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Asociaciones orgánicas e inorgánicas de elementos indicadores de condiciones redox, en rocas de la localidad tipo del Grupo Guayuta (formaciones Querecual y San Antonio), Cuenca Oriental de Venezuela. P. Lugo*, L. López, S. Lo Mónaco. Universidad Central de Venezuela, Facultad de Ciencias, Instituto de Ciencias de la Tierra, Centro de Geoquímica. plugo@ciens.ucv.ve Resumen Se evaluaron las asociaciones orgánicas e inorgánicas de los elementos traza V, Ni, Cu, Zn, Mo, Ba, Co, U y Th en rocas de la localidad tipo del Grupo Guayuta (Formaciones Querecual y San Antonio) de la Cuenca Oriental de Venezuela. Para ello se realizó un ataque ácido secuencial, obteniéndose dos residuos sólidos denominados fracción libre de carbonatos (FLC) y fracción libre de silicatos (FLS), en los cuales se determinó la concentración de los elementos traza y se compararon con la concentración de los mismos en la roca. Se realizó un recálculo de la concentración de los elementos en los residuos, considerando la pérdida de masa después del ataque ácido, con la finalidad de comparar la concentración de los elementos en la roca y las fracciones. Los resultados muestran que las concentraciones de V, Ni, Cu, Zn, Mo, Ba, Co, U y Th disminuyeron tanto en la FLC como en la FLS, por lo que se consideran asociados principalmente a las fases minerales lixiviadas, es decir, asociados a las fracciones carbonática y siliciclástica, respectivamente. Por otro lado, se determinaron asociaciones de V y Ni en la FLS mediante la técnica de microsonda electrónica (EPMA), mostrándose que ambos elementos están asociados a la materia orgánica. De acuerdo con estos resultados, se evaluaron los indicadores de condiciones redox, obteniéndose valores más representativos para las relaciones V/Ni y V/V+Ni tomando la concentración de estos elementos en la fracción libre de silicatos (FLS), para V/Cr utilizando la concentración de V de FLS y Cr en roca, para U/Th considerando la concentración de ambos en la roca. Las relaciones Cu+Mo/Zn y Ni/Co no presentaron valores muy confiables debido a la baja concentración de estos elementos. Abstract Organic and inorganic associations were evaluated for several trace elements V, Ni, Cu, Zn, Mo, Ba, Co, U and Th from Guayuta Group rocks (Querecual and San Antonio formations) from Eastern Venezuelan Basin. A sequential acid attack was done obtaining two solid residues named carbonate free fraction (CFF) and silicates free fraction (SFF), elemental concentrations were determined in total rock and in both fractions. A recalculation of the elements concentration in the residues was done, considering the mass loss after the acid attack, with the purpose of comparing the element concentrations in rock and fractions. Results show that V, Ni, Cu, Zn, Mo, Ba, Co, U and Th concentrations decrease both in the CFF and in the SFF, because they associate mainly to carbonate and siliciclastic fractions, respectively. On the other hand, the V and Ni associations were determined by electron probe microanalysis (EPMA) in the SFF, showing associations with the organic matter. According to these results, the redox indices were re-evaluated, obtaining more representative values for V/Ni and V/V+Ni ratios taking the concentration from these elements in silicates free fraction (SFF), V/Cr using the concentration of V in SFF and Cr in rock, and U/Th considering the concentration of both in the rock. The ratios Cu+Mo/Zn and Ni/Co did not shows reliable values due to the low concentration of these elements. Palabras clave: paleocondiciones elementos traza, roca fuente. de sedimentación, Introducción La distribución de elementos mayoritarios en rocas es reflejo de la composición química, por lo que está determinada por la litología; mientras que los elementos traza dependen del ambiente de sedimentación y los procesos diagenéticos. En rocas fuente de petróleo la concentración de los elementos traza V, Ni, Cu, Zn, Mo, Ba, Co, U y Th está controlada por el tipo de querógeno y por las condiciones redox; donde su distribución en una roca fuente depende de la capacidad de combinarse con la materia orgánica o combinarse con las fases inorgánicas. En éste sentido, se utilizan los índices redox V/Cr, V/Ni, V/V+Ni, Cu+Mo/Zn, Ni/Co y U/Th propuestos por Jones y Manning (1994) determinados en rocas, considerando que el elemento involucrado en la relación está o totalmente asociado a la materia orgánica o totalmente asociado a la fracción mineral. Sin embargo, algunos elementos pueden estar IX Congreso Geológico Venezolano Asociaciones orgánicas e inorgánicas de elementos indicadores de condiciones redox asociados a ambas fases (orgánicas y inorgánicas) dejando incertidumbre en la interpretación. Basado en lo anterior, el objetivo de este trabajo fue determinar tales asociaciones en las fracciones obtenidas mediante una lixiviación secuencial, para determinar las interpretaciones paleoambientales de los índices redox mas comúnmente utilizados en la literatura en la roca total. La zona de estudio corresponde a la localidad tipo del Grupo Guayuta, conformado por las formaciones Querecual y San Antonio, en el río Querecual, estado Anzoátegui. Para ello se determinaron las concentraciones de los elementos mayoritarios Si, Al, Fe, K, Na, Mg, Ti, Mn y Ca; y los traza V, Ni, Cu, Zn, Mo, Ba, Co, U y Th. De acuerdo a la concentración de los elementos traza se determinaron los índices redox en la roca y en los residuos sólidos obtenidos después del tratamiento con ácido clorhídrico y fluorhídrico, los que se denominaron fracción libre de carbonatos (FLC) y fracción libre se silicatos (FLS) respectivamente. La ventaja de este método es que permite analizar aquellos elementos en la roca cuya concentración esta por debajo del limite de detección de las técnicas utilizadas, ya que mediante este fraccionamiento se puede detectar su concentración por enriquecimiento relativo. Muestras y métodos Las rocas fueron tomadas en la localidad tipo del Grupo Guayuta de la Cuenca Oriental de Venezuela, integrada por las calizas y lutitas calcáreas la Formación Querecual hacia la base (de 0 a 900 metros), y las lutitas calcáreas de la Formación San Antonio al tope (de 900 a 1000 metros). Las concentraciones de los elementos mayoritarios se determinaron por ICP (Thermal Jerrel Ash INVIRO II) y los elementos traza por ICP/MS (Perkin Elmer Elan 6000). Las fases minerales fueron determinadas por difracción de rayos-X en un equipo Bruker AXS Siemens (D8 Advance), la concentraciones de carbono total (Ct) en un analizador de carbono LECO® SC-432; carbono carbonático (Cinorg) mediante el método del Calcímetro de Bernard (Hesse, 1971); carbono orgánico total (COT) por diferencia; y azufre total (St) en un analizador de azufre LECO® SC-432. Para determinar a que fracciones están asociados los elementos se realizó un ataque ácido en dos etapas según el siguiente procedimiento: 1) una cantidad de roca previamente pesada se hace reaccionar con HCl concentrado con agitación durante 24 horas a temperatura ambiente, después se filtra el residuo y se lava con agua desionizada hasta obtener la prueba de cloruro negativa, posteriormente se saca y se cuantifica el sólido al que denominamos fracción libre de carbonatos (FLC); 2) una cantidad pesada de FLC se trata con HF concentrado en una relación de 10 mL por gramo de FLC con agitación durante 24 horas a temperatura ambiente, posteriormente se filtra y se lava el sólido hasta obtener un pH neutro, finalmente se seca y se cuantifica obteniéndose la fracción libre de silicatos (FLS) (Lugo et al., 2004). En la roca, FLC y FLS se determinaron las concentraciones de los elementos mayoritarios y traza; y para efectos de comparación de la concentración de los elementos en la roca y en los residuos, se corrigieron las concentraciones en la FLC y FLS por pérdida de masa (Lugo et al., 2004). La FLS se analizó por Microsonda Electrónica con Rayox-X (EPMA) en equipo marca JEOL modelo JXA-8900R. Resultados y discusión Distribución de elementos en la roca La distribución de elementos mayoritarios para las rocas de la Formación Querecual corresponde a CaO > SiO2 > Al2O3 > Fe2O3 > MgO > K2O > Na2O ≅ TiO2 > MnO; y para la Formación San Antonio Al2O3 > Fe2O3 > K2O > Na2O ≅ TiO2 ≅ MgO > MnO. Esta composición se corresponde con la mineralogía; calcita, cuarzo, pirita y siderita en la Formación Querecual; y cuarzo, calcita, pirita y caolinita de la Formación San Antonio. Las distribuciones de Al2O3 y SiO2 son contrarias a CaO (Fig. 1), relacionado al aporte de sedimentos siliciclásticos a la cuenca, principalmente hacia el tope. La concentración de K presenta pequeñas variaciones a lo largo de la sección, y presenta una correlación aceptable con la concentración de Al, principalmente en la sección correspondiente a la Formación San Antonio, por lo que se asocia al aporte de sedimentos siliciclásticos en la cuenca. La concentración de Mg presenta un incremento en el contacto entre ambas formaciones coincidiendo con la presencia de dolomita, observada en secciones pulidas analizadas por petrografía orgánica (López, 1999). La concentración de Fe incrementa de base a tope, IX Congreso Geológico Venezolano Asociaciones orgánicas e inorgánicas de elementos indicadores de condiciones redox manteniendo una tendencia muy similar a la seguida por el St (Fig. 2), y con correlación aceptable sugiriendo su presencia principalmente como pirita, la cual fue determinada por DRX. Figura 2. Distribución de St, Fe2O3, Cu, Ni y Zn en rocas del Grupo Guayuta. Figura 1. Distribución de Al2O3, SiO2 y CaO en las Formaciones Querecual y San Antonio, sección del río Querecual. Al comparar la distribución de Cu, Zn Ni y St (Fig. 2) se encontró que la concentración de Cu incrementa cuando la de Fe disminuye, sugiriendo que la precipitación de Cu como sulfuro se ve favorecida debido probablemente, a la disminución en la concentración de Fe disponible para su precipitación como sulfuro. La presencia de Zn se asocia a sulfuros y el Ni a la materia orgánica y a los sulfuros. El Mn presenta tendencia uniforme con concentraciones muy bajas; debido a que bajo ambientes sulfatoreductores éste se encuentra en su especie móvil Mn (II). Por ser el P y Ba indicadores se paleoproductividad, se esperaba la misma tendencia con COT, pero en esta sección solo se encontró esta correspondencia con Ba. Sin embargo, Dymond (1992) señala que bajo condiciones de sedimentación sulfatoreductoras, el Ba no es adecuado para reconstrucción de condiciones paleoambientales, debido a que bajo estas condiciones la barita (BaSO4) puede ser disuelta (por reducción de SO42-) y el Ba es removilizado. La concentración de los elementos traza fueron normalizadas con respecto a la lutita promedio (Turekian y Wedepohl, 1961). La normalización de los elementos traza mostró mayor enriquecimiento de Mo, V, Ni, Cu, Zn, Sr, Ba en la Formación Querecual y de Mo, Co, V, Ni, Cu, Zn, Sr, Ba en las lutitas de la Formación San Antonio (Fig. 3); coincidiendo con la mayor concentración de COT y St debido a las fuertes condiciones reductoras. La normalización también muestra el mayor enriquecimiento de Mo, y que este es mucho mayor para la Formación Querecual que para la Formación San Antonio; probablemente acumulado en la materia orgánica y/o incorporado en fases de sulfuro. Otro aspecto resaltante a destacar en la figura 3, es la variación en las concentraciones de V y Ni, en la cual la concentración de V es mayor que la de Ni en la Formación Querecual, mientras que para la Formación San Antonio la tendencia es contraria. La mayor concentración de V en la Formación Querecual se relaciona a condiciones anóxicas - euxínicas (rico en H2S), donde el V se encuentra como el ión vanadilo V(IV), formando complejos organometálicos muy estables de VO2+, y el Ni queda limitado en la formación de complejos organometálicos, porque se forma preferiblemente sulfuro de níquel. Por otro lado, la mayor concentración de Ni que V en la Formación IX Congreso Geológico Venezolano Asociaciones orgánicas e inorgánicas de elementos indicadores de condiciones redox San Antonio se atribuye a condiciones subóxicas; donde hay mayor proporción de V como V(V) (vanadato), cuya carga y tamaño no permite la sustitución en complejos tetrapirrolicos, quedando limitada su incorporación a la materia orgánica, mientras que el níquel queda disponible para formar complejos organometálicos. Mg en baja concentración, indicando que los carbonatos no fueron completamente lixiviados, posiblemente por estar ocluidos o cubiertos de materia orgánica. Debido a en ésta fracción el Fe no está correlacionado con azufre, se asume que además de encontrarse asociado al azufre en pirita, puede estar asociado a otras fases minerales. La concentración de los elementos K y Al en la FLC presentan la misma correlación encontrada en roca (Fig. 4), indicando el aporte de estos dos elementos en la fracción siliciclástica de los sedimentos. (A) (A) (B) Figura 3. Normalización de Sr, Cr, Co, Zn, Ba, M, Cu, Ni y V, con respecto a la lutita promedio de Turekian y Wedepohl (1961) en las Formaciones Querecual (A) y San Antonio (B). Distribución de elementos en la fracción libre de carbonatos (FLC) La distribución de elementos mayoritarios para las rocas del Grupo Guayuta en FLC es SiO2 > Al2O3 > Fe2O3 > K2O >Na2O ≈ MgO ≈ TiO2 > CaO, correspondiéndose con la mineralogía: cuarzo, pirita y caolinita. A pesar del ataque ácido, se encuentra Ca y (B) Figura 4. Concentración de K2O vs. Al2O3 para el Grupo Guayuta en la roca y en la FLC. Luego del tratamiento con HCl se lixiviaron los elementos asociados a calcita, dolomita y siderita, entre ellos Fe, Ca, Mg, Mn y Sr; y también se lixiviaron metales (lábiles) Ni, Co, Cu, Zn y Mo; los cuales podrían haber estado adsorbidos sobre arcillas. Premovic et al. (1993) muestran que las arcillas (esmectitas) son destruidas mediante el ataque con HCl 6M caliente, de modo que los metales asociados a las arcillas presentes en el Grupo Guayuta pueden ser lixiviados mediante el ataque con el HCl concentrado, IX Congreso Geológico Venezolano Asociaciones orgánicas e inorgánicas de elementos indicadores de condiciones redox lo que también podría explicar esta disminución. La destrucción de los minerales arcilla mediante este tratamiento se puede inferir de la disminución de la concentración de Si y Al en esta fracción. Para las muestras de la Formación Querecual se observó una correlación aceptable entre U y Mo (Fig. 5) en FLC; relacionándose a mayores condiciones sulfatoreductoras (Bertine y Turekian, 1973) durante la sedimentación de la base de la sección (Formación Querecual). En ambientes oxidantes el U esta presente como especie soluble ion uranilo (U(VI)); y al pasar a un ambiente reductor precipita como uraninita (U(IV)), junto a la materia orgánica. Por otra parte, el Mo (VI) es reducido a Mo (IV) bajo condiciones sulfato reductoras y es removido del agua por coprecipitación con el Fe como sulfuro (Bertine, 1972), Mo incrementa en ambientes anóxicos por fijación del metal por la materia orgánica y/o la precipitación con pirita. La correlación entre U y Mo (Fig. 5) también indica que parte de estos elementos se encuentran presente en la roca principalmente como sulfuro y/o asociado a la materia orgánica, por lo que al no ser destruidos con el tratamiento de HCl, se mantiene una correlación aceptable entre ellos. de detección, no fueron aplicados los índices Ni/Co y Cu+Mo/Zn. En la FLC las relaciones V/Ni y V/V+Ni son superiores a las determinadas en la roca para la mayoría de las muestras; pero con la misma tendencia que presentaban en roca. En la base de la Formación Querecual se presentan valores de V/V+Ni > 0,7; y para el tope de la Formación Querecual y para la Formación San Antonio V/V+Ni < 0,7. De acuerdo a estos resultados, las interpretaciones de condiciones redox en FLC son consistentes con las determinadas en roca; es decir condiciones anóxicas en un ambiente euxínico en la base que varían a condiciones subóxicas. Por otra parte, estos resultados permiten sugerir que el índice V/V+Ni en la FLC es más confiable en comparación al determinado en la roca, porque el V y el Ni lixiviado durante la eliminación de carbonatos no esta asociado a la fracción orgánica, y este índice se basa en la presencia de V y Ni en complejos organometálicos del tipo porfirinas. La relación U/Th, al igual que la relación determinada en roca, indica sedimentación anóxicas para la Formación Querecual y condiciones de subóxicas a óxicas para la Formación San Antonio. Para la relación U/Th la tendencia seguida en la roca total es diferente a la observada en la FLC, a lo largo de toda la sección, y por otra parte es aleatorio, en cuanto puede ser superior e inferior a la obtenida en roca. Esta observación no es sencilla de explicar, ya que en algunos de los casos está indicando pérdida y en otros casos enriquecimiento de U en la FLC. Distribución de elementos en la fracción libre de silicatos (FLS) Figura 5. Concentración de U (ppm) vs. Mo (ppm) en la fracción libre de carbonatos en las Formaciones Querecual. Las relaciones interelementales V/Cr, Cu+Mo/Zn y Ni/Co determinadas en la FLC no se utilizaron en esta fracción. La relación V/Cr no se utilizó debido a que parte del Cr fue lixiviado durante el tratamiento con el HCl, por lo que la relación no es aplicable. Para las otras dos relaciones mencionadas, debido a las bajas concentraciones de Zn y Co en esta fracción, que en muchas muestras realmente están por debajo del límite La distribución de elementos mayoritarios para las rocas del Grupo Guayuta en FLS corresponde a Fe2O3 > Al2O3 > MgO > SiO2 > CaO ≅ Na2O ≅ TiO2 > MnO, presentando los mayores valores de concentraciones en la base de la sección (Formación Querecual). Esta distribución se corresponde con la mineralogía, la cual es principalmente pirita y el mineral neoformado ralsonita (NaMgAlF6xH2O) durante el ataque con HF (Saxby, 1976). Las concentraciones de V, Ni, Cr, Co, Cu, Zn y Mo disminuyeron en esta fracción. Con respecto a V, Ni y Cu en la Formación Querecual se asocia a las IX Congreso Geológico Venezolano Asociaciones orgánicas e inorgánicas de elementos indicadores de condiciones redox fracciones inorgánica y orgánica, debido a que una parte de ellos se lixivió y otra permaneció como parte del querógeno; y para en la Formación San Antonio se asocian a la fracción inorgánica debido a que su concentración en el querógeno es muy baja al compararlo con la concentración en la roca. El V, Ni y Cu orgánico esta presente en el querógeno como porfirinas, las cuales son muy estables y no son extensamente destruidas con el tratamiento ácido (HCl y HF). El V, Ni, Cu y Co inorgánico es difícil presumir en que las fases minerales en las cuales estaban presentes, ya que fueron lixiviadas después del tratamiento con el HF. El Cr está asociado principalmente a la fracción inorgánica, debido a que su concentración es muy baja en la FLS. El Zn fue lixiviado en la FLC. El Mo podría está asociado a la fracción inorgánica, debido a que la concentración de Mo en la FLS es muy baja, presumiblemente asociado a las arcillas destruidas durante el ataque con HCl y HF, pero aun así es difícil determinar a que fase mineral esta asociado. Con el objeto de estudiar las asociaciones de los elementos presentes en el querógeno, estos fueron analizados por microsonda electrónica (Electron Microprobe Análisis, EPMA). De acuerdo a este análisis, se observa que el ataque ácido no separa totalmente las fases minerales mayoritarias, esto puede ser consecuencia de una fuerte asociación entre la materia orgánica con parte de estas fases minerales, las cuales pueden estar rodeadas de materia orgánica, lo que impide el ataque ácido sobre estas. Para los elementos V y Ni es evidente su asociación con el querógeno, tal como se ha reportado ampliamente en la literatura debido a su asociación en porfirinas (Premovic et al., 2001). Sin embargo, también se evidencia que elementos como Co, Cu y Zn pueden estar asociados a la materia orgánica, aunque la distribución de Fe en la muestra, podría estar indicando también una asociación de estos probablemente en sulfuros. Los índices geoquímicos de condiciones paleoambientales de sedimentación aplicados al querógenos son V/Ni y V/V+Ni. Las relaciones interelementales V/Cr, Cu+Mo/Zn y Ni/Co no se utilizaron en esta fracción por la ausencia o muy baja concentración de los elementos Cr, Zn, Co involucrados en estas relaciones EL índice V/Ni y V/V+Ni se utilizan suponiendo que todo el V y el Ni presente están unidos a la materia orgánica (al querógeno en este caso), y que el Ni presente de forma inorgánica (asociado a la pirita) es de muy baja concentración que no afecta estas relaciones. En este caso la relación V/V+Ni, disminuye de base a tope y nuevamente los mayores valores están hacia la base de Querecual, con disminución hacia el tope; permitiendo sugerir que en la FLS la relación V/V+Ni también puede ser utilizada para indicar condiciones paleoambientales de sedimentación. Comparación de los indices redox en la roca, FLC y FLS. La lixiviación permitió confirmar que los elementos considerados en los índices geoquímicos de condiciones de sedimentación (V, Ni, Cr, Cu, Mo, Zn, Co, U y Th) presentan asociaciones orgánicas e inorgánicas. El la figura 6 se muestra la variación de los índices redox para el grupo Guayuta, determinados en roca, FLC y FLS. La relación V/Cr se refiere al V este unido a la materia orgánica y el Cr a la fase inorgánica, de modo que este índice no se pudo aplicar a la FLC ni a FLS por la lixiviación de V y Cr. Este índice se podría utilizar tomando la concentración de V en el querógeno, y la concentración de Cr en roca. Esta relación se determinó, encontrándose concordancia con las condiciones anóxicas - euxínicas hacia la base y subóxicas hacia el tope. Las relaciones V/Ni y V/V+Ni, para todas las fracciones están de acuerdo con las condiciones paleoambientales de sedimentación, y son menores que las determinadas en roca. De acuerdo a estos resultados esta relación es aplicable en cualquiera de las fracciones, sin embargo esta relación presenta los mejores valores en la FLS ya que el V en esta fracción esta principalmente unido al querógeno como porfirinas, compuestos que no son muy alterados mediante el ataque ácido; mientras que el Ni en esta fracción esta asociado a la materia orgánica, aunque se evidencia por EPMA su asociación a sulfuros. La relación Cu+Mo/Zn solo se aplicó a la roca porque tanto en la FLC como en la FLS la concentración de Zn presentó una disminución apreciable. La relación Ni/Co solo se utilizó para 6 muestras pertenecientes al IX Congreso Geológico Venezolano Asociaciones orgánicas e inorgánicas de elementos indicadores de condiciones redox tope del Grupo Guayuta, debido a la baja concentración del Co en estas rocas. Al igual que la relaciones V/Ni y V/V+Ni, esta relación tendría valor en la FLS ya que este índice considera a estos elementos asociados a la pirita. La relación U/Th presenta mejores valores en rocas porque la concentración de U y Th disminuyó en gran medida Conclusiones En muchas de las muestras de la FLS, al igual que la FLC, la concentración de los elementos traza disminuyó, mostrando así su asociación a los silicatos y carbonatos. Los índices geoquímicos de condiciones paleoambientales de sedimentación aplicados en la FLS fueron V/Ni y V/V+Ni, y están de acuerdo con las condiciones de sedimentación del Grupo Guayuta. El índice de V/Cr se utilizó tomando la concentración de V en la FLS y la de Cr en la roca, y se sugiere el uso de este índice como indicador de condiciones paleoambientales. Jones, B. and Manning, D. (1994). Comparison of geochemical indices used for the interpretations of paleoredox conditions in ancient mudstones. Chemical Geology, 111:11-129. López, L. (1999). Algunas contribuciones al estudio de la migración primaria en rocas fuente de petroleo de la Cuenca Oriental de Venezuela: Formaciones Querecual y San Antonio. Universidad Central de Venezuela. Facultad de Ciencias. Instituto de Ciencias de la Tierra. Trabajo de Ascenso.218 p. Lugo, P., López, L., y Lo Mónaco, S. (2004). Metodología experimental para determinar asociaciones elementales en rocas madre de petróleo. Revista de la Sociedad Venezolana de Química. 27 (3):19-27. Premovic P., Pavlovic N., Pavlovic M. and Nikolic, N. (1993). 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