Explicación de los patrones isotópicos inusuales

En un experimento de laboratorio, los investigadores simulan la formación de hidrocarburos alternativos mediante la reducción del ácido acético

15.11.2021 - Alemania

Los hidrocarburos, que son un componente esencial del petróleo crudo y el gas natural, se forman bajo presión y altas temperaturas en el fondo del océano profundo. En la cuenca de Guaymas, en el Golfo de California, los investigadores han detectado patrones de gas hidrocarburo que no podrían haberse generado por las vías de formación conocidas. En su estudio, que se ha publicado ahora en la revista Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), describen una nueva vía de formación de dos de los principales componentes del gas natural, el etano y el propano, mediante la reducción del ácido acético. El equipo, formado por investigadores del MARUM - Centro de Ciencias Ambientales Marinas de la Universidad de Bremen y de la Universidad de Carolina del Norte (EEUU), ha investigado las firmas isotópicas y ha simulado la formación de hidrocarburos en experimentos de laboratorio.

Las composiciones isotópicas de los compuestos de hidrocarburos son como una huella digital. Pueden indicar claramente la forma en que se forman hidrocarburos como el metano, el etano, el propano, el butano y el pentano. Cuando los hidrocarburos se queman, se produce agua y dióxido de carbono y se libera energía. Los hidrocarburos, incluidos el petróleo crudo y el gas natural, se forman a lo largo de periodos de tiempo geológicos bajo altas temperaturas y presiones, y los investigadores pueden finalmente identificar este proceso basándose en su particular patrón isotópico.

Sin embargo, al estudiar muestras de la cuenca de Guaymas, los investigadores detectaron patrones isotópicos que no encajaban con las vías de formación conocidas. Las muestras se recogieron con el vehículo sumergible tripulado Alvin durante varias expediciones con el buque de investigación ATLANTIS, por lo que fue posible definir con precisión los lugares de muestreo y, al mismo tiempo, medir la temperatura en el fondo del océano. "En la cuenca de Guaymas es posible presenciar la formación de petróleo como si fuera en time-lapse", explica la coautora, la Dra. Florence Schubotz, del MARUM. En esta cuenca se depositan grandes cantidades de materia orgánica en forma de sedimentos que, a su vez, se calientan rápidamente por la actividad hidrotermal, lo que da lugar a la formación de petróleo. Esto ocurre muy rápidamente en comparación con los millones de años necesarios para la formación convencional de petróleo a alta presión y temperatura. A diferencia de ese proceso, la actividad geológica en el margen continental de la cuenca de Guaymas y las cantidades de material biológico depositado son los factores principales en la generación de hidrocarburos. Así, la cuenca funciona como una olla a presión. Debido a este carácter único, la Cuenca de Guaymas es considerada por los investigadores como una región modelo para la rápida alteración térmica de la materia orgánica sedimentaria.

"Estos datos nos sorprendieron, ya que no podíamos explicarlos con ningún mecanismo conocido. Hicimos una lluvia de ideas sobre explicaciones alternativas, considerando qué hace que este sistema sea tan especial y qué procesos podrían tener lugar en el subsuelo profundo que podrían haber causado el inusual patrón isotópico de los gases de hidrocarburos en nuestras muestras", explica el primer autor, el Dr. Min Song. Para ello, los investigadores consideraron el papel de los ácidos grasos volátiles, que abundan en el subsuelo de la cuenca de Guaymas, y realizaron experimentos de simulación. Por primera vez, han propuesto una vía alternativa para la formación de los gases, que también explica las firmas isotópicas observadas en el subsuelo de la cuenca. En el laboratorio del profesor Wolfgang Bach, investigador del MARUM, se simularon temperaturas y presiones similares a las existentes en los sistemas hidrotermales. Se generó etano y propano a partir de ácido acético sin la influencia de microorganismos.

Schubotz señala que esta nueva explicación de un proceso alternativo de formación de hidrocarburos en el fondo oceánico puede probarse ahora en otros sistemas sedimentarios calentados geotérmica e hidrotermalmente. Por ello, los resultados son una importante contribución a la investigación en el MARUM. En el estudio participan los colegas de Min Song del Grupo de Excelencia "El fondo oceánico: la interfaz inexplorada de la Tierra", así como socios internacionales, entre ellos el profesor Andreas Teske, de la Universidad de Carolina del Norte, en Chapel Hill. "Nuestros hallazgos ofrecen una explicación convincente de los patrones isotópicos inusuales en los gases de hidrocarburos", afirma el portavoz del co-cluster y líder del estudio, el profesor Kai-Uwe Hinrichs. "Los hidrocarburos aquí no se forman al dividir compuestos más largos en componentes más pequeños, sino que se generan a partir de bloques de construcción más pequeños". En este proceso de formación no intervienen microorganismos, por lo que este proceso entra en la categoría de formación abiótica. Los hallazgos permitirán comprender mejor los procesos que se dan en los fondos marinos, sobre todo en lo que respecta al flujo de carbono.

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Publicación original

Min Song, Florence Schubotz, Matthias Y. Kellermann, Christian T. Hansen, Wolfgang Bach, Andreas P. Teske, Kai-Uwe Hinrichs; "Formation of ethane and propane via abiotic reductive conversion of acetic acid in hydrothermal sediments"; PNAS; 2021

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