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1. Introducción
La limitación del uso del carbón para fines energéticos ha generado un creciente interés en encontrar posibles usos alternativos para este material. En tiempos recientes, se ha evaluado su potencial como materia prima para la obtención de materiales carbonosos, nanomateriales, y como posible depósito de minerales de interés.
Teniendo en cuenta lo mencionado anteriormente, este trabajo pretende mostrar la caracterización geológica, fisicoquímica y petrográfica de algunos carbones térmicos de Norte de Santander. La caracterización geológica de la zona de estudio incluye una descripción de la geología local de las zonas de muestreo, descripción macroscópica de los mantos de carbón y sus respaldos y adquisición de datos estructurales.
Para este estudio se contó con muestras frescas tomadas directamente del manto en las minas de explotación subterránea y se realizó la caracterización petrográfica para determinar la reflectancia media de la vitrinita de los carbones. Asimismo, se realizó una caracterización fisicoquímica completa de las muestras que incluye análisis próximo, análisis último, determinación de elementos mayores, menores y trazas, índice de molienda, índice de hinchamiento, humedad de equilibrio y formas de azufre.
Los resultados obtenidos de los análisis petrográficos permiten inferir cual fue la madurez térmica de los carbones en Norte de Santander, también de la mano con la caracterización geoquímica realizada, es posible establecer la concentración y el modo de ocurrencia de los elementos contenidos en los carbones térmicos de esta región del país, lo cual, sirve como insumo para evaluar el potencial de estos carbones como depósitos para la obtención de elementos de interés.
2. Marco geológico
El área de estudio se encuentra ubicada en la parte norte de la Cordillera Oriental colombiana sobre el borde Este. Se tomaron 87 muestras de carbón en 57 minas de explotación subterránea. En los municipios de Sardinata, El Zulia, Salazar, Arboledas, Bochalema, Toledo, San Cayetano y Cúcuta (Fig. 1). Las formaciones geológicas evaluadas durante el muestreo y análisis fisicoquímico y petrográfico son: Formación Carbonera y Los Cuervos.
Fuente: Datos del estudio y https://www.ArcGIS.com
Figura 1 Localización de la zona de estudio, muestras tomadas y áreas carboníferas.
2.1. Geología regional
Las formaciones geológicas que contienen carbón en el departamento de Norte de Santander son: Catatumbo (Colpet, 1967a y 1967b), edad Cretácico superior y se encuentra hacia la parte Norte (Rincón y Monroy, 2012) que para este proyecto no fue muestreada; Los Cuervos y Carbonera, depositadas en el periodo Paleógeno (Oviedo et al., 2016). La región de Norte de Santander tiene una superficie total de 2.779 km2 y un potencial minero de carbón de 0,8 Bn de Toneladas (Arthur D. Little, 2010; Ingeominas 2012).
3. Formación Los Cuervos (E1E2c)
Compuesta, en su mayoría, por arcillolitas grises a grises verdosas, con esporádicas intercalaciones de arenitas de cuarzo; la parte inferior está caracterizada por la presencia de mantos de carbón y las arcillolitas se tornan de color gris oscuro, intercaladas con limolitas micáceas y areniscas de grano fino. En la parte superior, las arcillolitas se tornan de color rojo, amarillo y púrpura. Su espesor varía entre 250 y 490 m. Se le considera de edad Paleoceno Medio y Superior a Eoceno Inferior (Van der Hammen, 1958), (Rincón y Monroy, 2012).
En el área de la plancha 88 - Cúcuta, la Formación Los Cuervos se dispone en un cuerpo alargado y angosto paralelo a la Falla Tasajero; va desde el sector de la mina Caña Brava, ubicada al sur del cerro Tasajero, hasta la vereda La Pedregosa al norte. La Formación Cuervos, en la zona de estudio, se caracteriza por la presencia de mantos de carbón explotables, los cuales muestran espesores variables desde 10 cm hasta 1 m.
El espesor de la Formación Los Cuervos se encuentra en un rango entre 345 a 490 m (Notestein et al., 1944; Sutton, 1946). Secciones estructurales, realizadas en el levantamiento geológico de la plancha 88 - Cúcuta, muestran que el espesor calculado es de 500 m - aproximadamente - en el sector de Cerro Tasajero (vereda El Salado).
En el área de la Plancha 111 - Toledo, la Formación Los Cuervos está constituida, en su parte inferior, por una sucesión de lodolitas grises, muy carbonosas, con delgadas intercalaciones de areniscas grises a gris claras, localmente lodosas. La parte media está compuesta por areniscas lodosas grises, amarillentas, cuarzosas, localmente feldespáticas, de grano fino, con intercalaciones de lodolitas carbonosas y capas de carbón (0,20 a 1,50 m de espesor). Los sedimentos de esta unidad se depositaron - predominantemente - en un ambiente transicional (deltaico), evidenciado por la presencia de mantos de carbón. El espesor de la Formación Los Cuervos, en el área de la Plancha 111, es de aproximadamente 340 m.
3.1. Formación Carbonera (E2E3c)
Sucesión litológica de arcillolita gris a gris verdosa y areniscas, generalmente arcillosas, con presencia de carbones en las partes inferior y superior. El espesor varía entre 400 y 720 m. Van der Hammen (1958) indica una edad Eoceno superior a Oligoceno inferior (Rincón y Monroy, 2012). La Formación Carbonera suprayace la Formación Mirador. El contacto entre estas dos unidades es inconforme según Notestein et al. (1944); hacia el tope de la unidad, el contacto con la Formación León es conforme (Notestein et al., 1944).
En el área de la plancha 88 - Cúcuta, la Formación Carbonera consiste en series espesas de arcillolitas grises verdosas, moteadas de color rojo y amarillo, intercaladas con areniscas en capas gruesas de color gris a gris verdoso de grano fino a grueso y variaciones de grano muy fino micáceas, y mantos de carbón que se presentan en la parte superior e inferior de la formación.
El espesor de la Formación Carbonera se encuentra en un promedio de 500 m, en algunos sectores como en Río Nuevo - al occidente de Sardinata - alcanza los 720 m (Notestein et al., 1944). En secciones estructurales, realizadas en el levantamiento geológico de la plancha 88 - Cúcuta, el espesor calculado es de 520 m aproximadamente en el sector de Cerro Tasajero y la quebrada La Floresta.
En el área de la Plancha 111 - Toledo, la Formación Carbonera está compuesta por lodolitas grises, gris amarillentas a gris rojizas, localmente ferruginosas, micáceas, con nódulos ferruginosos aplanados, paralelos con la estratificación, en capas - generalmente - gruesas. En la parte inferior, presenta capas de carbón entre 40 y 80 cm de espesor. La Formación Carbonera descansa, aparentemente, en concordancia estratigráfica sobre la Formación Mirador, mientras su contacto superior no aflora en el área de la Plancha 111.
En la Fig. 2 se resumen las características estratigráficas de las principales unidades sedimentarias que poseen mantos de carbón en las diferentes áreas carboníferas, se detalla la formación Cuervos ya que tiene la mayor densidad de muestreo y análisis del estudio (Tabla 1).
Fuente: Tomado y modificado de SGC, 2015 y 2016; INGEOMINAS 2001.
Figura 2 Columnas estratigráficas de las áreas carboníferas de estudio en la zona Norte de Santander.
Tabla 1 Muestras recolectadas para el proyecto.
| Área | No. de muestras recolectadas | No. de minas muestreadas | Municipio(s) | Formación Geológica |
|---|---|---|---|---|
| 1004 Herrán-Toledo | 2 | 2 | Toledo | Fm. Los Cuervos (2) |
| 1005 Salazar | 14 | 8 | Salazar, Arboledas | Fm. Los Cuervos (14) |
| 1006 Tasajero | 18 | 10 | San Cayetano | Fm, Carbonera (18) |
| 1007 Zulia - Chinácota | 18 | 10 | Zulia | Fm. Los Cuervos (18) |
| 1008 Catatumbo | 35 | 27 | Tibú, Sardinata | Fm. Los Cuervos (35) |
Fuente: Datos del estudio.
3.2. Definición de las áreas de estudio
El Departamento de Norte de Santander se define como una zona carbonífera que está dividida en ocho áreas y éstas, a su vez, en sectores y bloques carboníferos de acuerdo con las características estratigráficas y estructurales estudiadas por Rincón y Monroy (2012). El muestreo de carbón en frente de mina fue sistemático en las áreas carboníferas de 1007 Zulia-Chinácota, 1006 Tasajero, 1005 Salazar, 1008 Catatumbo como se observa en la Fig. 3.
4. Materiales y Métodos
Para este estudio se recolectaron muestras de carbón en los municipios de Arboledas, Salazar, San Cayetano, Sardinata, Tibú, Toledo y Zulia cubriendo la zona carbonífera Norte de Santander. Las muestras fueron tomadas de frentes de explotación de minas activas, se presentan en la Tabla 1.
El muestreo se realizó según lo establecido la norma ASTM D4596-09 (Reaprobada en 2015). Las muestras fueron enviadas al laboratorio de caracterización, procesamiento e investigación de carbones y materiales energéticos de la Dirección de Laboratorios del Servicio Geológico Colombiano en Bogotá. Las muestras recolectadas fueron homogeneizadas y cuarteadas con el fin de obtener fracciones para análisis petrográficos, análisis fisicoquímicos y de humedad de equilibrio. Para los análisis petrográficos se prepararon probetas pulidas según la norma ASTM D2797/2797-20a y para los análisis fisicoquímicos y de humedad de equilibrio se siguió el procedimiento de preparación consignando en la norma ASTM D2013/D2013M-20.
Se realizaron análisis petrográficos de reflectancia media de la vitrinita de acuerdo a la norma ASTM D2798-20. Las mediciones se hicieron en un microscopio petrográfico OLYMPUS BX 51TRF equipado con un espectrofotómetro J & M MICROSYSTEM TIDAS MSP-400. La caracterización fisicoquímica de las muestras incluyó: (1) determinación de humedad residual, materia volátil y cenizas por análisis próximo instrumental bajo norma ASTM D7582-15 en un equipo TGA LECO 701; (2) determinación de poder calorífico según norma ASTM D586575865M-19 en un calorímetro isoperibólico LECO AC600; (3) determinación de azufre total de acuerdo a la norma ASTM D4239-18e1 en un equipo LECO S832HT; (4) determinación de carbono, hidrógeno y nitrógeno bajo norma ASTM D5373-16 en un equipo LECO TruSpec CHN; (5) determinación del contenido de mercurio según norma ASTM D6722-19 en un equipo Milestone DMA-80 Tricell; (6) determinación de formas de azufre bajo la norma ASTM D2492-02 por gravimetría y absorción atómica en un equipo ANALYTIKJENA CONTRAA-300 (7) índice de molienda según norma ASTM D409/D409M-16 con la ayuda de un molino Hardgrove PREISER SCIENTIFIC, (8) índice de hinchamiento según norma ASTM D720/D720M-15e1 en un horno PREISER SCIENTIFIC.
Se realizaron (9) análisis de fluorescencia de rayos X bajo norma ASTM D4326-13 en un equipo Panalytical 000210-AXIOS y (10) análisis de ICP-MS bajo método interno en un equipo VARIAN 820-MS sobre muestras de cenizas obtenidas a 750°C para conocer la composición elemental de elementos mayores y menores de las muestras recolectadas.
5. Resultados
Para efectos de uniformidad, todos los resultados presentados en el trabajo se encuentran en base seca. Se determinaron un total de cuarenta y dos (42) parámetros fisicoquímicos y petrográficos a cada una de las ochenta y siete (87) muestras. Debido a razones de forma no es posible presentar toda la información analítica en este manuscrito, por lo tanto, los resultados se representan como promedios por área carbonífera evaluada para facilitar la visualización de los datos.
5.1. Caracterización petrográfica
La reflectancia media de la vitrinita para el total de las muestras varía entre 0.46% y 0.69% indicando rango de carbón entre subbituminoso (Bajo-rango A) y bituminoso (Rango medio D y C) según la norma ISO 11760-2005. Las muestras del área de Salazar presentan el rango más amplio entre los valores de reflectancia siendo 0.46% - 0.62%, en cuanto al promedio de reflectancia los resultados del área de Catatumbo muestran los valores más bajos respecto al conjunto de muestras teniendo un promedio de 0.54 %, indicando que para esa zona la madurez térmica en el nivel estratigráfico de la Formación Cuervos es menor. Por otro lado, para el área de Zulia - Chinácota se encuentran los valores más altos de reflectancia alcanzando un 0.69% y sugiriendo una mayor acción de factores como temperatura y presión en esta parte de la cuenca estratigráfica.
Los carbones en las diferentes áreas evaluadas corresponden a la Formación Los Cuervos y Carbonera, y por lo general el espesor de los mantos de carbón no excede más de 2 metros. Para el área de Salazar solo se tienen carbones de la formación Cuervos con espesores entre 0,7 m y 1,4 m, para el área de Tasajero los espesores ninguno supera un (1) metro, para la zona de Zulia - Chinácota los mantos tienen una mayor potencia, incluso alcanzando en ocasiones 2 metros, para los mantos evaluados en el área de Catatumbo se encuentran espesores entre 0,5 m - 1,6 m.
Los mayores valores de reflectancia media de vitrinita dentro del conjunto de datos, se presentan en la zona de Zulia- Chinácota, mostrando la madurez térmica de la formación los Cuervos en esta parte, con menores porcentajes (0,59%) se encuentra la zona de Tasajero (formación Carbonera), a continuación el área de Salazar hacia el extremo occidental con la formación los Cuervos, seguida por las muestras de Toledo que presentan una madurez similar entre sí, y finalmente con 0,54 % de valor promedio se encuentra la zona de Catatumbo al norte del departamento, donde se tomaron la mayor cantidad de muestras (formación Cuervos) del estudio. Este análisis demuestra que hacia la parte central de la zona carbonífera Norte de Santander los mantos de carbón alcanzan la máxima madurez, mientras que hacia los extremos (norte, sur y occidente) los valores disminuyen lo cuál puede estar influenciado por procesos geológicos de evolución en la cuenca sedimentaria.
La clasificación de los mantos de carbón basada en el análisis petrográfico (Tabla 2) muestra que son de medio a bajo rango (subbituminoso a Bituminoso C y D) lo que permite caracterizarlos detalladamente en función de la madurez térmica alcanzada en el proceso de carbonización. Por otro lado, también se incluye la clasificación ASTM D388-19ª de los carbones evaluados en el presente estudio, siendo Bituminosos altos en volátiles tipo A y B, lo cual es concordante con lo reportado por INGEOMINAS, (2012) en el libro del carbón colombiano, siendo un insumo para su aprovechamiento.
Tabla 2 Resultados de análisis de reflectancia media de la vitrinita.
| Área carbonífera | Rango de reflectancia (%) | Valores promedio Reflectancia (%) | Clasificación Según Ro ISO 11760-2005 | Clasificación ASTM D388-19a |
|---|---|---|---|---|
| 1004 Herrán-Toledo | 0,51 - 0,59 | 0,55 | Medio rango D (bituminoso D) | Bituminoso alto volátil A |
| 1005 Salazar | 0,46 - 0,62 | 0,56 | Bajo rango A (subbituminoso) - Medio rango C (bituminoso C) | Bituminoso alto volátil A |
| 1006 Tasajero | 0,52 - 0,65 | 0,59 | Medio rango D (bituminoso D) - Medio rango C (bituminoso C) | Bituminoso alto volátil A |
| 1007 Zulia - Chinácota | 0,59 - 0,69 | 0,63 | Medio rango D (bituminoso D) - Medio rango C (bituminoso C) | Bituminoso alto volátil A |
| 1008 Catatumbo | 0,47 - 0,62 | 0,54 | Bajo rango A (subbituminoso) - Medio rango C (bituminoso C) | Bituminoso alto volátil A y B |
Fuente: Datos del estudio.
5.2. Caracterización fisicoquímica
5.2.1 Análisis próximo, análisis elemental y poder calorífico
Los resultados de análisis próximo análisis elemental y poder calorífico se presentan en la Tabla 3. Se aprecia que los carbones de la zona de Herrán - Toledo presentan el contenido de cenizas más elevado con un 14,99% y los carbones de la zona de Salazar presentan los valores más bajos para este parámetro con un 4,83%. Los valores de humedad residual varían entre el 1,29% para las muestras de Tasajero y 2,66% para las del Catatumbo. Los valores de materia volátil son muy similares en todas las zonas, siendo la zona de Zulia - Chinácota la que presenta los valores de materia volátil más bajos con un 40,21%, mientras que los valores más altos se presentan en la zona de Salazar con un 42,42%. En cuanto al análisis elemental, la zona de Herrán -Toledo presenta los valores de carbono, hidrógeno, y nitrógenos más bajos con un 68,83%, 5,58% y 1,39% respectivamente.
Tabla 3 Resultados de análisis próximo y poder calorfico promedio para las zonas muestreada.
| Área | Hr (%) | Mv b.s (%) | Cz b.s (%) | C b.s (%) | H b.s (%) | N b.s (%) | S b.s (%) | PC b.s (BTU/lb) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Herrán - Toledo | 2,18 | 42,24 | 14,99 | 68,83 | 5,58 | 1,39 | 1,08 | 12300 |
| Salazar | 2,00 | 42,42 | 4,83 | 78,40 | 5,77 | 1,68 | 0,85 | 14091 |
| Tasajero | 1,29 | 42,29 | 8,94 | 76,02 | 5,91 | 1,68 | 1,34 | 13991 |
| Zulia - Chinácota | 1,58 | 40,01 | 6,56 | 78,15 | 5,82 | 1,60 | 1,25 | 14073 |
| Catatumbo | 2,66 | 41,84 | 5,87 | 76,81 | 6,08 | 1,64 | 0,95 | 13780 |
Fuente: Datos del estudio.
Para el azufre total la zona de Salazar exhibe las concentraciones más bajas con un 0,85% y la zona de tasajero presenta los niveles más altos de este elemento con un 1,34%. El poder calorífico de las muestras de la zona de Salazar y la zona de Zulia - Chinácota presentan valores altos y similares con 14091 BTU/lb y 14073 BTU/lb respectivamente, mientras que la zona de Herrán - Toledo presenta el valor más bajo con 12300 BTU/lb, esto se encuentra directamente relacionado con el alto contenido de cenizas de las muestras de esta zona.
La totalidad de los resultados obtenidos para el análisis próximo y el poder calorífico se presentan en la Fig. 4. Se evidencia que, aunque las muestras provienen de diversas áreas los resultados son muy homogéneos. Se obtienen valores promedio de humedad residual (a) de 2,04%, materia volátil (b) 41,65%, cenizas (c) 6,69% y poder calorífico (d) de 13900 BTU/lb.
Fuente: Datos del estudio.
Figura 4 Distribución de los resultados de humedad residual (a), materia volátil (b), cenizas (c), y poder calorífico (d) para la totalidad de las muestras analizadas.
Los resultados de formas de azufre se presentan en la Tabla 4. El azufre pirítico varía entre 0,19% para la zona de Salazar y 0,53 para Tasajero, por su parte, el azufre sulfato tiene valores mínimos para la zona del Catatumbo con un 0,02% y máximos para la zona de Herrán-Toledo con un valor de 0,17%. El azufre orgánico calculado tiene un valor máximo de 0,76% en la zona de Zulia-Chinácota y un valor mínimo de 0,59% en la zona de Salazar.
Tabla 4. Resultados de Formas de azufre en las muestras analizadas.
| Área | Azufre pirítico b.s (%) | Azufre sulfato b.s (%) | Azufre orgánico calculado b.s (%) |
|---|---|---|---|
| Herrán - Toledo | 0,30 | 0,17 | 0,62 |
| Salazar | 0,19 | 0,07 | 0,59 |
| Tasajero | 0,53 | 0,03 | 0,69 |
| Zulia - Chinácota | 0,45 | 0,04 | 0,76 |
| Catatumbo | 0,29 | 0,02 | 0,63 |
Fuente: Datos del estudio.
5.2.2 Índice de molienda Hardgrove (HGI), Indice de hinchamiento (FSI), y humedad de equilibrio (Heq)
Los resultados de las determinaciónes de índice de molienda Hardgrove (HGI), de índice hínchamiento (FSI) y de humedad de equilibrio son reportados en la Tabla 5. Respecto al índice de molienda Hardgrove las muestras de Zulia - Chinácota presentan los valores más altos con un valor promedio de 60 mientras que las de la zona de Tasajero presental el menor valor con un HGI de 49, siendo todas las muestras muy homogéneas en sus resultados. El índice de hinchamiento presenta valores entre 2 y 4 evidenciando el bajo poder aglomerante de los carbones térmicos de Norte de Santander. Por otra parte, la humedad de equilibrio que es una medida de la humedad presente en los mantos de carbón presenta valores bajos que se encuentran entre el 1,70% y 4,84%.
5.3. Elementos mayores y menores
5.3.1 Elementos mayores
Los resultados de elementos mayores (Si, Al, Fe, Ca, Mg, Na, K, Ti, P, y S) expresados como óxidos en las cenizas de carbón se presentan en la Tabla 6. Los tres elementos más abundantes en todas las muestras son silicio, aluminio y hierro seguidos de calcio, azufre y titanio. Las muestras del área de Herrán-Toledo presentan las concentraciones más altas de silicio con un 62,53%. Los valores más bajos de este elemento se encuentran en las muestras del área de Salazar cuya concentración es del 47,13%. Los valoles de aluminio son relativamente constantes en las áreas de Salazar, Tasajero, Zulia-Chinácota y Catatumbo con concentraciones que rondan el 30%. La zona de Herrán-Toledo exhibe las menores concentraciones con un porcentaje del 23,65%. Esta tendencia también se aprecia con el hierro, donde para las áreas de de Salazar, Tasajero, Zulia-Chinácota y Catatumbo se encuentran concentraciones entre el 11% y el 14% mientras que para el área de Herrán-Toledo la concentración es de 7,43%.
Tabla 6 Elementos mayores en las cenizas de carbón.
| Óxido (%) | Herrán-Toledo | Salazar | Tasajero | Zulia-Chinácota | Catatumbo |
|---|---|---|---|---|---|
| SiO2 | 62,53 | 47,13 | 52,72 | 51,76 | 54,34 |
| Al2O3 | 23,65 | 30,50 | 29,39 | 29,15 | 29,43 |
| Fe2O3 | 7,43 | 11,28 | 12,79 | 13,89 | 10,66 |
| CaO | 2,19 | 5,59 | 1,39 | 2,08 | 2,68 |
| MgO | 0,90 | 1,03 | 0,71 | 0,60 | 0,85 |
| Na2O | 0,30 | 0,23 | 0,26 | 0,19 | 0,28 |
| K2O | 1,11 | 0,24 | 0,75 | 0,59 | 0,58 |
| TiO2 | 1,08 | 1,30 | 1,23 | 1,54 | 1,52 |
| P2O5 | 0,06 | 0,13 | 0,32 | 0,16 | 0,07 |
| SO3 | 2,95 | 5,33 | 1,40 | 1,61 | 2,44 |
Fuente: Datos del estudio.
Las concentraciones de azufre se correlacionan con las concentraciones de calcio y margnesio en cada área. Para el calcio se encontraron concentraciones que varían entre el 1,39% para el área de Tasajero y el 5,59% para el área de Salazar. Las áreas de Herran-Toledo, Zulia-Chinácota y Catatumbo tiene concentraciones similares y cercanas al 2%. Lo mismo ocurre con el azufre donde la tendencia en cada área es similar y las concentraciones varían entre el 1,40% y 5,33%. Por otra parte las concentraciones de titanio se encuentran alrededor del 1,2% en todas las áreas de estudio.
Los elementos magnesio, sodio, potasio y fósforo tienen en general concentraciones menores al 1%, en el caso del área de Herrán Toledo el valor de concentración de este elemento es del 1,11% siendo el más alto entre las áreas de estudio, por otra parte, la concentración de magnesio en las muestras de Salazar es del 1,03% siendo el área con los valores más altos. El fósforo es el elemento mayor menos abundante, sus concentraciones varían entre el 0,06% para el área de Herrán Toledo y el 0,32% para Tasajero.
5.3.2 Elementos menores
Los resultados de elementos menores sobre las cenizas del carbón (Sr, Mn, V, Cr, Co Ni, Cu, Zn, Be, Cd, Ba, As, Pb y Hg) se exponen en la Tabla 7. Los resultados son expresados en mg/kg (ppm) excepto para el mercurio cuyos valores se expresan en g/kg (ppb). Los elementos mas abundantes en todas las áreas de estudio son vanadio y bario con concentraciones superiores a los 500 mg/kg, y los menos abundantes, cobalto, plomo, arsénico berilio, cadmio y mercurio que tiene concentraciones promedio inferiores a 100 mg/kg. Los elementos restantes (Cr, Mn, Ni , Cu y Zn) presentan concentraciones intermedias.
Tabla 7 Elementos menores en las cenizas de carbón.
| Elemento (mg/kg) | Herrán-Toledo | Salazar | Tasajero | Zulia-Chinácota | Catatumbo |
|---|---|---|---|---|---|
| Sr | 343 | 454 | 400 | 189 | 226 |
| Mn | 141 | 111 | 124 | 292 | 323 |
| V | 718 | 513 | 1888 | 858 | 807 |
| Cr | 175 | 112 | 279 | 174 | 175 |
| Co | 34 | 56 | 83 | 100 | 65 |
| Ni | 130 | 179 | 280 | 311 | 203 |
| Cu | 150 | 143 | 305 | 215 | 183 |
| Zn | 196 | 91 | 291 | 408 | 128 |
| Be | 13 | 24 | 22 | 34 | 29 |
| Cd | 1 | 0,5 | 2 | 2 | 1 |
| Ba | 924 | 894 | 1183 | 599 | 674 |
| As | 26 | 57 | 39 | 75 | 40 |
| Pb | 43 | 65 | 66 | 72 | 75 |
| Hg (g/kg) | 138 | 100 | 164 | 131 | 88 |
Fuente: Datos del estudio.
6. Discusión
Con la información de las concentraciones determinadas en el laboratorio y con los datos de concentración media mundial de éstos elementos en las cenizas de carbón bituminoso (WAC) reportados por Ketris y Yudovich (2009), se realiza el cálculo de los coeficientes de concentración (CC). Estos coeficientes permiten mirar si un elemento está enriquecido o agotado respecto de la concentración media mundial. El CC se calcula dividiendo el valor de concentración obtenido entre el valor de la media mundial de dicho elemento. Dei et al. (2016) clasifican el enriquecimiento o agotamiento en la siguiente escala: CC > 100 inusualmente enriquecido; CC >10 significantemente enriquecido; 5 ( CC ( 10 enriquecido; 2 ( CC ( 5 ligeramente enriquecido; 0,5 ( CC ( 2 dentro de la media mundial y CC ( 0,5 agotado. En la Tabla 8 se presentan los valores de las concentraciones medias mundiales (WAC) y los valores calculados de CC para los elementos menores analizados. En verde oscuro se resalta el vanadio para el área de Tasajero que presenta un valor de CC superior a 10 lo cual indica que este elemento en esta zona en particular se encuentra significativamente enriquecido. Este mismo elemento presenta un valor de CC de 5,05 en el área de Zulia - Chinácota indicando que está enriquecido.
Tabla 8 Valores de los coeficientes de concentración CC y valor medio mundial de los elementos analizados.
Fuente: Datos del estudio.
En el área de Tasajero vanadio, cromo, cobalto, niquel y cobre presentan valores de CC entre 2 y 5 mostrando que se encuentran ligéramente enriquecidos. En Zulia -Chinácota vanadio, cobalto, niquel, cínc y Berilio también presentan esta misma clasificación. Por el lado de Catatumbo ligéramente enriquecidos están el vanadio el berilio y el niquel. Por su parte en el área de Herrán - Toledo el único elemento ligéramente enriquecido es el Vanadio con un valor de CC de 4,22.
Se observa que en la zona de Herrán - Toledo estroncio, manganeso y cadmio arrojan valores de CC menores a 0,5 por tanto se encuentran agotados. En el área de Salazar los elementos agotados corresponden al manganeso y al cadmio. Para la zona de Tasajero el único elemento con valores de CC inferiores a 0,5 es el manganeso. Por último, en las zonas de Zulia-Chinácota y Catatumbo el único elemento agotado es el estroncio.
En la Tabla 9, se presentan los valores de los coeficientes de correlación de Pearson para los elementos mayores, menores, azufre total y cenizas. El coeficiente de correlación de Pearson, que es un valor entre -1 y 1 permite evaluar la relación lineal que puede existir entre dos variables independientes. Según el trabajo de Gürdal (2007) el coeficiente de correlación de Pearson también permite obtener información sobre la afinidad orgánica o inorgánica de un elemento cuando se calcula el coeficiente de Pearson con relación a el contenido de cenizas. Es decir, si el coeficiente de Pearson es mayor a 0,5 el elemento está asociado a la matriz inorgánica del carbón, mientras que, si el valor del coeficiente es inferior a -0,5 el elemento estará asociado a la matriz orgánica. Todos aquellos elementos cuyos coeficientes de correlación se encuentran entre -0,5 y 0,5 estarán relacionados tanto con la matríz inorgánica como con la orgánica.
Tabla 9 Coeficientes de Pearson para los elementos mayores, menores, azufre total y cenizas
Fuente: Datos del estudio.
Con la finalidad de realizar una comparación de los datos otenidos en este estudio con datos de proyectos institucionales realizados para caracterizar los carbones de diferentes zonas del país, se presentan resultados de los coefiecientes de correlación de Pearson y los resultados de los coeficientes de concentración para la zona carbonífera de Boyacá en 83 muestras tomadas en minas subterráneas y niveles carboníferos de la formación Guaduas para las áreas: 802 Suesca - Albarracín, 803 Tunja - Paipa - Duitama, 804 Sogamoso - Jericó y 808 Chita - La Uvita - El Espino.
En la Tabla 10, se presentan los resultados de coeficientes de correlación de pearson para la muestras de la zona carbonífera de Boyacá. Al comparar con los datos de Norte de Santander se evidencian algunas correlaciones similares, por ejemplo, para el caso de la correlacion hierro - azufre total para Boyacá se obtienen coeficientes de 0,78 y para Norte de Santander de 0,79 debido a la presencia de pirita en las dos zonas carboníferas. También se observa para las dos zonas el carácter inorgánico del potasio, presentando coeficientes de correlación de Pearson superiores a 0,5 con respecto a las cenizas. En el caso de Norte de Santander se obtuvo un valor de 0,59 y para Boyaca un valor de 0,57.
Tabla 10 Coeficientes de Pearson para los elementos mayores, menores, azufre total y cenizas (zona carbonífera de Boyacá)
Fuente: Datos del estudio.
En cuanto a diferencias significativas entre una zona y otra, se puede inferir analizando los coeficientes de correlación que en Boyacá la afinidad del mercurio con el hierro y el azufre es menor que en Norte de Santander, eso también se corrobora analizando los coeficientes de correlación entre mercurio y cenizas, dichos coeficientes tienen mayores valores en Norte de Santander indicando que el mercurio se encuentra asociado a la materia mineral, en este caso al azufre y al hierro, mientras que los valores en Boyacá son menores, indicando una afinidad mayor a la matriz orgánica y por ende una disminución de las correlaciones con el hierro y el azufre.
Los datos de los coeficientes de concentración (CC) de mercurio para Norte de Santander presentan valores que oscilan entre 0,88 y 1,64 que se encuentran dentro de la media mundial, mientras que para Boyacá, en la Tabla 11 se presentan valores entre 1 y 2,74 que representan un ligero enriquecimiento, indicando que los carbones de Norte de Santander tienen una menor cantidad de este elemento potencialmente peligroso.
Tabla 11 Coeficientes de Pearson para los elementos mayores, menores, azufre total y cenizas (zona carbonífera de Boyacá).
Fuente: Datos del estudio.
También es posible ver diferencias en las concentraciones de elementos como vanadio y estroncio. En la zona de Norte de Santander se encuentran contenidos altos de vanadio con factores de concentración que varían entre 3,02 y 11,8 mientras que en Boyacá sus valores se encuentran entre 1,32 y 2,07.
El caso del estroncio resulta interesante, en el departamento de Boyacá se encuentran contenidos superiores a los encontrados en las muestras de Norte de Santander, esto se evidencia con los coeficientes de concentración que varían entre 1,26 y 2,93. Además en la Tabla 10 donde se encuentran los coeficientes de correlación de Pearson para Boyacá, se observa un coeficiente de correlación de 0,88 entre el estroncio y el fósforo, esto debido probablemente a la similitud en los radios iónicos del calcio y el estroncio, indicando que los iones de estroncio susituyen al calcio en las redes iónicas que forman el fosfato de calcio. También se puede relacionar con el aporte de material durante la depositación de la cuenca y su afinidad con minerales asociados.
7. Conclusiones
Evaluando los valores de los coeficientes de correlación de Pearson entre las concentraciones elementales se evidencia una fuerte correlación entre el hierro y el arsénico con un coeficiente de 0,8, de igual manera hay una correlación importante entre arsénico y azufre con un valor de 0,8.
Se aprecia una fuerte correlación azufre-calcio y azufre-magnesio con valores de 0,9 y 0,72 respectivamente. Así mismo destacan las correlaciones hierro-mercurio y mercurio-azufre total con valores de coeficiente de correlación de Pearson de 0,72 y 0,9. Para el azufre pirítico y el mercurio se obtuvo un coeficiente de correlación de 0,9, este coeficiente abarca la totalidad de las muestras tomadas (87) indicando que esta afinidad se mantiene en las formaciones geológicas Cuervos y Carbonera para las 5 áreas del estudio.La evaluación de los coeficientes con respecto a el contenido de cenizas para ver la afinidad orgánica o inorgánica de los elementos muestra que solamente mercurio, azufre total y potasio presentan una afinidad inorgánica con valores de coeficiente de correlación superiores a 0,5, para el resto de elementos los valores se encuenran entre -0,5 y 0,5 indicando una afinidad tanto a la parte orgánica como a la inorgánica.
Los mantos de carbón teniendo en cuenta su clasificación según los valores de reflectancia media de la vitrinita corresponden a carbones de rango bajo y medio que corresponden a subbituminosos y bituminosos lo que indica que no son carbones con alta madurez térmica.
