Autores
Navas, G. (UNIVERSIDADE FEDERAL FLUMINENSE) ; Salazar, J. (UNIVERSIDADE FEDERAL FLUMINENSE) ; Moreira, M. (UNIVERSIDADE FEDERAL FLUMINENSE) ; Ferreira, A. (DIVISÃO DE GEOQUÍMICA, PETROBRAS) ; Souza, I. (DIVISÃO DE GEOQUÍMICA, PETROBRAS) ; Diaz, R. (UNIVERSIDADE FEDERAL FLUMINENSE)
Resumo
A avaliação do enxofre (S) é relevante no estudo das rochas geradoras, já que o S
pode ser liberado como H2S (gas tóxico e corrosivo que causa problemas
operacionais, à saúde e ao ambiente). Assim, foram estudadas 26 amostras de rochas
geradoras do Brasil, caraterizadas por COT, ST, S-orgânico e extração de sulfetos
(AVS-CRS), para inferir condições redox no ambiente sedimentar, entender o ciclo
do enxofre e seus processos de incorporação. O COT mostrou moderada-elevada
riqueza orgânica. O ST e o SOrg apresentaram correlação positiva com COT,
refletindo excelentes condições de preservação de matéria orgânica no ambiente de
sedimentação e evidenciando o processo de sulfurização da MO, respectivamente. A
presença de CRS permitiu inferir condições redutoras no ambiente de sedimentação.
Palavras chaves
CRS; Enxofre; Rochas Geradoras
Introdução
A rocha geradora é a base do conceito mais fundamental da exploração de
hidrocarbonetos: o sistema petrolífero (MCCARTHY et al., 2011). PETERS et al.,
2005 definiram as rochas geradoras como aquelas rochas sedimentares de grãos
finos e ricas em matéria orgânica (MO), que podem gerar (rochas potenciais) ou
geram (rocha eficaz) quantidades significativas de petróleo.
Um componente que pode estar associado às rochas geradoras ou ao petróleo é o
enxofre (S), o qual é de relevância na caracterização geoquímica de sistemas
petrolíferos (SHARP, 2017). Segundo Bottrell e Newton (2006), o ciclo sedimentar
do enxofre é composto por três reservatórios principais: o sulfato da água do
mar (SO42- ), os depósitos de evaporitos (anidritas e gipsitas) e os sulfetos,
principalmente na forma de pirita (FeS2), em sedimentos marinhos.
Neste sentido, o ciclo sedimentar do enxofre no ambiente marinho se inicia pelas
reações de sulfato redução, sendo estas controladas por microrganismos
anaeróbios que reduzem o sulfato (SO42-) a sulfeto (S2-) no processo de oxidação
da MO (JØRGENSEN et al., 2019). Na diagênese recente, uma fração desse sulfeto
gerado pode reagir com o ferro reativo para formar monosulfetos de ferro e,
posteriormente pirita, operacionalmente definida como enxofre redutível por
cromo (do inglês Chromium Reducible Sulfide, CRS) (JØRGENSEN et al., 2019);
outra fração desse sulfeto pode ser incorporada na MO, formando compostos
orgânicos de enxofre como o tiofeno e o benzotiofeno (AMRANI, 2014).
Posteriormente, durante a diagênese tardia e na catagênese, onde a matéria
orgânica é transformada, o enxofre da pirita e da MO rica em enxofre, são
incorporadas no querogênio, nas rochas geradoras de hidrocarbonetos e no óleo
(PETERS et al., 2005).
No processo de produção de petróleo, o enxofre pode ser liberado na forma de
sulfeto de hidrogênio (H2S), especialmente em óleos com alto conteúdo de
enxofre. Devido a suas características corrosivas e tóxicas, o H2S representa um
sério problema para as instalações petroleiras, à saúde dos trabalhadores e ao
meio ambiente, o que pode afetar a produção e interrompê-la até o ponto de
causar riscos econômicos (HYNE, 2001). Sendo assim, a avaliação das fontes de
enxofre é de muita importância nos estudos de caracterização dos sistemas
petrolíferos, tanto na fração inorgânica como na orgânica das rochas geradoras,
com o intuito de diminuir os riscos de exploração e produção, mitigar sinistros
associados ao meio ambiente e à saúde, assim como reduzir custos ao longo do
tempo (MCCARTHY et al., 2011)
Nesse contexto, a geoquímica sedimentar inorgânica (sulfetos voláteis ácidos, do
inglês Acid Volatile Sulfide - AVS, e CRS) e orgânica (compostos orgânicos
sulfurados) das espécies de enxofre tem sido utilizada como indicadora
paleoambiental na reconstrução das condições redox nos ambientes marinhos
antigos e flutuações das concentrações de oxigênio na coluna da água, além de
aportar informação sobre a intensidade da sulfato redução, mediante o estudo da
proporção entre as espécies inorgânicas do enxofre e conteúdo de enxofre
orgânico (WIJSMAN et al., 2001).
As bacias sedimentares brasileiras têm sido bastante estudadas do ponto de vista
estratigráfico e estrutural, por mais de 50 anos, porém, os estudos sobre o
enxofre das suas rochas geradoras são raramente realizados. Dentro deste marco,
a presente pesquisa utilizará o carbono orgânico total (COT), o enxofre total
(ST), as frações inorgânicas (AVS e CRS) e orgânicas de enxofre (SOrg), na
caracterização de diferentes formações de onze bacias brasileiras, com a
finalidade de auxiliar na interpretação do ambiente de sedimentação da rocha
geradora, ajudar no entendimento dos processos associados ao ciclo do enxofre e
sua interação com os sistemas petrolíferos brasileiros, assim como contribuir
para a compreensão dos mecanismos envolvidos na geração de sulfeto de
hidrogênio.
Material e métodos
Foram estudadas 26 amostras de rochas geradoras de petróleo, de diferentes
formações e localizadas em onze bacias sedimentares brasileiras, resumidas na
Tabela 1.
Inicialmente, foi realizada a redução do tamanho do grão da rocha geradora,
através dos processos de britagem, moagem, pulverização e homogeneização.
Para as análises de COT e ST, as amostras foram descarbonatadas com HCl 6M e
deixadas em agitação durante 24h. O resíduo insolúvel foi lavado, seco em estufa
a 50°C durante 48h, macerado em graal de ágata e peneirado. Finalmente, as
analises de COT e ST foram realizadas em um analisador elementar da LECO®
Corporation modelo SC832DR no Laboratório de Geoquímica do Enxofre (LaGEn), no
Núcleo de Estudos em Água e Biomassa (NAB) da Universidade Federal Fluminense
(UFF). Para garantir a precisão e qualidade dos resultados, efetuou-se
duplicatas. O coeficiente de variação para o COT foi menor a 14% e, para o ST,
foi menor a 5%.
O enxofre inorgânico nas rochas geradoras foi extraído utilizando o método de
redução por cromo (CRS: Chromium Reducible Sulfur). O método é realizado em duas
etapas continuas (I= AVS; II= CRS), em um sistema de destilação, em atmosfera de
N2 (evita a oxidação da amostra durante a reação e atua como gás carregador) e
com temperatura controlada.
A primeira etapa (I), extração do AVS (FeS e H2S), foi realizada à temperatura
ambiente, deixando reagir as amostras com 24 mL de HCl 6M durante 1h. A segunda
etapa (II), consiste na extração do CRS (FeS2 e S0) com 24 mL de cloreto de
cromo (CrCl2, 2M) a 80°C. O tempo de reação variou entre uma e três horas,
dependendo do conteúdo de enxofre total (ST). O sulfeto de hidrogênio (H2S)
liberado em ambas as reações foi carregado pelo fluxo de N2, e precipitado como
sulfeto de zinco (ZnS) em um tubo de ensaio (1 para cada etapa) contendo 10 mL
de acetato de zinco (Zn(CH3COO)2; 5 %) (Figura 1A e 1B)). As destilações para
cada amostra foram feitas em duplicatas, e o coeficiente de variação foi menor a
12%.
A concentração do sulfeto foi determinada por colorimetria utilizando o N,N-
dimetil-p-fenilenodiamina (DMFD ou Diamin), o qual funciona como reagente
complexante, sendo reduzido pelo sulfeto de zinco e gerando azul de metileno
(C8H12N2) (CLINE, 1969). As análises foram realizadas em um espectrofotômetro
Thermo Scientific modelo Genesys 10 UV com comprimento de onda de 670nm, no
Laboratório do Antropoceno do Departamento de Geoquímica da UFF.
O resíduo orgânico (RO) é o remanescente após o processo de destilação de AVS-
CRS, sendo considerado por conter enxofre essencialmente orgânico (SOrg)
(PASSIER et al., 1999). O resíduo da destilação foi lavado com água deionizada,
filtrado e seco em estufa. As análises de Sorg foram feitas no LaGEn- UFF, no
analisador elementar LECO SC832DR.
Resultado e discussão
Carbono Orgânico Total (COT)
As concentrações de COT obtidos foram muito variáveis (Tabela 1), inclusive
dentro do mesmo tipo de bacia sedimentar. O valor mínimo foi de 1,32%, na
amostra B5, e o valor máximo foi de 30,40%, na amostra B10. Todas as amostras de
rochas estudadas apresentaram a quantidade mínima (1% para folhelhos e 0,5% para
calcários) de COT aceita para que uma rocha sedimentar possa ser considerada
como possível rocha geradora de petróleo (TISSOT; WELTE, 1984). Essas
concentrações máximas de COT (>1%) indicam elevada riqueza orgânica, sendo
indicativas de excelentes condições de acumulação e preservação de matéria
orgânica (MO) no ambiente de sedimentação que deu origem às rochas geradoras. As
concentrações mínimas de COT sugere uma menor contribuição de MO ou menor grau
de preservação; devido talvez às mudanças nas condições redox do ambiente de
sedimentação (TISSOT; WELTE, 1984; KILLOPS; KILLOPS, 2005).
Enxofre Total (ST), enxofre inorgánico (CRS) e enxofre orgânico (SOrg)
As concentrações de ST variaram entre 0,11% e 5,93% (Tabela 1). De forma geral,
foi observado que as amostras com os maiores conteúdos de ST também apresentaram
os maiores valores de COT (Figura 2), refletindo condições favoráveis para a
acumulação e preservação da MO (TISSOT; WELTE, 1984), além de condições
redutoras no momento da sedimentação.
As concentrações de CRS (constituído por pirita e enxofre elementar) nas
amostras variaram entre 0,03% e 4,06% (Tabela 1). A pirita sedimentar é gerada
na diagênese recente dos sedimentos, em ambientes redutores onde é favorecida a
sulfato redução bacteriana (BSR). Produto deste processo, o sulfeto de
hidrogênio (H2S) reage com ferro reativo, formando a pirita (BERNER, 1984;
CANFIELD et al., 1992). Neste sentido, é possível inferir condições redox
favoráveis para a formação de pirita no ambiente de sedimentação das rochas
geradoras.
A discussão foi dividida pela idade de cada formação, começando pelas mais
antigas no Devoniano (Tabela 1).
As concentrações de CRS e ST das amostras B1 e B2, da Formação Barreirinha,
foram as maiores neste grupo. Nesta formação, através do uso de biomarcadores,
foram determinadas variações na condição redox do ambiente de sedimentação
(ambiente marinho), entre condições anóxicas - óxicas e subóxicas - óxicas
(SOUZA et al., 2021b); as condições anóxicas podem ter favorecido o acumulo de
pirita e M.O, resultando em altas concentrações de COT (~ 5%).
As amostras B3 e B4 (Fm. Pimenteiras) e B5 e B6 (Fm. Ponta Grossa) apresentaram
baixas concentrações de CRS e de ST, sendo B5 e B6 as mais baixas. Em ambas as
formações, o enxofre está presente principalmente na forma de pirita, sendo as
concentrações de enxofre na fração orgânica muito baixas (< 0,05%). Essas
formações pertencem às bacias de Parnaíba (B3 e B4) e Paraná (B5 e B6), que
durante a sua evolução geológica, foram afetadas por diversos eventos
transgressivos e regressivos, com consequentes mudanças na condição redox do
ambiente de sedimentação, que podem não ter favorecido o acúmulo de altas
concentrações de enxofre (SEDORKO et al., 2018; VARGAS et al., 2020).
Já as amostras B7 e B8 (Fm. Irati) do Permiano, apresentaram altas concentrações
de CRS, Sorg e de ST (Tabela 1), em comparação com as amostras B5 e B6 (bacia de
Paraná). Na Formação Irati foram determinadas condições anóxicas - euxínicas no
ambiente de sedimentação, determinadas a partir do DOP (grau de piritização)
(GOLDBERG; HUMAYUN, 2016). Essas condições redox podem ter favorecido o maior
acúmulo de enxofre, tanto inorgânico como orgânico, além de favorecer a
preservação da MO (COT aproximado de 22% em ambas amostras).
As concentrações de CRS nas amostras B9 e B10 (Fm. Alagamar) foram baixas em
comparação com as das outras bacias do Aptiano. Já as concentrações de Sorg
foram maiores do que o CRS, indicando que nestas amostras, aconteceu a
incorporação preferencial de enxofre na MO (LÜCKGE et al., 2002). Estas bacias
(Potiguar Terra e Potiguar Mar) são caracterizadas pela presença de folhelhos
euxínicos (PESSOA NETO et al., 2007), depositados em ambiente do tipo lagunar –
deltaico, com períodos de incursão marinha de condições anóxicas – disóxicas,
com períodos de condições oxidantes (SPIGOLON, 2003).
Por outro lado, as amostras B11, B12 e B16, associadas ao Aptiano apresentaram
concentrações elevadas de CRS. Sendo, no caso das amostras B11 e B12 (Fm. Codó),
associada com um ambiente de tipo lacustre fechado anóxico, com períodos
esporádicos de influência marinha, segundo dados de biomarcadores e palinofácies
reportadas por Gonzalez et al. (2020). No caso da amostra B16 (Fm. Muribeca), a
mesma está associada com uma fase transicional da bacia (Sergipe Terra) de tipo
lagoa salobra que reflete a separação progressiva entre a África e a América do
Sul, com condições de tipo subóxicas-anóxicas, obtidas a partir do estudo de
paleofácies de Carvalho et al. (2006).
Por outro lado, as amostras B13 e B14 (Gr. Caju Indiviso), B21 e B22 (Fm.
Regência), B23 (Itanhaém) e B24 (Ariri), todas do Albiano, associadas com
eventos transgressivos (ambiente marinho nerítico e ambiente epicontinental),
apresentaram concentrações em CRS de 1,41%; 0,42%; 0,31%, 2,41%, 0,68% e 0,67%
respectivamente. Portanto, pode ser inferido que, durante o processo de
sedimentação, o ambiente de sedimentação encontrava-se em condições redox de
tipo redutoras ou com limitação de oxigênio que favoreceram a formação de pirita
(SOARES et al., 2007; SOUSA et al., 2013). Especialmente as amostras B13 e B14,
as quais foram influenciadas por um evento anóxico global, OAE-1D (SOUZA et
al.., 2021b).
Os eventos oceânicos anóxicos (do inglês Oceanic Anoxic Event, OAEs) têm sido
amplamente estudados, sendo o OAE2, no limite Cenomaniano – Turoniano, tendo
influencia na formação de rochas geradoras de petróleo (VALLE et al., 2019).
Nesse sentido, as altas concentrações de CRS e de ST encontradas nas amostras
B18, B19 e B20 (Fm. Cotinguiba), B25 e B26 (Fm. Itajaí-Açu), todas do Turoniano,
podem ser associadas às condições anóxicas do OAE2 (JENKYNS, 2010; VALLE et al.,
2019), que podem ter favorecido o acúmulo de enxofre nestas formações. De fato,
na Fm. Cotinguiba foi reportada pirita framboidal, similar à Formação Eagle Ford
no Texas (USA), a qual é uma rocha geradora associada com um evento anóxico
global (ENCISO-CARDENAS et al., 2021).
Finalmente, na amostra B15 (Fm. Ubarana) do Turoniano, com valores menores de
CRS de 0,58%, há influência de distintos eventos anóxicos globais, sendo o mais
importante o OAE2 na parte inferior da formação, mas a parte superior apresenta
condições mais oxidantes, produto de um evento regressivo, o que explicaria que,
mesmo associado a um evento anóxico, sejam encontradas menores concentrações de
CRS nesta formação em comparação com as outras formações do Turoniano (SOUZA et
al., 2021a).
Na comparação entre as concentrações de ST e CRS nas amostras foi possível ver
que as concentrações de ST, geralmente, são maiores que as concentrações de CRS.
Isto indica que o ST não está apenas na forma de pirita, podendo estar também na
forma de Sorg, uma vez que esta é a segunda forma de enxofre mais importante.
Desta forma, o Sorg pode potencialmente ser representado por uma fração de até
82% do ST. Estes resultados sugerem que, durante o processo de diagênese, o
enxofre permaneceu estocado nos sedimentos na forma de pirita e também
incorporado na MO, caracterizando o processo de sulfurização da MO.
Neste sentido, as amostras B7, B8, B13, B15, B20, B21, B22, B23 e B24,
representam as rochas com o maior conteúdo de Sorg, com valores superiores ao
25% e máximos de 40% em relação ao conteúdo em CRS. Tendo duas amostras com
valores de 92% e 77% em Sorg, B10 e B17, respectivamente, o que permite inferir
que ocorreu incorporação preferencial do sulfeto na MO, provavelmente como
consequência da MO reativa ou uma possível limitação de ferro reativo no meio
(LÜCKGE et al., 2002).
Teores de carbono orgânico total (COT), enxofre total (ST), enxofre inorgânico (CRS) e enxofre orgânico (SOrg) das amostras de rocha
Figura 1. A)Processo de destilação do AVS B) Processo de destilação do CRS. Figura 2. ST versus COT para as amostras de rochas geradoras
Conclusões
As rochas geradoras estudadas podem ser consideradas de interesse econômico para
a indústria do petróleo, já que possuem um teor orgânico (COT) suficientemente
elevado para ser em consideradas rochas de boas a excelentes para a geração de
hidrocarbonetos.
Os diferentes eventos anóxicos, tanto globais como regionais, que afetaram as
condições redox do ambiente de sedimentação, favoreceram as reações de sulfato
redução para gerar sulfeto, que foi incorporado tanto na matéria orgânica como
precipitado na fase mineral de pirita. Além disso, essas condições redutoras
também favoreceram a acumulação e preservação da matéria orgânica, favorecendo a
formação de rochas geradoras com altos conteúdos de COT.
As rochas geradoras pertencentes às bacias intracratônicas, principalmente
siliciclásticas, apresentaram os valores mais baixos de SOrg, como consequência
da interação preferencial do sulfeto com o ferro reativo em lugar da matéria
orgânica, possivelmente como consequência da abundância de ferro reativo no
ambiente de sedimentação durante a sedimentação da rocha geradora.
Existem amostras com valores maiores de enxofre total (ST) que de CRS + SOrg, o
que sugere a presença de enxofre em outras fases distintas de estas,
provavelmente fases mineras de evaporitos como gipsita e anidrita.
Agradecimentos
Agradeço ao Programa de Pós-Graduação de Geoquímica da UFF, ao Laboratórios da
UFF: Geoquímica do Antropoceno e Geoquímica do Enxofre, a CAPES pela bolsa de
mestrado e a PETROBRAS/CENPES pelas amostras fornecidas.
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