Cinética del Kerógeno: Una clave para estimar el potencial de generación de gas en el carbón

Por: Diana Margarita Garza-Cavazos¹*, Juan Josué Enciso-Cárdenas², Genaro de la Rosa-Rodríguez^1,2, Yuriko Yarel Bueno-Yamamoto^1,2, Luis Fernando Camacho-Ortegón², Arturo Bueno-Tokunaga², Diego de Jesús Martínez-Hernández²

Resumen

El carbón ha desempeñado un papel fundamental en el desarrollo energético mundial, aunque su uso ha disminuido ante la transición hacia fuentes más limpias. No obstante, en las últimas décadas ha despertado interés por un recurso almacenado en sus capas: el gas asociado al carbón, conocido como coalbed methane (CBM), considerado una fuente potencial de gas natural.

Este gas se origina durante los procesos de transformación térmica de la materia orgánica que origina el carbón. Este vínculo entre la evolución térmica y la generación de gas ha llevado a reconsiderar el papel del carbón, que deja de verse únicamente como un combustible sólido para entenderse como una materia prima con alto potencial de generación de gas natural.

En el contexto de la transición energética, el gas natural adquiere relevancia como una fuente más limpia y abundante de energía. En este marco, el coalbed methane (CBM) representa una de sus posibles fuentes, por lo que resulta esencial comprender los mecanismos químicos que controlan su formación y acumulación.

Comprender estos procesos implica analizar la velocidad y el comportamiento de las reacciones que transforman la materia orgánica en hidrocarburos, lo que constituye el campo de estudio de la cinética de transformación del kerógeno. A través de técnicas como la pirólisis y la reflectancia de vitrinita, es posible determinar el grado de madurez térmica y la capacidad generativa del carbón, información clave para evaluar su potencial como fuente de gas natural.

La integración de estos resultados en softwares de modelado de cuencas permite estimar con mayor precisión el potencial de generación de gas en capas de carbón. Este enfoque combina información geoquímica con parámetros de madurez térmica y cinética de transformación del kerógeno para reconstruir la historia de maduración del carbón y predecir la distribución del gas, ofreciendo una herramienta clave para el aprovechamiento sostenible de este recurso en el contexto de la transición energética.

Palabras claves: Cinética, Kerógeno, Carbón, Coalbed Methane

Abstract

Coal has played a fundamental role in global energy development, although its use has declined with the shift toward cleaner energy sources. In recent decades, however, interest has grown in a resource stored within coal seams: gas associated with coal, known as coalbed methane (CBM), considered a potential source of natural gas.

This gas originates during the thermal transformation processes of the organic matter that forms coal. The link between thermal evolution and gas generation has led to a renewed view of coal, not merely as a solid fuel, but as a raw material with high potential for natural gas generation.

In the context of energy transition, natural gas stands out as a cleaner and abundant energy source. Within this framework, coalbed methane (CBM) represents one of its potential sources, making it essential to understand the chemical mechanisms that control its formation.

Understanding these processes requires analyzing the rate and behavior of the reactions that transform organic matter into hydrocarbons, an area studied through kerogen kinetics. Techniques such as pyrolysis and vitrinite reflectance allow determining the thermal maturity and generative capacity of coal, providing key data for assessing its potential as a natural gas source.

Integrating these results into basin modeling software enables more accurate estimations of gas generation potential in coal seams. This approach combines geochemical data with thermal maturity and kerogen kinetic parameters to reconstruct the coal’s maturation history and predict gas distribution, offering a valuable tool for the sustainable use of this resource within the framework of the global energy transition.

Key words: Kinetics, Kerogen, Coal, Coalbed Methane

Introducción

Durante siglos, el carbón ha sido una de las principales fuentes de energía del mundo, impulsando locomotoras, fábricas y centrales eléctricas. Más allá de su valor como combustible, este material encierra una historia profunda sobre el pasado de la Tierra. En sus capas oscuras se conservan las huellas de antiguos ecosistemas y los procesos químicos que transformaron la materia orgánica en el carbón que hoy explotamos y estudiamos.

En el contexto de la transición energética, la búsqueda de fuentes más limpias ha reducido el uso directo del carbón (International Energy Agency [IEA], 2023). No obstante, este recurso mantiene su relevancia al estar estrechamente vinculado con el gas natural, considerado una alternativa estratégica por su combustión más limpia (IMCO, 2024; Wyczykier & Acacio, 2024). 

De esta manera, el gas natural no solo ofrece un suministro abundante y ampliamente distribuido, sino que también actúa como un combustible puente entre las fuentes fósiles tradicionales y las energías renovables. En este marco, el carbón adquiere un nuevo significado: además de su valor como combustible, representa una materia prima generadora de gas natural. Durante su proceso de formación y maduración, libera volúmenes importantes de metano que pueden quedar atrapados en sus capas, dando origen al coalbed methane (CBM), una fuente energética con gran potencial (Flores & Moore, 2024; Mohamed & Mehana, 2025).

Comprender los procesos que controlan la transformación térmica de la materia orgánica es esencial para evaluar este potencial. En este contexto, la cinética del kerógeno aplicada al carbón permite cuantificar la velocidad y el grado de las reacciones que liberan gas, así como estimar los volúmenes generados y retenidos (Behar’ et al., 1997; Ge et al., 2024). 

El campo de estudio analiza las reacciones químicas que ocurren bajo condiciones geológicas de presión y temperatura durante millones de años, describiendo los mecanismos de descomposición y reorganización molecular que conducen a la generación de metano (Burnham, 1999; Rice, 1993; Tissot, 2003; Tissot & Welte, 1984), proporcionando una herramienta valiosa para estimar el potencial gasífero de los mantos de carbón (Rice, 1993). 

De esta manera, el análisis cinético proporciona herramientas cuantitativas para responder preguntas clave como: ¿cuándo comenzó a generarse gas en el carbón?, ¿cuánto gas se ha producido hasta ahora?, y ¿cuánto podría generar en el futuro? Estas interrogantes se abordan mediante modelos cinéticos integrados en simulaciones computacionales que reproducen las condiciones de enterramiento y las temperaturas experimentadas en los yacimientos (Dembicki, 2017).

La información resulta esencial tanto para la exploración de gas asociado al carbón (Coal Bed Methane) como para la evaluación de riesgos relacionados a la acumulación de metano, un aspecto crucial para la seguridad en las operaciones mineras. 

Del material vegetal al kerógeno: el origen del gas

El carbón es el resultado de la transformación de antiguos restos vegetales depositados en ambientes anóxicos, como pantanos y marismas, que con el paso de millones de años quedaron sepultados bajo sedimentos. El aumento de la presión y la temperatura provocó una serie de cambios físico-químicos que transformaron este material orgánico en una roca rica en carbono (Alexandri-Rionda, 2010; González-Partida et al., 2024).

Con el tiempo, este proceso de transformación dio paso a una secuencia de cambios más profundos en la materia orgánica, conocidos colectivamente como coalificación. Durante esta evolución, los restos vegetales experimentan distintas etapas: humidificación, turbinificación, putrefacción, carbonificación y, en fases más avanzadas, metamorfismo, que modifican su composición química y estructura interna (Lemos de Sousa et al., 2012). Durante este proceso, los restos vegetales evolucionan desde turba hasta antracita, incrementando su contenido de carbono y perdiendo oxígeno e hidrógeno. 

La diagénesis marca la primera etapa en la transformación de la materia orgánica hacia el carbón. En esta fase, los restos vegetales parcialmente descompuestos se convierten en turba, un material rico en carbono en el que la actividad bacteriana genera metano biogénico, que corresponde al proceso inicial de formación gaseosa durante la coalificación.

A medida que aumenta el enterramiento y la temperatura, las condiciones se vuelven anóxicas y la transformación pasa a estar controlada por reacciones físico-químicas, influenciadas principalmente por el aumento en la temperatura. La presión y el calor favorecen la condensación y polimerización de las moléculas orgánicas, dando origen al kerógeno, una macromolécula insoluble que constituye el precursor directo de los hidrocarburos.

Con el avance del tiempo en la escala geológica, el kerógeno se descompone progresivamente, liberando gases como metano y dióxido de carbono. Este gas, generado por la acción del calor y la presión a mayores profundidades, se conoce como gas termogénico, y representa la principal fuente del coalbed methane (CBM) en los mantos de carbón maduros.

La capacidad del kerógeno para generar hidrocarburos depende del tipo de materia orgánica que le dio origen y del ambiente donde se formó. En función de ello, se reconocen tres tipos principales:

• Tipo I: Rico en lípidos, de origen lacustre, con tendencia a generar petróleo.
• Tipo II: De origen marino, capaz de producir tanto líquidos como gas. 
• Tipo III: Derivado de plantas terrestres, característico del carbón y generador predominante de metano. 

Esta clasificación se basa en la relación elemental entre hidrógeno, carbono y oxígeno, representada en el diagrama de Van Krevelen, que muestra la pérdida progresiva de oxígeno e hidrógeno durante la maduración térmica. (véase Figura 1).

Considerando el tipo de kerógeno, es posible inferir su comportamiento durante el proceso de maduración térmica y los tipos de hidrocarburos que genera; sin embargo, incluso dentro de un mismo tipo pueden presentarse diferencias sustanciales en su comportamiento. Por ejemplo, aunque el kerógeno Tipo III está principalmente asociado al carbón y produce predominantemente gas, en ciertos casos puede contener materia orgánica rica en lípidos, lo que posibilita la formación de pequeñas cantidades de aceite.

Las variaciones en el tipo de kerógeno, la edad, el ambiente de depósito y la composición original de las plantas influyen en la cinética de su transformación, determinando las diferencias en la cantidad y tipo de gas generado. Precisamente, el análisis de estos procesos, conocido como cinética de transformación del kerógeno aplicada al carbón, permite comprender el comportamiento térmico del carbón y su potencial para la generación de gas, tema que se aborda en la siguiente sección. 

La cinética de transformación del kerógeno aplicada al carbón

En el contexto de la transformación térmica del carbón, la cinética se refiere al ritmo en el que ocurren las reacciones químicas cuando el material orgánico es sometido a calor y presión bajo condiciones geológicas. Estas reacciones incluyen la liberación de compuestos volátiles, la ruptura de enlaces químicos (como C–H y C–O), la aromatización y la generación de metano y otros gases ligeros.

El proceso en el que se rompen estos enlaces producto del aumento paulatino de la temperatura se conoce como craqueo térmico. En este proceso, los enlaces químicos se rompen conforme aumenta la temperatura y, con ello, la energía del sistema, proporcionando la energía necesaria para la fragmentación molecular.

En el modelo clásico, presentado en la Figura 2, se propone que la ruptura de las moléculas del kerógeno (A) da lugar primero a compuestos heteroatómicos pesados, que posteriormente originan petróleo (B); esta etapa se conoce como craqueo primario. A medida que el calentamiento continúa, el petróleo formado se fragmenta en moléculas más pequeñas, generando gas (C) en lo que se denomina craqueo secundario. En el caso del carbón, cuyo material orgánico está constituido predominantemente por kerógeno Tipo III, este proceso no conduce a la formación de petróleo, sino principalmente de gas termogénico.

El proceso de craqueo primario y secundario, juega un rol importante en la transformación térmica de la materia orgánica. La velocidad y el grado con que ocurren estas reacciones depende de las condiciones de temperatura y tiempo de enterramiento, las cuáles determinan el grado de maduración térmica de la materia orgánica.

Este grado de maduración térmica refleja el nivel de transformación que ha experimentado la materia orgánica a lo largo del tiempo geológico. Mientras la maduración indica cuánto se ha transformado el material, la cinética describe qué tan rápido y de qué manera ocurre esa transformación. Ambos procesos están estrechamente vinculados: la cinética controla la velocidad de las reacciones que conducen al aumento de la madurez térmica. En conjunto, estos conceptos permiten comprender cuándo comienza la generación de gas, cuánto se ha producido y cuánto potencial generativo permanece en las rocas.

Con el fin de describir matemáticamente la relación entre temperatura y velocidad de transformación, y evaluar el comportamiento cinético del kerógeno, la mayoría de los modelos se sustentan en la ecuación de Arrhenius (Burnham & Braun, 1999):

donde:

• A es el factor preexponencial o factor de frecuencia, que representa la frecuencia con la que las moléculas colisionan entre sí;
• E es la energía de activación, es decir, la barrera energética que la reacción debe superar para proceder;
• R es la constante universal de los gases; y
• T es la temperatura absoluta (en kelvin).

En conjunto, A y E se conocen como parámetros cinéticos. Analizando la ecuación, se observa que:

• Si E aumenta (manteniendo A y T constantes), el término e^(-E/RT) disminuye, reduciendo la velocidad de reacción. Es decir, la reacción necesita más energía para avanzar.
• Si E disminuye, el término e^(-E/RT) aumenta, acelerando la reacción.
• Si T aumenta (manteniendo A y E constantes), también aumenta e^(-E/RT), lo que implica una mayor velocidad de transformación.
• Finalmente, A y k (T) son directamente proporcionales: al incrementarse A, la constante de velocidad y, por tanto, la rapidez de reacción también aumenta.

De manera sencilla, esto significa que la temperatura y la estructura molecular del kerógeno controlan el ritmo de generación de gas. Las estructuras con un mayor grado de aromaticidad, que suelen presentar enlaces químicos más estables y resistentes a la ruptura térmica, requieren una mayor energía de activación para transformarse. Esto explica por qué el kerógeno tipo III, de carácter generalmente más aromático y bajo en hidrógeno, tiende a generar predominantemente gas, mientras que los tipos más alifáticos favorecen la formación de líquidos

El hecho de que estas reacciones requieran mayores energías de activación implica también que solo ocurren a temperaturas más altas, lo cual, en un contexto geológico, se traduce en la necesidad de mayores profundidades de enterramiento para que la generación de gas termogénico tenga lugar.

Para determinar la velocidad a la que el kerógeno se transforma con el tiempo, es necesario considerar el comportamiento de la reacción. Esta puede acelerarse progresivamente, disminuir su velocidad conforme avanza, o presentar un comportamiento sigmoidal, es decir, una transformación rápida al inicio que luego se estabiliza.

Aunque factores como la presión también pueden influir en la velocidad de reacción, su incorporación en los modelos cinéticos es compleja. Por ello, la mayoría de los modelos se centran en la dependencia con la temperatura, expresada mediante la ecuación de Arrhenius, y en la función que describe el tipo de reacción:

Donde dα/dt representa la fracción de materia orgánica transformada α en el tiempo (t) y f(α) describe el modelo de reacción.

En el estudio del kerógeno y del carbón, este proceso suele representarse mediante reacciones sucesivas y paralelas de primer orden, las cuales permiten reproducir de manera más realista la descomposición progresiva del material orgánico a lo largo del tiempo (Burnham et al., 1996).

En este tipo de reacción, la velocidad depende directamente de la cantidad de materia orgánica que aún no ha reaccionado: al inicio del proceso, cuando el kerógeno es abundante, la transformación ocurre con mayor rapidez; conforme este se agota, la velocidad disminuye gradualmente.

Este comportamiento refleja de forma sencilla cómo la generación termogénica de gas se acelera durante las primeras etapas del calentamiento, alcanzando un punto máximo y luego decreciendo a medida que el material original se transforma por completo.

Aunque los modelos de primer orden son los más utilizados, existen otros mecanismos que pueden aplicarse en casos especiales, como las reacciones de segundo orden o los modelos de nucleación, cuando las características del kerógeno o las condiciones del experimento así lo requieren.

Dado el papel clave de la temperatura en el proceso de transformación del kerógeno, resulta fundamental conocer las condiciones térmicas a las que ha estado sometida la materia orgánica a lo largo del tiempo geológico. En particular, la temperatura máxima alcanzada constituye un parámetro decisivo, ya que determina el grado de maduración del kerógeno y con ello la cantidad de hidrocarburos generados desde el depósito hasta la actualidad.

Para este fin, uno de los indicadores más utilizados es la reflectancia de la vitrinita (Ro%), considerada un paleotermómetro capaz de registrar la temperatura máxima experimentada por la materia orgánica a lo largo del tiempo geológico. En la siguiente sección se profundiza en su principio, medición e importancia dentro del estudio de la maduración térmica y la cinética del kerógeno.

Reflectancia de la vitrinita: un termómetro de la historia térmica de las rocas

Comprender la maduración térmica de la materia orgánica es fundamental para reconstruir la historia térmica de una cuenca y desarrollar modelos cinéticos de generación de hidrocarburos. Para ello, resulta necesario identificar los cambios que experimenta la materia orgánica conforme aumenta la temperatura y la presión durante el enterramiento geológico.

Una de las herramientas más utilizadas con este fin es la petrografía orgánica, técnica que permite observar y caracterizar los componentes orgánicos presentes en las rocas sedimentarias mediante un microscopio con fotómetro, capaz de medir la reflectancia de la luz en partículas orgánicas llamadas macerales (De la Rosa-Rodríguez, 2018).

Los macerales son el equivalente orgánico de los minerales en una roca, y entre ellos, la vitrinita (derivada de tejidos vegetales leñosos) es especialmente relevante por su abundancia y por su capacidad de registrar las transformaciones térmicas que experimenta la materia orgánica. A medida que aumenta la temperatura, la vitrinita sufre cambios químicos y estructurales irreversibles que se manifiestan como un incremento en su reflectancia, lo que permite utilizar este parámetro como un indicador confiable del grado de madurez térmica del carbón y de otras rocas ricas en materia orgánica  (Mukhopadhyay, 1994).

El aumento de la reflectancia está directamente asociado con la generación de gas. En las primeras etapas del carbón (turba y lignito hasta el carbón sub-bituminoso), la producción es principalmente biogénica, mientras que en rangos más avanzados (carbones bituminosos y antracitas) predomina el gas termogénico, generado por la descomposición térmica del kerógeno. Este comportamiento sigue el patrón descrito por los modelos cinéticos, donde la producción de gas aumenta hasta un máximo y luego declina al agotarse el material orgánico reactivo (Figura 3).

Gracias a esta relación entre reflectancia, maduración térmica y generación de hidrocarburos, la reflectancia de la vitrinita se utiliza para calibrar los modelos cinéticos a las condiciones que predominaron en la cuenca sedimentaria, permitiendo estimar con mayor precisión las condiciones de temperatura y tiempo que impulsaron la transformación del kerógeno. 

Para evaluar experimentalmente estos procesos y cuantificar el potencial generativo del kerógeno, se emplean técnicas de pirólisis. Esta metodología permite simular en laboratorio las reacciones térmicas que experimenta el kerógeno durante su maduración, proporcionando información esencial sobre el tipo, la calidad y el estado de evolución térmica de la materia orgánica, así como sobre los parámetros cinéticos que describen su comportamiento. En la siguiente sección se detalla su fundamento y aplicación dentro del estudio cinético del carbón.

Pirólisis y su aplicación en el estudio de la cinética del carbón

La caracterización experimental de la maduración del kerógeno requiere técnicas capaces de reproducir, en condiciones controladas, los procesos térmicos que ocurren a lo largo de millones de años dentro de la corteza terrestre. En este contexto, las técnicas de pirólisis se han convertido en herramientas fundamentales para los estudios geoquímicos y cinéticos, ya que permiten simular en laboratorio la transformación térmica del kerógeno en un periodo de tiempo mucho más corto.

En términos generales, la pirólisis consiste en calentar una muestra orgánica en ausencia de oxígeno para inducir su descomposición térmica. En el laboratorio, este proceso se realiza a temperaturas controladas que aceleran las reacciones naturales de generación de hidrocarburos, reproduciendo los mecanismos que ocurren en las cuencas sedimentarias, aunque en condiciones más rápidas y simplificadas.

Actualmente, las técnicas de pirólisis son ampliamente utilizadas en geoquímica orgánica por su capacidad para evaluar el potencial generativo del kerógeno y cuantificar los productos generados (Vandenbroucke & Largeau, 2007). 

Existen diferentes tipos de pirólisis (de sistema abierto, cerrado e hidropirólisis), cada una con características específicas. Entre ellas, destaca la pirólisis Rock-Eval® (Figura 4), una técnica de pirólisis no isotérmica de sistema abierto, reconocida por su rapidez, precisión y capacidad para determinar la cantidad, calidad y madurez térmica de la materia orgánica (Behar et al., 2001). 

Durante el calentamiento progresivo de la muestra, el equipo registra los compuestos liberados en función de la temperatura, generando un pirograma (Figura 4). A partir de este, y mediante el ajuste matemático de curvas, se calculan los parámetros cinéticos (energías de activación y factores de frecuencia) que describen la velocidad de transformación del kerógeno (Figura 5) (Schenka & Dieckmann, 2004).

Estos parámetros constituyen la base de los modelos cinéticos que pueden integrarse en programas de modelado de cuencas como PetroMod®, lo que permite estimar de forma cuantitativa la cantidad de gas generada, acumulada y expulsada por el carbón a lo largo del tiempo geológico, y con ello inferir las posibles reservas disponibles.

En este proceso, la reflectancia de la vitrinita (Ro%) desempeña un papel clave como parámetro de calibración térmica, ya que permite validar los resultados del modelado al comparar los valores simulados con los medidos experimentalmente, garantizando que la evolución térmica y cinética representada sea coherente con la historia geológica real del sistema.

De esta manera, la pirólisis no solo proporciona una caracterización geoquímica integral, sino que también permite describir cuantitativamente el comportamiento térmico del kerógeno dentro del contexto evolutivo de una cuenca sedimentaria.

Conclusiones

• El carbón, además de su valor histórico como fuente de energía, representa una roca sedimentaria de origen orgánico con un alto potencial generativo de gas metano, conocido como coalbed methane (CBM). Este gas, considerado una forma de gas natural, adquiere relevancia estratégica dentro del marco de la transición energética por su capacidad de contribuir a un suministro más limpio y sostenible.
• La comprensión de los procesos que controlan la generación de gas en el carbón requiere analizar la cinética de transformación del kerógeno. Las técnicas de pirólisis, permiten determinar los parámetros cinéticos que describen su comportamiento, mientras que la calibración mediante reflectancia de vitrinita proporciona una estimación confiable del grado de maduración alcanzado.
• El comportamiento cinético del kerógeno puede variar en función de factores como la edad, el tipo de materia orgánica y el ambiente de depósito, lo que influye en la generación de hidrocarburos. Por ello, la precisión con la que los modelos cinéticos reflejan estas diferencias resulta determinante para determinar el potencial gasífero del carbón.
• La integración de modelos cinéticos calibrados dentro del modelado de cuencas constituye, una herramienta esencial para realizar estimaciones cuantitativas más confiables del gas asociado al carbón y optimizar su aprovechamiento como recurso energético.

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• ¹Centro de Estudios e Investigaciones Interdisciplinarias, Universidad Autónoma de Coahuila, Centro Cultural 2° piso. Ciudad Universitaria. Carretera México km 13. C.P., 25350, Arteaga, Coahuila, México.
• ²Centro de Investigación en Geociencias Aplicadas, Universidad Autónoma de Coahuila, Boulevard Simón Bolívar 303 A, Independencia, Nueva Rosita 26800, Coahuila, México.

Autor de correspondencia: Garza-Cavazos, D. M. dianagarzacavazos@uadec.edu.mx