Análisis de madurez térmica basado en campo con espectroscopia Raman

Por Mayte McHugh, Analytical Instruments

La madurez térmica es un factor crítico para evaluar la calidad y el potencial energético de la materia orgánica en formaciones geológicas como el esquisto y el carbón. Tradicionalmente, indicadores como la reflectancia (Ro) de la materia orgánica y la pirólisis a temperatura programada (Tmáx) han requerido un intenso trabajo de laboratorio. Pero un estudio reciente del Servicio Geológico de EE.UU. y el Centro de Ciencias del Agua de Wyoming-Montana está cambiando esta situación, ofreciendo una solución portátil y racionalizada mediante la espectroscopia Raman.

¿Por qué la espectroscopia Raman es una técnica eficaz para evaluar la madurez térmica?

La espectroscopia Raman se ha revelado como una valiosa herramienta para el análisis geológico, en particular para evaluar la madurez térmica de la materia orgánica en muestras de esquisto y carbón. Varios factores contribuyen a su eficacia:

1. Análisis no destructivo: La espectroscopia Raman es una técnica no destructiva que permite examinar muestras de rocas enteras sin alterar sus propiedades físicas o químicas. Esta característica es especialmente importante en los estudios geológicos, ya que permite a los investigadores conservar las muestras para pruebas y análisis posteriores.
2. Mediciones rápidas y en tiempo real: Gracias a los avances en los sistemas Raman portátiles, los investigadores pueden obtener datos en tiempo real sobre la madurez térmica sobre el terreno. Este análisis rápido reduce el tiempo y los costes asociados al transporte de muestras a los laboratorios, lo que permite tomar decisiones inmediatas y mejora la eficacia operativa.
3. Preparación mínima de la muestra: La espectroscopia Raman requiere una preparación mínima de la muestra en comparación con métodos tradicionales como la reflectancia de la materia orgánica (Ro) y la pirólisis a temperatura programada (Tmax). La capacidad de analizar muestras de roca entera triturada con técnicas sencillas de lavado y secado agiliza el flujo de trabajo, haciéndolo más accesible para aplicaciones de campo.
4. Alta sensibilidad y especificidad: La espectroscopia Raman es conocida por su sensibilidad a las vibraciones moleculares, lo que permite identificar con precisión los compuestos orgánicos y su madurez térmica. La técnica puede diferenciar eficazmente entre varios tipos de kerógeno y evaluar los cambios en la estructura molecular que se producen durante el proceso de maduración térmica.
5. Portabilidad y flexibilidad: El desarrollo de sistemas Raman portátiles ha hecho posible realizar análisis en lugares remotos donde el acceso a los laboratorios tradicionales puede ser limitado. Esta portabilidad permite a los investigadores recoger datos valiosos directamente sobre el terreno, adaptándose a diversos entornos geológicos y mejorando la versatilidad de las evaluaciones de madurez térmica.

Estudio del Servicio Geológico de EE.UU. y del Centro de Ciencias del Agua de Wyoming-Montana

Publicado en el International Journal of Coal Geology, el estudio explora el uso de un analizador Raman de proceso portátil con un láser de 785 nm para examinar la materia orgánica en muestras de esquisto y carbón. Los investigadores probaron esta herramienta en 32 muestras con una amplia gama de madurez térmica, edades y tipos de kerógeno (Tipos I, II y III), con el objetivo de correlacionar los valores de separación de bandas Raman (RBS) con indicadores tradicionales como Ro y Tmax.

Objetivos del estudio

• Desarrollar un método sencillo y listo para su uso en campo para evaluar la madurez térmica de la materia orgánica.
• Relacionar los valores de RBS obtenidos mediante espectroscopia Raman con indicadores tradicionales (Ro y Tmax), facilitando correlaciones entre métodos.

Metodología

Preparación de las muestras: Tras probar varios métodos, se comprobó que el lavado, el secado y la trituración manual de las muestras para pasarlas por un tamiz de malla 40 daban los valores de RBS más consistentes.

Equipamiento y configuración: Para la recogida de datos se utilizó un sistema Raman de proceso portátil con una central eléctrica compacta de 1000 Wh, que permitía un uso intermitente durante varios días sin necesidad de recarga. El sistema pesaba 9 kg, por lo que era fácil de transportar en una mochila o una maleta rígida, lo que lo hacía ideal para el trabajo de campo en lugares remotos.

Resultados y conclusiones principales

Los investigadores observaron fuertes correlaciones entre los valores de RBS y Ro hasta el 3% y Tmáx hasta 551°C, lo que sugiere que la espectroscopia Raman podría evaluar de forma fiable la madurez térmica en contextos geológicos variados. Además, la configuración portátil permitía un funcionamiento prolongado sobre el terreno, agilizando la recogida de datos y mejorando la eficacia de los análisis sobre el terreno.

¿Por qué la espectroscopia Raman portátil cambia las reglas del juego?

El éxito del estudio pone de relieve el potencial de la espectroscopia Raman para el análisis in situ y en tiempo real de la madurez térmica, eliminando los retrasos y costes asociados a los métodos tradicionales de laboratorio. Esta configuración portátil puede revolucionar el análisis de la materia orgánica en formaciones de carbón y esquisto, proporcionando datos críticos en lugares remotos y mejorando la eficacia de las evaluaciones geológicas.

Conclusión

El enfoque del Servicio Geológico de EE.UU. con la espectroscopia Raman portátil supone un gran paso adelante para la investigación geológica sobre el terreno. Con las continuas mejoras en la tecnología Raman, los geólogos pronto podrán confiar en los valores de separación de bandas Raman como método principal para el análisis de la madurez térmica, beneficiándose tanto de la precisión como de la facilidad de despliegue.

Citas y recursos adicionales

1 p. 2, M.R. Stokes, A.M. Jubb, P.C. Hackley, J.E. Birdwell, E.P. Barnhart, C.T. Scott, J.L. Shelton, M.M. Sanders, J.J. Hatcherian, Evaluation of portable Raman spectroscopic analysis for source-rock thermal maturity assessments on bulk crushed rock, International Journal of Coal Geology, Volume 279, 2023, 104374, ISSN 0166-5162, https://doi.org/10.1016/j.coal.2023.104374. (https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0166516223001921)

Foto superior: “Los datos se recogieron utilizando una sonda Raman portátil MarqMetrix All-In-One que está equipada con una varita manual conectada por cable de fibra óptica a un ordenador-espectrómetro combinado que mide 25 × 25 × 7,5 cm. Se necesita una pantalla de ordenador para controlar el instrumento y ver los datos. El peso total del instrumento es de unos 9 kg, y se puede transportar fácilmente mediante una mochila de estructura externa o un maletín rígido», escribieron los autores.1