P rin c ip io s d e G e o q u ím ic a

Contenido del tema:
Biosfera
Depósitos biogénicos.
Importancia de la biosfera en los procesos
geoquímicos externos.
Composición de la biosfera.
Fotosíntesis: importancia en el proceso de
desarrollo del resto de las geósferas
Definición de Biosfera, Origen y Evolución
Principios de Geoquímica
2
La biosfera: una geosfera
dentro de geosferas !!!!
Biosfera
Principios de Geoquímica
3
4
La biosfera está constituida por
una delgada capa de dimensiones
irregulares, que se extiende por
la superficie y el fondo de los
océanos, por la superficie de los
continentes, así como en los
niveles superficiales de la corteza
terrestre.
El término Biosfera fue introducido formalmente por Vladimir
Vernadsky en 1920, aunque ya en 1875 el geólogo Eduard
Suess lo había utilizado de manera informal.
Biosfera
Principios de Geoquímica
Hoy día se sabe que los organismos quimioaútótrofos se
extienden hasta niveles mucho más profundos en la corteza.
Consisten esencialmente en bacterias extremófilas, que extraen
energía de procesos químicos inorgánicos.
Hasta hace relativamente
poco tiempo se asumía que
la biósfera se extendía unos
pocos metros en el suelo,
hasta donde terminan las
raices de las plantas.
Biosfera
Principios de Geoquímica
5
Río Tinto : lugar de pruebas de misiones de NASA
Baterias con pH extracelular menor a 2 (Acido)
e intracelular aproximadamente 7 (pH sanguíneo)
EXTREMÓFILOS TERRESTRES
Biosfera
Principios de Geoquímica
6
Los primeros organismos no
dejaron huellas…
No es fácil establecer
cuándo comenzó la biosfera
a operar en la Tierra.
Biosfera
Principios de Geoquímica
7
Indicio claro: Inicio de la
fotosíntesis y acumulación
de oxígeno en la atmósfera !
Los primeros organismos no
dejaron huellas…
No es fácil establecer
cuándo comenzó la biosfera
a operar en la Tierra.
Biosfera
Principios de Geoquímica
8
EIN: 45-1280472
M. Martínez, 2013: GEOQUIMICA DEL PETRÓLEO
SUSTANCIAS
HÚMICAS
Investigar !!!
9
Tema 1: GENERALIDADES
Experimento de Miller:
AMINOÁCIDOS
PROTEINAS
GEOQUÍMICA DEL PETRÓLEO
FOTOSÍNTESIS
A partir de las primeras bacterias, los
seres
vivos
primitivos
fueron
evolucionando hasta que aparecieron
los primeros organismos capaces de
llevar a cabo la fotosíntesis, dando lugar
a posiblemente la reacción química más
importante del planeta !!!
Biosfera
Principios de Geoquímica
10
hn
Estromatolitos de los Andes Orientales en
Cochabamba (Bolivia)
6CO2( g ) + 6 H 2O(l ) ¾¾® C6 H12O6( ac ) + 6O2( g )
Posiblemente, el paso de
la atmósfera reductora a
una oxidante significó uno
de los cambios más
dramáticos en la historia
del planeta. Y este cambio
es
debido
a
la
fotosíntesis.
Biosfera
Principios de Geoquímica
11
Posiblemente, el paso de
la atmósfera reductora a
una oxidante significó uno
de los cambios más
dramáticos en la historia
del planeta. Y este cambio
es
debido
a
la
fotosíntesis.
Biosfera
Estromatolitos de los Andes Orientales en
Cochabamba (Bolivia)
Principios de Geoquímica
12
Posiblemente, el paso de
la atmósfera reductora a
una oxidante significó uno
de los cambios más
dramáticos en la historia
del planeta. Y este cambio
es
debido
a
la
fotosíntesis.
Biosfera
Estromatolitos de los Andes Orientales en
Cochabamba (Bolivia)
Principios de Geoquímica
13
Posiblemente, el paso de
la atmósfera reductora a
una oxidante significó uno
de los cambios más
dramáticos en la historia
del planeta. Y este cambio
es
debido
a
la
fotosíntesis.
Biosfera
Estromatolitos de los Andes Orientales en
Cochabamba (Bolivia)
Principios de Geoquímica
14
El paso desde organismos unicelulares hasta las especies
complejas (mamíferos, específicamente primates hasta el homo
sapiens) es toda una extraordinaria aventura del planeta !!!
Biosfera
Principios de Geoquímica
15
Biosfera
Principios de Geoquímica
16
Biosfera
Principios de Geoquímica
17
Sin embargo, con la fotosíntesis
tiene lugar el desarrollo real de la
biosfera.
18
hn
6CO2( g ) + 6 H 2O(l ) ¾¾
® C6 H12O6( ac ) + 6O2( g )
Posiblemente
los
primeros
organismos fueron heterotrofos.
FOTOSÍNTESIS
Biosfera
Principios de Geoquímica
En los cloroplastos se
halla un compuesto
muy particular: la
clorofila !!!!
La fotosíntesis se
lleva a cabo en unos
organelos llamados
cloroplastos.
FOTOSÍNTESIS
Biosfera
Principios de Geoquímica
19
hay
varias
La clorofila a es la más
común e importante.
Realmente
clorofilas.
La clorofila es un
pigmento orgánico con
un núcleo de tetrapirrol y
una cadena natural de
fitol.
FOTOSÍNTESIS
Biosfera
Principios de Geoquímica
20
-
Hay dos formas de llevar a cabo este último proceso: C3 y C4
En la etapa oscura tiene lugar la síntesis del carbohidrato.
2H 2O ¾¾
® 4H + 4e + O2
+
En la etapa luminosa tiene lugar la semi-reacción de fotodisociación del agua:
En cada etapa tienen lugar semireacciones
diferentes (es una reacción redox !!!)
La fotosíntesis implica dos procesos separados, que
se conocen como etapa luminosa y etapa oscura.
FOTOSÍNTESIS
Biosfera
Principios de Geoquímica
21
∆G=+480 KJ/mol
(realizado por
todas las plantas
marinas y el 90%
de las terrestres)
3-fosfoglicerato
Proceso C3:
FOTOSÍNTESIS
Biosfera
Principios de Geoquímica
22
Maíz, caña de
azucar,
muchas
gramíneas
Proceso C4:
Fosfoenol
piruvato (PEP)
para fijar el
CO2 y formar
un azúcar de 4
carbonos, el
oxaloacetato.
FOTOSÍNTESIS
Biosfera
Principios de Geoquímica
23
El fraccionamiento
isotópico en el mecanismo
C3 es del orden de -20 a
-30‰, mientras que en el
mecanismo C4 promedia el
-13‰
También es mucho más
reciente (Mioceno).
El proceso C4 es más
eficiente que el C3.
FOTOSÍNTESIS
Biosfera
Principios de Geoquímica
24
Materia orgánica en aguas y suelos
TOM = Materia orgánica total
DOM + POM = TOM
Por definición, se dice que una sustancia está disuelta si pasa por una membrana
de 0,45 μm. Así, la POM no pasa esta membrana.
Todos los cuerpos de agua en la superficie de la Tierra contienen cantidades
variables de sustancias orgánicas disueltas (DOM) o en suspensión (POM).
Biosfera
Principios de Geoquímica
25
Materia orgánica en aguas y suelos
Distribución de la
materia orgánica en
distintas aguas.
Biosfera
Principios de Geoquímica
26
M. Martínez, 2013: GEOLOGÍA Y GEOQUIMICA DEL
CARBÓN
Pantano “telmático”
27
Materia orgánica en aguas y suelos
Existe una relación
entre la hora del día y la
concentración de
azúcares en agua
Los carbohidratos
simples y complejos
aparecen disueltos en
aguas.
Biosfera
Principios de Geoquímica
28
Sustancias húmicas
Representan la fracción mayoritaria de la
DOM.
Las sustancias húmicas poseen
estructuras químicas complejas, no bien
conocidas y en todo caso variables.
Normalmente poseen pesos moleculares mayores a 500 dalton, y poseen
fragmentos reliquia de las complejas estructuras bioquímicas de las que derivan.
Las sustancias húmicas son compuestos de alto peso molecular formados por la
alteración de moléculas más simples derivadas de la actividad biológica.
Biosfera
Principios de Geoquímica
29
Sustancias húmicas
Las sustancias húmicas también se encuentran en suelos, y son particularmente
abundantes en suelos formados a partir de acumulaciones orgánicas (turberas)
Biosfera
Principios de Geoquímica
30
Sustancias húmicas
Las sustancias húmicas también se encuentran en suelos, y son particularmente
abundantes en suelos formados a partir de acumulaciones orgánicas (turberas)
Biosfera
Principios de Geoquímica
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Corte de turba (Hébridas, Escocia)
M. Martínez, 2013: GEOLOGÍA Y GEOQUIMICA DEL
CARBÓN
33
M. Martínez, 2013: GEOLOGÍA Y GEOQUIMICA DEL
CARBÓN
Depolimerización de los polisacáridos (ejemplo,
celulosa)
34
M. Martínez, 2013: GEOLOGÍA Y GEOQUIMICA DEL
CARBÓN
Depolimerización de los polisacáridos (ejemplo,
celulosa)
35
M. Martínez, 2013: GEOLOGÍA Y GEOQUIMICA DEL
CARBÓN
Lignina
36
•Se encuentra asociada al desarrollo
de tejidos que otorgan a las plantas
soporte, rigidez y protección contra
la desecación y el ataque de
patógenos
•Teje una red de fibrillas entre los
que son los “ladrillos” de las
paredes secundarias, la celulosa.
•Cementante junto a la
hemicelulosa
M. Martínez, 2013: GEOLOGÍA Y GEOQUIMICA DEL
CARBÓN
Lípidos
37
M. Martínez, 2013: GEOLOGÍA Y GEOQUIMICA DEL
CARBÓN
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Estructura hipotética generalizada de un ácido fúlvico
Biosfera
Principios de Geoquímica
39
Estructura hipotética generalizada de un ácido húmico
Biosfera
Principios de Geoquímica
40
CICLO DEL CARBONO
CARBONO ORGÁNICO
41
Un pequeño ciclo, que involucra aproximadamente 3 x 1012 toneladas de
carbono, con un tiempo de vida media del orden de días hasta algunas decenas
de años.
El ciclo geoquímico del carbono puede subdividirse en dos:
Biosfera
Principios de Geoquímica
CICLO DEL CARBONO
CARBONO INORGÁNICO
La interconexión entre ambos ciclos viene dada por una pequeña “fuga” de
carbono, que representa aproximadamente de 0,01 a 0,1 % del carbono total.
Este pequeño ciclo está interconectado con un segundo ciclo, que involucra un
estimado de 6 x 1015 toneladas de carbono, cuyo tiempo de vida media es del
orden de algunos millones de años.
Geoquímica Orgánica
Biosfera
Principios de Geoquímica
42
CICLO DEL CARBONO ORGÁNICO
Biosfera
Eficiencia mayor al 99,9 %
Principios de Geoquímica
43
La PPN representa el flujo neto de carbono de la atmósfera a las plantas
verdes por unidad de área y de tiempo.
El resto se invierte en la formación de nuevo tejido (o incremento en
biomasa), a lo que se denomina Productividad Primaria Neta (PPN).
Una fracción de esta energía se pierde durante la respiración de las plantas.
La productividad primaria es la tasa a la cual la energía lumínica es
transformada por las plantas en fitomasa (azúcares) durante el proceso de
la fotosíntesis.
PRODUCTIVIDAD PRIMARIA
Biosfera
Principios de Geoquímica
44
Biosfera
PRODUCTIVIDAD PRIMARIA
Principios de Geoquímica
45
Biosfera
Distribución de turberas en el mundo
PRODUCTIVIDAD PRIMARIA
Principios de Geoquímica
46
CICLO DEL CARBONO ORGÁNICO (incluyendo las “fugas”)
Biosfera
Principios de Geoquímica
47
EIN: 45-12
EI
45-1280472
1280
12
8047
80
472
47
2
GEOQUÍMICA DEL PETRÓLEO
M. Martínez, 2013: GEOQUIMICA DEL PETRÓLEO
Tem
Tema
ma 1: GENERALIDADES
GENERALIDAD
DES
48
M. Martínez, 2014: INTRODUCCIÓN A LA QUIMIOESTRATIGRAFÍA
¿Qué se ve aquí?
Introducción a la Quimioestratigrafía
Estamos interesados en
comprender cómo se movilizan y
se comportan los distintos
elementos químicos a través de
todos los procesos geológicos,
pero fundamentalmente en los
procesos sedimentarios, y su
evolución en el tiempo…
51
¿Por qué estudiar, conocer o
desarrollar la Quimioestratigrafía?
Capítulo I: Aspectos básicos
M. Martínez, 2014: INTRODUCCIÓN A LA QUIMIOESTRATIGRAFÍA
Assssssco !!!!
Introducción a la Quimioestratigrafía
Estamos interesados en
comprender cómo se movilizan y
se comportan los distintos
elementos químicos a través de
todos los procesos geológicos,
pero fundamentalmente en los
procesos sedimentarios, y su
evolución en el tiempo…
52
¿Por qué estudiar, conocer o
desarrollar la Quimioestratigrafía?
Capítulo I: Aspectos básicos
M. Martínez, 2014: INTRODUCCIÓN A LA QUIMIOESTRATIGRAFÍA
Un paisaje
Introducción a la Quimioestratigrafía
Estamos interesados en
comprender cómo se movilizan y
se comportan los distintos
elementos químicos a través de
todos los procesos geológicos,
pero fundamentalmente en los
procesos sedimentarios, y su
evolución en el tiempo…
53
¿Por qué estudiar, conocer o
desarrollar la Quimioestratigrafía?
Capítulo I: Aspectos básicos
M. Martínez, 2014: INTRODUCCIÓN A LA QUIMIOESTRATIGRAFÍA
Un ambiente sedimentario específico:
Ambiente paludal
Introducción a la Quimioestratigrafía
Estamos interesados en
comprender cómo se movilizan y
se comportan los distintos
elementos químicos a través de
todos los procesos geológicos,
pero fundamentalmente en los
procesos sedimentarios, y su
evolución en el tiempo…
54
¿Por qué estudiar, conocer o
desarrollar la Quimioestratigrafía?
Capítulo I: Aspectos básicos
4
2
2
¿Por qué estudiar, conocer o
desarrollar la Quimioestratigrafía?
¾¾¾® C H O + 6O2
clorofilaCapítulo I: Aspectos básicos
6 12 6
M. Martínez, 2014: INTRODUCCIÓN A LA QUIMIOESTRATIGRAFÍA
Fe2+ + HS - ¾¾
® FeS + H +
S
FeS ¾¾
® FeS 2
CH 2O + 4FeOOH + 8H + ¾¾
® CO2 + 7 H 2O + 4Fe2+55
2
Estamos interesados en
comprender cómo se movilizan y
CH 2O + O2 ¾¾
® CO2 + H 2se
O comportan los distintos
elementos químicos a través de
O2 reactivo limitante
todos los procesos geológicos,
Sobra materia orgánica (CH2O)
pero fundamentalmente en los
procesos sedimentarios, y su
el tiempo…
2CH O + SO2- + H + ¾¾
® 2evolución
CO + enHS
+ 2H O
Difusión (pobre)de O2
Infinidad de procesos
Introducción a la Quimioestratigrafía
geoquímicos
6CO2 + 6H 2O
(y biogeoquímicos)
EIN: 45-1280472
M. Martínez, 2013: GEOQUIMICA DEL PETRÓLEO
Sedimentos de fondo marino anóxico
GEOQUÍMICA DEL PETRÓLEO
56
Tema 1: GENERALIDADES
57
Turba levemente descompuesta, cuando el grado de descomposición es menor
al 20 %
Turba moderadamente descompuesta, si el grado de descomposición se halla
entre 20 y 40 %
Turba altamente descompuesta, si el grado de descomposición supera el 40 %.
M. Martínez, 2013: GEOLOGÍA Y GEOQUIMICA DEL
CARBÓN
3.
2.
1.
Por lo general el grado de descomposición de la turba se divide en tres niveles:
Grados de alteración de la turba
CICLO DEL CARBONO
Eventualmente, si las condiciones geológicas lo permiten, este material orgánico
puede quedar soterrado y sufrir transformaciones químicas importantes durante la
diagénesis de la roca, principalmente a causa de la temperatura y en menor grado
la presión, a fin de generar diversos productos: querógeno, carbón, crudo, bitumen,
gas natural, asfaltos…
El primer ciclo es sumamente eficiente y veloz, aunque una pequeña fracción (entre
1 y 10 átomos de carbono por cada 10000 que completan el ciclo) escapa de él y
queda atrapado entre sedimentos.
Biosfera
Principios de Geoquímica
58
CICLO DEL CARBONO
Sólo es preservado e integrado a la diagénesis de los sedimentos si se dan una serie
de factores que propician la preservación de estos componentes orgánicos antes
que su descomposición.
La fracción del carbono orgánico que escapa del ciclo respiración-fotosíntesis y
queda atrapada en sedimentos, puede retornar al ciclo anterior en unos pocos días
o semanas, por simple oxidación o degradación por microorganismos del suelo.
Biosfera
Principios de Geoquímica
59
CICLO DEL CARBONO
En las condiciones naturales más frecuentes, cualquier resto vegetal será degradado
a dióxido de carbono más agua.
Es por esta razón que el potencial de preservación de la materia orgánica es muy
bajo.
Ello se debe a que la materia orgánica en general es muy susceptible de alteración.
Biosfera
Principios de Geoquímica
60
CICLO DEL CARBONO
De manera que, para que se preserve la materia orgánica, la tasa de acumulación
de los restos vegetales debe superar a la tasa con la que es degradada por
oxidación.
Debido a que la biomasa en general se desarrolla y luego muere en contacto con la
atmósfera terrestre, es difícil evitar el contacto con el oxígeno atmosférico con la
consiguiente oxidación del material.
El principal agente químico responsable de este proceso degradativo es el oxígeno
atmosférico, generalmente disuelto en el agua.
Biosfera
Principios de Geoquímica
61
La turba herbácea se encuentra en el rango medio (10 – 60 %).
62
Turba de Sphagnum (género de musgos) es la que presenta el menor grado de
descomposición (3 – 45 %)
Las turbas leñosa y leñosa-herbácea tienen las mayores tasas de descomposición
(35 – 65 % y 25 – 60 %, respectivamente).
Grados de alteración de la turba
Turba de Sphagnum:
Principios de Geoquímica
63
Distribución de turberas en el mundo
Principios de Geoquímica
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M. Martínez, 2013: GEOLOGÍA Y GEOQUIMICA DEL
CARBÓN
Marisma costera
(zonas templadas)
65
M. Martínez, 2013: GEOLOGÍA Y GEOQUIMICA DEL
CARBÓN
Marisma costera
(zona tropical)
66
Principios de Geoquímica
67
Así, ambientes paludales, o aguas intersticiales en suelos de manglar pueden
alcanzar valores de pH tan bajos como 4.
Las sustancias húmicas son ácidos débiles a muy débiles. Sin embargo, poseen
numerosos grupos acídicos por molécula, de modo que pueden controlar el
pH en algunos ambientes sedimentarios.
a) Propiedades ácido-base
Propiedades de las sustancias húmicas:
Principios de Geoquímica
68
Las sustancias húmicas son
excelentes agentes quelato naturales,
con alta capacidad para enlazar
metales de transición que en otras
circunstancias son insolubles, y
movilizarlos.
b) Acomplejantes orgánicos
Propiedades de las sustancias húmicas:
Principios de Geoquímica
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Serie de Irving-Williams: Pb2+ > Cu2+ > Ni2+ > Co2+ > Zn2+ > Cd2+ > Fe2+ > Mn2+ > Mg2+
Estabilidad de los complejos orgánicos naturales con iones de transición divalentes
b) Acomplejantes orgánicos
Propiedades de las sustancias húmicas:
Principios de Geoquímica
70
Pero por otro lado, las Fuerzas de van der Waals (responsables de los fenómenos de
fisisorción) se incrementan con el peso molecular. Por tanto, entre mayor es el
tamaño de un compuesto orgánico, mayor es su probabilidad de ser adsorbido por
superficies orgánicas o no….
La solubilidad de las moléculas orgánicas en agua disminuye (generalmente) con el
incremento del peso molecular (Ley de Traube).
c) Fenómenos de adsorción
Propiedades de las sustancias húmicas:
Principios de Geoquímica
71
c) Fenómenos de adsorción
Propiedades de las sustancias húmicas:
Principios de Geoquímica
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