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Doctoral Thesis
DOI
10.11606/T.44.2018.tde-10072018-151217
Document
Author
Full name
Nazaré da Silva Almeida
E-mail
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Paulo, 2018
Supervisor
Committee
Sawakuchi, Andre Oliveira (President)
Riccomini, Claudio
Santos Neto, Eugenio Vaz dos
Santos, Roberto Ventura
Yoshinaga, Marcos Yukio
Title in Portuguese
Influência da temperatura na geração biogênica de metano e dióxido de carbono na formação Irati, permiano da bacia do Paraná
Keywords in Portuguese
Bacia do Paraná
Bacia Lusitânica
Efeito Estufa
Gás Biogênico
Shale Gas
Temperatura
Abstract in Portuguese
Metano (CH4) e dióxido de carbono (CO2) são gases de grande importância climática e energética, pois contribuem para o efeito de estufa, mas também para produção de energia, no caso do CH4. Do ponto de vista energético, reconhecer as diferentes fontes de geração de CH4 torna-se um fator crucial na avaliação das reservas mundiais de gás natural, uma vez que as estimativas atuais de reservas potenciais não levam em consideração as diferentes origens dos hidrocarbonetos presentes ou, na grande maioria, considera apenas a origem termogênica. A temperatura é um dos fatores mais importantes que afetam o crescimento microbiano e as reações biogeoquímicas ligadas à metanogênese. A Formação Irati (Permiano da Bacia do Paraná) ocorre na região sul da América do Sul e representa um dos folhelhos orgânicos mais importantes do mundo já que o conteúdo em carbono orgânico total (COT) atinge até 23% e cobre uma área de aproximadamente 700.000 km2. A história térmica deste importante reservatório de carbono é atípica por hospedar rochas ígneas do Cretáceo. Isto proporcionou a ocorrência de zonas termicamente imaturas até zonas com maturidade suficiente para a geração termogênica de CH4. Este estudo trata da influência da temperatura na geração de CH4 e CO2 biogênicos em folhelhos da Formação Irati. Para isto, amostras de folhelho foram utilizadas em experimentos de incubação realizados sob diferentes temperaturas (22°C, 50°C, 70°C e 80°C), com objetivo de avaliar a influência das condições térmicas sobre a geração biogênica de CH4 e CO2. Temperaturas mais elevadas promoveram maiores taxas de produção de CH4 e CO2. A produção biogênica de CH4 mostrou-se mais eficiente em condições de temperatura de 80°C, com um rendimento máximo de 2,45 ml/t.d em comparação com 0,49 ml/t.d a 22°C, 1,75 ml/t.d e 2,09 ml/t.d a 50°C e 70°C, respectivamente. A mesma tendência foi observada para o CO2. O potencial de produção máximo de CO2 foi observado sob condições térmicas de 80°C, atingindo 23467,37 ml/t.d. As diferenças de produção obtidas para as diferentes amostras analisadas parecem estar relacionadas com a composição química da matriz mineral, observando-se maior produção em amostras com maior quantidade de enxofre (S), quando submetidas a altas temperaturas (50°C, 70°C e 80°C). Além dos folhelhos da Formação Irati, níveis orgânicos das formações Água de Madeiros e Vale das Fontes, Jurássico da Bacia Lusitânica, foram também estudados, os quais são termicamente imaturos e apresentam querogênio tipicamente marinho, distinto do observado na Formação Irati. O aumento da geração biogênica de CH4 e CO2 com a elevação da temperatura também foi observado para amostras das formações Água de Madeiros e Vale das Fontes. Com o presente estudo, é quebrado o paradigma de que 80°C seria a temperatura máxima para a ocorrência de metanogênese em bacias sedimentares, ou reservatórios. Assim, a geração biogênica de CH4 é favorecida por temperaturas mais elevadas (até no mínimo 80°C), considerando-se que a microbiota dos experimentos decorridos durante o presente trabalho seria similar aquelas que ocorrem em bacias sedimentares, bem como o ecossistema. Este trabalho constitui o primeiro estudo que avaliou o efeito da temperatura na produção de gases de origem biogênica em folhelhos da Formação Irati (Bacia do Paraná) e das formações Água de Madeiros e Vale das Fontes (Bacia Lusitânica - Portugal).
Title in English
not available
Keywords in English
Biogenic Gas
Greenhouse effect
Lusitanian Basin
Paraná Basin
Shale Gas
Temperature
Abstract in English
Methane (CH4) and carbon dioxide (CO2) have great environmental and economic importance due to their contribution to the greenhouse effect and climate change, but also as energy resource, in the case of CH4. From the energy point of view, recognizing the different sources of CH4 in sedimentary basins has a crucial factor in assessing the world's natural gas reserves, since the current estimates of hydrocarbons accumulations in sedimentary basins are based on thermogenic generation of hydrocarbons. However, few studies evaluate the importance of CH4 and CO2 generation as a product of organic matter biodegradation in sedimentary basins. This issue has great relevance to improve the estimates about the geological accumulations of CH4 and CO2. Temperature is one of the most important factors affecting microbial growth and biogeochemical processes responsible for CH4 and CO2 generation in subsurface environments. In this context, the Irati Formation (Permian of the Paraná Basin) in southern of South America represents one of the most organicrich shale around the world, reaching up to 23% of total organic carbon (TOC) and covering an area of approximately 700.000 km2. The thermal history of this important geological carbon pool is atypical because of the emplacement of igneous bodies during the Early Cretaceous. In this study, shale samples of the Irati Formation were used in incubation experiments performed under different temperatures (22°C, 50°C, 70°C and 80°C) to evaluate the influence of thermal conditions on biogenic generation of CH4 and CO2. Higher temperatures promoted higher production rates of CH4 and CO2. Biogenic CH4 production was more efficient when shale samples were incubated at 80°C, with a maximum yield of 2.45 ml/t.d compared to 0.49 ml/t.d at 22°C, 1.75 ml/t.d at 50°C and 2.09 ml/t.d at 70°C. The same trend was observed for CO2 generated as by-product of methanogenesis. The maximum production for CO2 was observed at 80°C, reaching 23467.37 ml/t.d. The differences in CH4 and CO2 production observed for different analyzed samples seem to be related to the composition of the mineral matrix, being observed higher production in samples with higher amount of sulfur. Additionaly, organic layers of the Água de Madeiros and Vale das Fontes Formations (Lusitanian Basin), which are thermally immature and present typically marine kerogen, were also submitted to incubation experiments to evaluate CH4 and CO2 generation. Higher biogenic generation of CH4 with the elevation of temperature was also observed for the Água de Madeiros and Vale das Fontes Formations. This suggests that biogenic CH4 generation is favored by higher temperatures, at least until 80°C, independent of the thermal maturity of the substrate, pointing that the temperature window (and depth zone) for the generation of biogenic CH4 in sedimentary basins is larger than suggested in previous studies.
 
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Release Date
2020-07-09
Publishing Date
2018-07-11
 
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