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NOTA TECNICA Nº 21
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ANALISIS DE ISOTOPOS AMBIENTALES: ALGUNAS APLICACIONES EN
LA INDUSTRIA
El análisis isotópico es una herramienta de mucha utilidad en estudios
geológicos, geoquimicos y en otras disciplinas.
En esta nota se revisan cuatro aplicaciones de análisis isotópico dos de las cuales
ya tienen antecedentes de aplicación en la industria local y las otras dos han sido
obtenidas de la bibliografía.
INTRODUCCION
La mayor parte de los elementos presentes en la naturaleza (suelos, líquidos y
gases) tienen uno o mas isótopos estables.
Por ejemplo el oxigeno tiene tres isótopos estables cuya abundancia en la naturaleza es:
0,22 % 18 O ; 0,035 % 17 O ; 99 % 16 O.
Debido a que los tres son isótopos estables (no sufren desintegración)
permanecerán como parte permanente del pool de oxigeno terrestre.
Las pequeñas diferencias de masa entre los isótopos de un mismo elemento
hacen que los mismos tengan entre si diferentes propiedades geoquímicas y físicas
como consecuencia de lo cual se produce el fraccionamiento isotópico (enriquecimiento
o deplecion). La determinación de estas diferencias es la base de la herramienta de
estudios a que esta nota se refiere.
ISOTOPOS DE HIDROGENO Y OXIGENO PARA INVESTIGAR EL ORIGEN
DE AGUAS DE FORMACION
El hidrogeno es uno de los elementos más importante de la hidrosfera con tres
isótopos:
1H que abunda 99,98 %.
2H (Deuterio).
3H (Tritio) 10 –14 –10 –16 %, los tres son constitutivos de la molécula de
agua y luego trazadores ideales: El Deuterio para describir el origen y la historia de una
masa de agua y el Tritio para determinar tiempos de residencia.
Del oxigeno, 18 O, 16 O son también trazadores directos de una masa de agua, sin
embargo, dado que el oxigeno es muy abundante en minerales, refleja interacciones
roca – agua que deben tenerse en cuenta.

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Usados en conjunto, los isótopos de hidrogeno y oxigeno proveen información
útil acerca de medios de recarga, historia de aguas subsuperficiales y evolución
geoquímica de constituyentes disueltos en un agua.
Los isótopos ambientales de hidrogeno y oxigeno son herramientas útiles por
dos razones:
• Son parte de la molécula de agua y la acompañan a través de los ciclos
geológicos.
• Son conservativos (excepto el Tritio) en sistemas de baja temperatura y
circulación.
Las concentraciones isotópicas se expresan como valores δ %0 y se refieren a un
estándar smow donde δ 18 O = -10 %0 significa que la muestra tiene diez por mil menos
que el 18 O de referencia.
δ %0 = ( RM – Rsmow ) 1000 M = muestra
Rsmow SMOW = estándar = stándar mean ocean water
Las relaciones isotópicas que gobiernan la distribución de los isótopos estables
de hidrogeno (D/H = Deuterio / Hidrogeno) y de oxigeno ( 18 O/ 16 O) en las aguas
superficiales son razonablemente conocidos desde los años ’50.
El desafío es utilizar estos conocimientos para estudiar la geoquímica de las
aguas subterráneas antiguas (paleoaguas).
La comparación de las relaciones isotópicas permite identificar cambios en el
origen del agua.
Es conocido que algunas paleoaguas tienen un contenido de isótopos estables
menores que recientes recargas locales. Aunque esta anomalía no es taxativa, esta
deplecion ha sido interpretada en general como la resultante de un enfriamiento
climatico durante el pleistoceno.
Por ejemplo, si un agua superficial presenta δ 18 O cercano a –11 %0 pero un
agua profunda -13,6 %0 puede decirse que ambas aguas no tienen el mismo origen. Una
vez que un agua superficial penetro la superficie, la relación isotópica puede cambiar
por diferentes procesos: mezclarse con otras aguas, intercambiar con otros fluidos o
bien con las rocas.
Las concentraciones isotópicas que se miden y comparan se obtienen de la expresión:
δ D (%0) = (D / H)M – (D / H)SMOW . 1000
(D / H)SMOW

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δ 18 O (%0) = ( 18 O / 16 O) M – ( 18 O / 16 O) SMOW .1000
( 18 O / 16 O)SMOW
Los análisis de isótopos pueden hacerse en agua o petróleo utilizando
espectrometria de masas. Las determinaciones no son directas y requieren de una muy
cuidadosa preparación previa de la muestra.
ISOTOPOS DEL AZUFRE: USO DE SU ANALISIS PARA DETERMINAR EL
ORIGEN DEL ACIDO SULFHIDRICO.
Los isótopos del azufre son poco utilizados en estudios hidrogeologicos debido a
la existencia de procesos biológicos que interfieren.
El 34 S es el isótopo mas importante (4,21 %) del azufre natural 32 S que abunda
95,02 %.
Las mayores variaciones en la composición isotópica del azufre se deben a las
contribuciones de las bacterias sulfatoreductoras (sulfatos + bacterias→ácido
sulfhidrico)
Las variaciones en la composición isotópica del azufre se expresan como
desviaciones respecto de un patrón internacional que fue la Trolita y actualmente esta
redefinido (V- CDT).
δ 34 S (%0) = RM – RVCDT . 1000 R = 34 S / 32 S.
RVCDT
En la reducción bacteriana de los sulfatos a sulfuros tienen lugar grandes efectos
isotópicos que se aprecian en los productos generados. Esta es una forma de diferenciar
el H2S según que su origen sea bacteriano o inorgánico (hidrólisis de sulfuros o
reducción termodinámica de sulfatos).
Meteoritos y sulfuro magmatico se encuentran cerca del patrón V-CDT, los
valores altos que exceden +20 %0 se encuentran en las asociaciones entre evaporitas y
calizas.
Los valores negativos son típicos de ambientes diageneticos en los que se
forman compuestos reducidos del azufre.
La composición isotópica del S en petróleos y gas esta en el rango – 10 a +15
%0 y en la Pirita (producto de reacción H2S con hierro) biogénico – 3 %0 a – 25 %0.
En los sulfatos del agua la δ %0 varia entre – 10 %0 y +20 %0.
Los compuestos de azufre se particionan en agua, hidrocarburo y gas por lo cual
el análisis isotópico debe hacerse en las tres fases.

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Analíticamente se oxida el sulfuro a SO2 con pentoxido de vanadio en ampolla,
se purifica y el gas se mide en espectrometro de masas.
ISOTOPOS DE CARBONO EN LOS BICARBONATOS:
ESTUDIO DEL ORIGEN DEL CO2
El carbono tiene tres isótopos significativos: 12 C cuya abundancia es 98,89 %,
13 C de 1,1 % y el radiactivo 14 C que se encuentra en 1,2. 10 –10 % (vida media 5730
años).
Una de las aplicaciones útiles del análisis isotópico 13C / 12C es el uso de sus
resultados para determinar el origen del CO2 (dióxido de carbono) en especies disueltas
en agua (bicarbonatos) y cementos carbonaticos.
Los bicarbonatos y carbonatos del agua resultan de la disolución de minerales
carbonaticos y de la presencia de ácido carbónico (CO2 + H2O → H2CO3). Los valores
de δ 13 C de los bicarbonatos son función del δ 13 C del CO2 y los minerales aunque
pueden ser modificados por interacción con los sedimentos en contacto con el agua, a
través de su historia.
Las aguas de formación contienen δ 13 C entre – 10 y + 30 %0; los Carbonos
orgánicos entre – 20 y – 35 %0; Metano – 10 a – 90 %0 y otros hidrocarburos gaseosos
– 25 a + 45 %0 (Petróleo – 20 a – 35 %0).
El extremado rango del metano se estrecha si se tiene en cuenta el origen del
mismo: bacteriano (- 45 a – 90 %0), gas seco profundo (- 25 a – 40 %0) y superficial
(- 55 a – 75 %0).
Pueden generarse bicarbonatos por degradación bacteriana de ácidos orgánicos:
SO4 + CH3COOH → 2 HCO3 + HS o por degradación con bacterias metanogenicas:
CH3COO + H2O HCO3 - + CH4
Estos procesos, como mencionamos con el azufre, la reducción bacteriana esta
acompañada por grandes efectos isotópicos.
La decarboxilacion térmica de ácido alifaticos de cadena corta (acetato) produce
CO2 siendo esta probablemente la mayor fuente de metano, la reacción es:
CH3 – COOH CO2 + CH4 (Metano a/p ácido acético).
CH3 – CH2 – COOH CO2 + C2H6 (Etano a/p ácido propionico).
CH3 – CH2 – CH2 – COOH CO2 + C3H8 (Propano a/p ácido butírico).

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SrRSA (STRONTIUM ISOTOPE RESIDUAL SALT): UNA HERRAMIENTA
PARA ESTUDIAR COMPARTIMENTIZACION DE HIDROCARBUROS
Gran parte de las aguas subterráneas contienen cantidades trazas de Estroncio.
Las aguas dulces o meteóricas pueden contener solo algunas ppm pero las aguas de
formación cantidades superiores a 1000 ppm.
El Estroncio (Sr) es muy soluble en agua y tiene cuatro isótopos: 84Sr, 86Sr,
87Sr y 88Sr. El isótopo 87Sr se forma continuamente en la naturaleza por
desintegración radioactiva del 87Rb (Rubidio).
En SrRSA el agua de formación es reconstituida en Sr en toda la corona, la cual
varía con su edad y origen.
Tres conceptos básicos son usados para interpretar las variaciones 87Sr / 86Sr en
aguas subsuperficiales:
A) Los acuíferos conectados tienen 87Sr / 86Sr uniformes.
B) Las relaciones 87Sr / 86Sr en agua irreductible es fosilizada al mismo tiempo
que el agua entrampada con los hidrocarburos en contacto dinámico.
C) La 87Sr / 86Sr de un acuífero por debajo del contacto dinámico puede
cambiar con el tiempo cuando petróleo / gas llenan un reservorio.
Hemos reseñado cuatro aplicaciones de análisis isotópicos en estudios de
reservorio aunque no son todos.
El análisis isotópico con espectrometro de masa esta en constante crecimiento y
continuamente aparecen nuevas aplicaciones.
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