https://hdl.handle.net/1884/39716 2026-04-24T21:52:32Z 2026-04-24T21:52:32Z https://hdl.handle.net/1884/100974 2026-02-13T17:52:18Z 2025-01-01T00:00:00Z

Carbon dioxide sequestration (CO2) by mineral carbonation and its relation to weathering of mafic rocks, pali aike volcanic field, Chilean Patagonia Resumo: Esta tese investiga os processos naturais e experimentais de mineralização de CO2 no Campo Vulcânico de Pali Aike (PAVF), localizado na Patagônia Sul, uma província basáltica moldada pelo vulcanismo quaternário, pela história glacial e por condições climáticas frias e áridas. A configuração geológica singular da região fornece um laboratório natural para explorar a interação entre carbono, água e rochas máficas, estabelecendo conexões entre a precipitação de carbonatos e os processos de armazenamento mineral. Ao combinar abordagens geoquímicas, isotópicas e mineralógicas, o estudo contribui para a compreensão dos processos do ciclo do carbono e do armazenamento mineral em sistemas basálticos. A primeira parte do estudo examina a precipitação natural de carbonatos em um lago alcalino desenvolvido dentro de crateras vulcânicas do Pleistoceno Médio. As análises geoquímicas e isotópicas (Sr radiogênico, d¹³C, d¹8O) de águas lacustres, sedimentos e carbonatos revelam que o carbono inorgânico dissolvido (DIC) é derivado principalmente de CO2 biogênico (~66%), com uma contribuição atmosférica adicional (~34%). O balanço de cálcio é controlado principalmente pelo intemperismo das rochas máficas circundantes (>70%), com pequenas contribuições de solos locais. Esses resultados demonstram como a produtividade biológica, a variabilidade hidrológica e o intemperismo basáltico regulam conjuntamente a saturação e a precipitação de carbonatos em ambientes vulcânicos continentais, destacando a capacidade natural desses sistemas de sequestrar carbono. A segunda parte avalia a reatividade dos basaltos do PAVF sob condições supercríticas de CO2, utilizando experimentos em batelada a 50 °C e 90 bar. A dissolução do basalto liberou rapidamente Ca e Mg, elevando o pH da solução e promovendo a precipitação de carbonatos em poucas semanas. As análises mineralógicas e isotópicas (XRD, SEM, d¹³C = -3,3‰ a -7,3‰; d¹³CDIC = -36‰ a -31‰) confirmam que os minerais carbonáticos se formaram principalmente a partir de reações entre fluidos ricos em CO2 e minerais basálticos. Ao integrar evidências naturais e experimentais, este trabalho demonstra que as rochas máficas da Patagônia Sul não apenas participam ativamente do ciclo do carbono, mas também apresentam um elevado potencial para a mineralização artificial de CO2. Os resultados posicionam o Campo Vulcânico de Pali Aike como um sítio estratégico para futuras iniciativas de armazenamento de carbono e contribuem para uma compreensão mais ampla das províncias basálticas como reservatórios naturais dos processos do carbono viáveis para o sequestro geológico permanente de CO2; Abstract: This thesis investigates both natural and experimental processes of CO2 mineralization in the Pali Aike Volcanic Field (PAVF), southern Patagonia, a basaltic province shaped by Quaternary volcanism, glacial history, and cold-arid climatic conditions. The region’s unique geological setting provides a natural laboratory to explore the interaction between carbon, water, and mafic rocks, linking carbonate precipitation. By combining geochemical, isotopic, and mineralogical approaches, this study contributes to the understanding of carbon cycle processes and mineral storage in basaltic systems. The first component examines natural carbonate precipitation in an alkaline maar lake developed within Middle Pleistocene volcanic craters. Geochemical and isotopic analyses (radiogenic Sr, d¹³C, d¹8O) of lake water, sediments, and carbonates reveal that dissolved inorganic carbon (DIC) is primarily derived from biogenic CO2 (~66%) with an additional atmospheric contribution (~34%). The calcium budget is mainly controlled by the weathering of surrounding mafic rocks (>70%), with inputs from local soils. These findings demonstrate how biological productivity, hydrological variability, and basalt weathering together regulate carbonate saturation and precipitation in continental volcanic environments, highlighting the natural capacity of these systems to sequester carbon. The second component assesses the reactivity of PAVF basalts under supercritical CO2 conditions through batch experiments at 50 °C and 90 bar. Basalt dissolution released Ca and Mg rapidly, increasing solution pH and promoting carbonate precipitation within weeks. Mineralogical and isotopic analyses (XRD, SEM, d¹³C = -3.3‰ to -7.3‰; d¹³C_DIC = -36‰ to -31‰) confirm that carbonate minerals formed mainly through reactions between CO2-rich fluids and basaltic minerals. By integrating natural and experimental evidence, this work demonstrates that the mafic rocks of southern Patagonia not only participate in active carbon cycling but also offer significant potential for engineered CO2 mineralization. The results position the Pali Aike Volcanic Field as a strategic site for future carbon storage initiatives and contribute to a broader understanding of basaltic provinces as both natural reservoirs of carbon processes and viable for permanent geological CO2 sequestration Orientadora: Profa. Dra. Anelize Manuela Bahniuk Rumbelsperger; Banca: Anelize Manuela Bahniuk Rumbelsperger (Presidente da Banca), Emmanoel Vieira da Silva-Filho, Lucas de Magalhaes May Rossetti, Haline de Vasconcellos Rocha e Caroline da Ros Montes D'Oca; Tese (doutorado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Ciências da Terra, Programa de Pós-Graduação em Geologia. Defesa : Curitiba, 12/12/2025; Inclui referências

2025-01-01T00:00:00Z https://hdl.handle.net/1884/98870 2026-02-11T16:57:07Z 2025-01-01T00:00:00Z

Improvements on numerical modeling of an atypical petroleum systems in Parnaíba Basin, NE Brazil : integration of organic-inorganic thermal indicators based on vitrinite Resumo: A Bacia do Parnaíba, localizada no nordeste do Brasil, é uma bacia intra-cratônica, multifásica, de idade Paleozoica, que contém inúmeros campos de gás natural, gerados na Formação Pimenteiras, do Devoniano, um sistema petrolífero atípico, onde a maturação da rocha fonte e os mecanismos de formação de trapas são causados pelo Evento Magmático do Atlântico Central (CAMP), de idade Neo Triássica. A modelagem numérica de sistemas petrolíferos em ambientes atípicos é um processo desafiador devido ao número de variáveis adicionais e desconhecidas que precisam ser modeladas. As incertezas relacionadas à idade e sequência das intrusões magmáticas, às propriedades térmicas do magma, à escassez e qualidade dos parâmetros orgânicos de calibração térmica e ausência de esquemas cinéticos adequados podem levar a previsões incorretas sobre a transformação das rochas geradoras, bem como na estimativa de fase e composição das acumulações de hidrocarbonetos modeladas. Esta tese apresenta resultados inovadores em três linhas principais de pesquisa: 1) Aquisição de novos dados orgânicos e geoquímicos, como carbono orgânico total (TOC), pirólise e vitrinita dos níveis enriquecidos em matéria orgânica da Formação Pimenteiras; 2) Estabelecimento de um esquema cinético composicional específico para a rocha geradora da Formação Pimenteiras e subsequente implementação no simulador numérico 3D de sistemas petrolíferos 3) Estudo das variações da cristalização da ilita (índice de Kubler) ao longo do perfil de três poços da bacia, com o objetivo de entender o impacto do calor devido às intrusões magmáticas sobre os minerais argilosos, utilizando um extenso conjunto de dados de difração de raios-X. Os resultados dos dados geoquímicos demonstram o impacto das intrusões de soleiras de diabásio sobre o perfil de maturação, levando a valores de reflectância de vitrinita acima de 5% de Ro, no campo de sobre maturação, também mostrando uma importante redução nos valores de TOC. A escassez de partículas de vitrinita e a ampla gama de maturidade indicam a dificuldade de usar a reflectância de vitrinita como um único indicador da maturação da rocha geradora. Os resultados cinéticos mostraram uma distribuição estreita da energia de ativação (entre 50-56 kcal/mol), em linha com uma estrutura homogênea do querogênio. A análise do pirolisados corrobora com a deposição de matéria orgânica algal/bacteriana em um ambiente predominantemente marinho, de querogênio do Tipo II. A implementação do esquema cinético no simulador numérico e a comparação com um esquema cinético análogo, de uma rocha geradora Devoniana da América do Norte (Woodford Shale), mostrou diferenças de -66,6%, -19,5% e -0,8%, respectivamente, para os ORL’s A, B e C, nas massas de petróleo geradas, indicando um efeito substancial do esquema cinético nas previsões da modelagem numérica. A análise dos dados de difração de raios-X na fração argila, com ênfase na decomposição do pico 10A, permitiu a individualização das fases de moscovita/mica detríticas das fases de ilita neo formadas pelo metamorfismo de contato. O Índice de Kubler (largura total no máximo de largura – FWHM, na sigla em inglês), medido no pico associado à ilita, mostrou uma correlação consistente com a reflectância de vitrinita, permitindo a melhoria na calibração térmica dos modelos numéricos; Abstract: The Parnaíba Basin, located in northeastern Brazil, is an intra-cratonic, multi-phase Paleozoic basin that hosts a considerable number of natural gas fields sourced from the Devonian Pimenteiras Formation. It is an atypical petroleum system, where source rock maturation and trap formation mechanisms are driven by the Central Atlantic Magmatic Event (CAMP), which occurred during the Late Triassic. Numerical modeling of petroleum systems in such atypical environments is a challenging process due to the numerous additional unknown variables that must be accounted for. Uncertainties related to the timing and age of magmatic intrusions, thermal properties of the magma, the scarcity and quality of organic thermal calibration parameters, and appropriate kinetic schemes can lead to inaccurate predictions of source rock transformation as well as the phase and composition of predicted hydrocarbon accumulations. This thesis presents novel results in three main areas of research: 1) Acquisition of a new dataset of organic geochemical parameters, such as total organic carbon (TOC), pyrolysis data, and vitrinite reflectance, from the organic-rich layers (ORLs) of the Pimenteiras Formation; 2) The establishment of a specific compositional kinetic scheme for the Pimenteiras Formation source rock and its implementation into a 3D petroleum system modeling (PSM) simulator; and; 3) The investigation of illite crystallinity variations (Kübler Index) across profiles from three wells in the basin, to investigate and understand the impact of magmatic heating on clay minerals, using an extensive dataset of X-ray diffraction (XRD) data. The geochemical data reveals the impact of magmatic sill intrusions on the maturation profiles, resulting in vitrinite reflectance values exceeding 5% of Ro, entering the overmature range, and showing significant reductions in TOC values. The scarcity of vitrinite particles and the wide thermal maturity range highlight the limitations of using vitrinite reflectance as a sole thermal maturity proxy. The kinetic analysis revealed a narrow activation energy distribution (between 50–56 kcal/mol), consistent with a homogeneous kerogen structure. Pyrolysate analysis supports the deposition of algal/bacterial organic matter in a dominantly marine, Type II kerogen environment. The implementation of the new kinetic scheme into the numerical simulator and its comparison with a North American Devonian source rock analogue (the Woodford Shale) showed differences of -66.6%, -19.5%, and - 0.8% in generated petroleum masses for ORLs A, B, and C, respectively, indicating the substantial impact of the kinetic scheme on PSM predictions. XRD analysis of the clay fraction, focusing on the decomposition of the 10Å peak, enabled the differentiation between detrital muscovite/mica and newly formed illite phases. The Kübler Index (full width at half maximum—FWHM), measured from the decomposed illite peak, showed a consistent correlation with vitrinite reflectance, enhancing the thermal calibration of numerical models Orientador: Prof. Dr. Leonardo Fadel Cury; Coorientadores: Profa. Dra. Anelize Manuela Banhiuk Rumbelsperger, Dr. Nilo das Chagas Azambuja Filho; Banca: Leonardo Fadel Cury (Presidente da Banca), Félix Thadeu Teixeira Gonçalves, Fernando Farias Vesely, Fernando Santos Corrêa e Almério Barros França; Tese (doutorado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Ciências da Terra, Programa de Pós-Graduação em Geologia. Defesa : Curitiba, 15/08/2025; Inclui referências; Área de concentração: Geologia Exploratória

2025-01-01T00:00:00Z https://hdl.handle.net/1884/97898 2025-08-12T14:26:00Z 2025-01-01T00:00:00Z

Prospecção cuprífera no escudo sul-rio-grandense : análise geofísica, interpretação geológica e estratégias para redução de custos e aumento da eficiência na seleção de alvos Resumo: O Escudo Sul-Rio-Grandense é reconhecido pela presença de importantes depósitos minerais metálicos, destacando-se as ocorrências cupríferas. Para a identificação de novos prospectos, a utilização de dados geofísicos, especialmente magnetometria e gamaespectrometria, é essencial no reconhecimento das assinaturas magnéticas e de radioelementos dos litotipos associados às mineralizações. Entretanto, há uma lacuna significativa em pesquisas que abordem metodologias sistemáticas e integradas para análise de dados geofísicos e geológicos pré-existentes no Escudo Sul-Rio-Grandense, especialmente no que diz respeito à integração e processamento de informações multidisciplinares para a caracterização de assinaturas geofísicas associadas a mineralizações. Este estudo propõe uma abordagem integrada para a interpretação dessas assinaturas na metade sul do estado do Rio Grande do Sul, correlacionando dados geofísicos com informações geológicas, estruturais e geoquímicas. A investigação concentra-se na identificação e caracterização dos principais litotipos associados às mineralizações de cobre, permitindo o entendimento das assinaturas geofísicas em escala regional e local a partir de levantamentos aerogeofísicos. Foram delimitadas áreas representativas para avaliação da qualidade dos sinais aeromagnetométricos e aerogamaespectrométricos, integrando-os a mapeamentos geológicos e estruturais, além de dados geoquímicos disponíveis. Os resultados incluem mapas 2D, inversões 3D e perfis litogeofísicos, que contribuem para a compreensão dos contrastes de propriedades físicas entre as principais rochas hospedeiras de mineralizações e encaixantes. Esses produtos oferecem uma abordagem metodológica que poderá ser aplicada a diferentes contextos geológicos e tipos de depósitos minerais, otimizando futuras investigações em escala de detalhe. Além de sua relevância acadêmica, o estudo pretende fornecer informações estratégicas para a indústria mineral, auxiliando na definição de novas áreas potenciais e na redução de custos exploratórios por meio do aproveitamento de dados preexistentes; Abstract: The Sul-Rio-Grandense Shield is recognized for hosting important metallic mineral deposits, particularly copper occurrences. For the identification of new prospects, the use of geophysical data, especially magnetometry and gamma spectrometry, is essential for recognizing magnetic and radioelement signatures of lithotypes associated with mineralizations. However, there is a significant gap in research addressing systematic and integrated methodologies for the analysis of pre existing geophysical and geological data in the Sul-Riograndense Shield, particularly regarding the integration and processing of multidisciplinary information for the characterization of geophysical signatures associated with mineralizations. This study proposes an integrated approach to interpret these signatures in the southern half of the state of Rio Grande do Sul, correlating geophysical data with geological, structural, and geochemical information. The investigation focuses on identifying and characterizing the main lithotypes associated with copper mineralizations, enabling the understanding of geophysical signatures on a regional scale based on airborne geophysical surveys. Representative areas were delineated to assess the quality of magnetic and gamma spectrometric signals, integrating them with geological and structural mappings, as well as geochemical data when available. The results include 2D maps, 3D inversions, and lithogeophysical profiles, which contribute to understanding the contrasts in physical properties of the main host rocks of mineralizations. These products provide a methodological approach that can be applied to different geological contexts and types of mineral deposits, optimizing future detailed investigations. In addition to its academic relevance, the study aims to provide strategic information for the mining industry, assisting in the definition of new potential areas and reducing exploration costs through the use of pre-existing data Orientador: Prof. Dr. Maximilian Fries; Tese (doutorado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Ciências da Terra, Programa de Pós-Graduação em Geologia. Defesa : Curitiba, 13/05/2025; Inclui referências

2025-01-01T00:00:00Z https://hdl.handle.net/1884/97748 2025-08-05T16:34:12Z 2025-01-01T00:00:00Z

Holocene to modern cold-temperature tufa and travertine systems formed Resumo: Travertinos e tufas lacustres são carbonatos de água doce comum no Quaternário, importantes para estudos paleoambientais e como análogo de sistemas deposicionais antigos. Estudou-se aqui travertinos de baixa temperatura com exposição solar contrastante na Laguna Amarga, e extensivos acúmulos de tufa lacustre no Lago Sarmiento (Patagônia Chilena, 51°S). Esses sistemas se formam em um ambiente frio e ventoso, sobre depósitos turbidíticos cretáceos dominados por argilitos. Este estudo visa determinar os controles ambientais e bióticos na precipitação de carbonatos e suas feições deposicionais, além de investigar possíveis contribuições endógenas em sua formação, integrando petrografia, mineralogia e isotopia dos carbonatos; físico-química e isotopia das águas; e sequenciamento do gene 16S rRNA de tapetes microbianos do Lago Sarmiento. As águas das nascentes exibem características de travertinos formados por evasão de CO2. Os depósitos apresentam variações similares em sedimentologia e composição [delta]13Ctrav-d18Otrav, resultantes de mudanças hidrodinâmicas ao longo do fluxo que influenciam efeitos bióticos e cinéticos na precipitação. Carbonatos esferulíticos de aragonita (calcita) formam-se em biofilmes nas nascentes do travertino exposto ao sol (sombreado), associados a bactérias redutoras de sulfato (fotossintéticas), enquanto dendritos cristalinos precipitam a jusante. Fontes comuns e profundidades rasas de infiltração são deduzidas a partir de análises isotópicas das águas das nascentes e dos carbonatos. O envolvimento de fontes profundas de CO2 permanece incerto, embora os travertinos exibam [delta]¹³Ctrav na faixa de sistemas endogênicos; processos epígenos que poderiam explicar essas características são discutidos. Valores consistentemente mais baixos de [delta]13Ctrav no travertino sombreado sugerem controles microambientais nas assinaturas isotópicas, provavelmente devido à vegetação/solo mais espessa nesta margem. A mediação biótica é fundamental na deposição de tufas lacustres, com cianobactérias— especialmente Rivulariaceae—atuando como principais construtoras. Uma sequência multiestágio molda a mineralogia e microestrutura desses depósitos. A induração precoce dos substratos microbianos envolve a nucleação de nanopartículas ricas em Sr e Mg, precursores de aragonita e Mg-calcita, respectivamente. Segue-se um estágio construtivo de diagênese, caracterizado pela inversão de aragonita para Mg-calcita, aumento do tamanho dos cristais e cimentação por Mg-calcita. Com o declínio do nível do lago e a exposição dos depósitos à zona de arrebentação das ondas, uma fase destrutiva de diagênese, sob condições de maior energia, levou à micritização, dissolução/erosão da estrutura e sedimentação interna nos poros, apagando parcialmente as estruturas microbianas. Apesar das flutuações do nível do lago no Holoceno, impulsionadas por climas frios/úmidos e quentes/secos alternados, as composições [delta]13Ctufa-[delta]18Otufa exibem variabilidade limitada, consistentes com deposição sob condições relativamente frias ([menor ou igual a]12°C) e estáveis. Este trabalho ressalta o potencial dos carbonatos de nascentes de baixa temperatura como proxies para rastrear flutuações de biomassa em escalas (sub-)bacinais. Também fornece critérios para identificar carbonatos microbianos depositados em ambientes lacustres antigos de alta energia—uma fácies pouco representada no registro geológico; Abstract: Travertine and lacustrine tufa are widespread freshwater non-marine carbonates in the Quaternary record, serving as valuable paleoenvironmental proxies and analogs for ancient depositional systems. This study examines two small lowtemperature travertines with contrasting sun exposure at Laguna Amarga, and extensive lacustrine tufa build-ups featuring Lago Sarmiento (Chilean Patagonia, 51°S). These systems form in an unusual setting, developing under relatively cold and windy conditions in an area underlain by mudstone-dominated Cretaceous turbiditic deposits. The aim of this research is to constrain the environmental and biotic influence on carbonate precipitation and their depositional features, as well as to assess the potential role of endogenic processes in their formation. To achieve this, are integrate petrographic, mineralogical, and isotopic analyses of carbonates; physicochemical and isotopic analyses of spring and lake waters; and 16S rRNA gene sequencing of microbial mats from Lago Sarmiento. The spring waters exhibit typical features of travertines systems formed by CO2 evasion. Both deposits exhibit similar longitudinal variations in sedimentology and [delta]13Ctrav-[delta]18Otrav composition, resulting from hydrodynamic changes along the stream that influence biotic and kinetic effects on precipitation. Spherulitic carbonates composed of aragonite (calcite) form within biofilms in the vents of the sun-exposed (sun-shaded) travertine in association with sulfate reducing bacteria (photosynthetic bacteria), while crystalline dendrites precipitate downstream. Common sources and shallow infiltration depths are deduced from isotopic analysis of spring waters and carbonate. The involvement of deep CO2 sources remains unclear despite the travertines exhibit [delta]13Ctrav in the range of endogenic ones; possible epigean processes explaining these features are discussed. Consistently lower [delta]13Ctrav values in the sun-shaded travertine suggest microenvironmental controls on the [delta]13Ctrav signatures likely due to thicker vegetation/soil in this margin. Biotic mediation plays a fundamental role in lacustrine tufa deposition, with cyanobacteria–particularly Rivulariaceae–serving as the main framework builders. A multi-stage sequence shapes the mineralogy and microstructure of these deposits. Early induration of microbial substrates involves the nucleation of Sr- and Mg-rich nanoparticles, precursors to aragonite and Mg-calcite, respectively. This is followed by a constructive stage of diagenesis characterized by aragonite inversion to Mg-calcite, crystal size coarsening, and Mg-calcite cementation. As lake levels decline and deposits were exposed to the wave-breaking zone, a destructive diagenetic phase under higher-energy conditions led to micritization, dissolution/erosion of the framework, and internal sedimentation within pores, partly erasing the microbial structures. Despite Holocene lake-level fluctuations driven by alternating cold/wet and warm/dry climate, the [delta]13Ctufa-[delta]18Otufa compositions exhibit limited variability, consistent with deposition under relatively cold ([menor ou igual a]12°C) and stable conditions. This work underscores the potential of coldtemperature spring carbonates as proxies for tracking biomass fluctuations at (sub- )basin scales. It also provides insights for identifying microbial carbonates deposited in ancient high-energy lake settings—a poorly represented facies in the geologic record Orientador: Prof. Dr. Leonardo Fadel Cury; Coorientador: Prof. Dr. Mauricio Calderón Nettle; Tese (doutorado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Ciências da Terra, Programa de Pós-Graduação em Geologia. Defesa : Curitiba, 30/05/2025; Inclui referências

2025-01-01T00:00:00Z