigeno fro y las aguas ricas en nutrientes se sedimentan agrandes profundidades y fluyen lentamente hacia bajas latitudes. En reas dondeprevalecen los fuertes vientos terrestres, esa agua fra puede ascender a la superficie.
Los nutrientes estimulan el crecimiento del fitoplancton, a su vez sostiene abundantezooplancton, peces, etc. En tales localidades, cantidades de materia orgnica por encimadel promedio pueden llegar al piso del ocano.
Sobre el piso del ocano, la materia orgnica ser degradada por microorganismos(principalmente bacterias) y consumida por los organismos que viven en el piso delocano.
Los organismos reducen el contenido orgnico de los sedimentos porque mucha de lamateria orgnica es digerida.
La bioturbacin puede revolver los sedimentos y permite la exposicin al oxigeno quetienen las aguas del fondo.
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1.6.1. Condiciones Oxicas, figura 1.15A y B
Oxigeno > 0.5 ml O2 / lt agua
Saturacin de Oxigeno = 6 - 8.5 ml O2/lit agua Cantidad de oxigeno depende de:
Relacin sumininstro/consumo
Temperatura Salinidad
Resultado de condiciones Oxicas MO oxidada por bacterias
CH2O + O2 ---> CO2+ H2 Organismos benticos presentes
Consumen materia orgnica
Oxigenan sedimento Pobre preservacin de materia orgnica
0.2 - 0.4 % peso de MO Calidad de MO preservada es pobre (bajo H)
Reconocimiento de condiciones Oxicas Restos de fauna bentica (conchas) Madrigueras y bioturbacin del sedimento
Bajo contenido de MO
Petrografia orgnica (MO degradada) Composicin de MO (bajo H/C, alto O/C)
Si el agua es estancada, con poco (disaerobico o suboxico) o sin oxigeno (anaerbico),mucha ms materia orgnica se puede preservar en los continentes (e.j., offshore Per,Chile, Namibia, etc.)
En lodos anaerbicos, las bacterias sulfo-reductoras pueden usar mucha de la materiaorgnica y precipitar sulfuros (e.j. FeS2).
Si los sedimentos tienen poco hierro libre u otros metales, ms sulfuro ser incorporadoen la MO y eventualmente se enriquecer en el petrleo derivado de tales capas fuentes.Donde la columna de agua es estratificada, las aguas del fondo se pueden empobrecer en
oxigeno.
La MO que se sedimenta en las aguas anoxicas puede ser degradada solamente por lasbacterias anaerbicas: esas son menos eficientes que las bacterias aerbicas, figura 1.15Ay B.
Mucha de la MO sobrevive debido a la falta de actividad biognica. Esta se tiende aenriquecer en H y en lpidos, y se convierte en POTENCIAL DE PETRLEO.
La MO acumulada corresponde a lodos y lutitas negras laminadas (sin bioturbacin)
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La ESTRATIFICACION en las masas de agua se puede presentar por las siguientesrazones.
Las aguas de la superficie son generalmente ms clidas y menos densas que las aguasdel fondo, las cuales son ms fras, solamente por intercambio (e.j, cambio con las aguasdel fondo) cuando ellas se enfran a la misma temperatura (comnmente 4C: mximadensidad del agua).
Las aguas tropicales estn con frecuencia permanentemente estratificadas.
Figura 1.15A. Localizacin en la columna de agua de las condiciones oxicas y anoxicas.
Figura 1.15B. Efecto de la actividad biologica en el ocano de las condiciones oxicas yanoxicas.
Las aguas tambin pueden desarrollar una estratificacin qumica (meromixis), donde lasaguas menos salinas descansan sobre las ms densas y ms salinas, figura 1.16.
Esto puede suceder cuando la entrada de aguas dulces flota sobre el tope de las aguassaladas, pero no se mezclan con ellas a menos que ellas se evaporen para producir lamisma salinidad y densidad.
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Si la diferencia en densidad y salinidad es grande, esta condicin puede ser estable pormuy largos periodos. (> 10,000 aos).
Figura1.16. Estratificacin de las aguas en cuencas cerradas debido a las diferencias ensalinidad
El desarrollo de aguas de fondo anxicas, usualmente resulta de procesos biolgicos en lacolumna de agua y de sedimentos que disminuyen este del oxigeno, figura 1.15 A y B.
CH2O + O2= CO2+ H2O
Tales reacciones son rpidas cuando median las bacterias. Este proceso puede ocurrir enla columna de agua y sobre el piso del mar. En la medida que la materia orgnica sesedimenta, el oxigeno se consume, figura 1.15 A y B.
Si la circulacin del agua es baja, como resultado de la estratificacin de la columna de
agua, el oxigeno eventualmente se disminuye.
Una zona anoxica y empobrecida en oxigeno inducida biolgicamente es comn en aguasdel ocano a profundidades de unos pocos de cientos de metros a miles de metros.
Donde esta zona intercepta los continentes, los sedimentos sobre el piso del mar puedeinfrayacer aguas anoxicas, danto alto potencial de preservacin de la materia orgnica.
Durante periodos de alto nivel eusttico del mar, la zona de disminucin de oxigeno sepuede desplazar a mares superficiales cubriendo los continentes (e.j., mares epeiricos yepicontinentales).
Esto puede producir la depositacin de rocas fuentes favorables (e.j.. Devonian BakkenFormation shales in Saskatchewan).
Muchas pero no todas de las mejores rocas fuentes del mundo son de origen marino?.
El otro ambiente donde la estratificacin juega un importante papel es en las cuencas (e.j.Mar negro moderno) y lagos estratificados profundos (e.j., Lago Tanganyika, en E.Africa), figura 1.17 A y B.
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Ambiente simplificado del Mar
La haloclina marca el lmite entre las aguas oxigenadas normales y el las aguas del fondoanoxico, las cuales tienen una salinidad de cerca de 20 g/l TDS (total de slidosdisueltos).
El dique (Bosphorus) tiene 27 m bajo el nivel del mar.
Los sedimentos del piso del Mar Negro contienen mas del 15% de COT (Carbonoorgnico total), haciendo de ellos excelentes rocas fuentes de petrleo. Mucha de lamateria orgnica proviene del plancton, figura 1.17A.
1.6.2. Causas de condiciones Anoxicas, figura 1.15 A y B
Demanda alta de O2por alto suministro de MO
Upwelling Suministro deficiente de O2por circulacin restringida
Cuencas aisladas (requiere balance positivo de agua) Lagos
Resultado de condiciones Anxicas MO consumida por bacterias anaerbicas Reduccin de nitratos
Reduccin de sulfatos
H2S es txico a organismos aerbicos Buena preservacin de MO (1-25 % peso)
Buena calidad de la MO
Reconocimiento condiciones Anxicas Compuestos de azufre presentes (pirita) Sedimentos bien laminados
Ausencia de organismos de fondo
Petrografia orgnica Composicin de MO (alto H/C, bajo O/C)
Haloclina permanente (20 g/l)Sello(27 m)
Mar NegroCasos similares:
Mar BlticoLago de Maracaibo
SedimentosAnxicos: OM 2-15 %Oxicos: OM < 2.5 %
Tasa Sedim. 5-30 cm /1000 yr
250 km
Figura 1.17A. Ejemplo de cuenca con estratificacin del agua por diferencias en
salinidad
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Lago Tanganika SedimentosAnxicos: OM 7-11 %Oxicos: OM 1-2 %
Tasa Sedim. 5-50 cm / 1000 yr
525 km
Termoclina Permanente
Figura 1.17 B. Ejemplo de cuenca con estratificacin de agua por diferencias en
temperatura