ENEREG1 MÓDULO 2 unidad I

Curso básico en exploración geotérmica para la integración regional.

Edición 2016 MÓDULO II Exploración Geológica.

Unidad I. Material obligatorio

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Curso básico en exploración geotérmica para la integración regional

Edición 2016

Autor del curso: Banco Interamericano de Desarrollo (BID) (www.iadb.org), a través de su Sector de Integración y Comercio (INT) Coordinador del curso: Rodrigo Ernesto Vázquez Escalante Diplomado Especialista en Diseño de Contenidos y en Formación Pedagógica para universitarios por la Universidad del Salvador Banco Interamericano de Desarrollo (BID) (www.iadb.org), a través de su Sector de Integración y Comercio, el Instituto para la Integración de América Latina y el Caribe (www.iadb.org/es/intal), el Instituto Interamericano para el Desarrollo Económico y Social (INDES) (www.indes.org), y el Programa Regional de Entrenamiento Geotérmico (PREG) (www.geotermia.edu.sv ) Autor del Módulo: Hernán Pablo Barcelona, Doctor en Geología, Especialización en Geotermia, Investigador del Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas, Jefe de Trabajos Prácticos de Geología Estructural y Geotectónica en el Departamento de Geología de la Universidad de Buenos de Aires.

Coordinación pedagógica y de edición: El Instituto Interamericano para el Desarrollo Económico y Social (INDES) (www.indes.org ), en colaboración con la Fundación Centro de Educación a Distancia para el Desarrollo Económico y Tecnológico (CEDDET) (www.ceddet.org)

Copyright ©2016 Banco Interamericano de Desarrollo. Esta obra se encuentra sujeta a una licencia Creative Commons

Edición 2016

IGO

3.0

Reconocimiento-NoComercial-SinObrasDerivadas

(CC-IGO

3.0

BY-NC-ND)

(http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/igo/legalcode). Este documento es propiedad intelectual del Banco Interamericano de Desarrollo (BID). Cualquier reproducción parcial o total de este documento debe ser informada a: BIDINDES@iadb.orgCualquier disputa relacionada con el uso de las obras del BID que no pueda resolverse amistosamente se someterá a arbitraje de conformidad con las reglas de la CNUDMI (UNCITRAL). El uso del nombre del BID para cualquier fin distinto al reconocimiento respectivo y el uso del logotipo del BID, no están autorizados por esta licencia CC-IGO y requieren de un acuerdo de licencia adicional.Note que el enlace URL incluye términos y condiciones adicionales de esta licencia.Las opiniones incluidas en los contenidos corresponden a sus autores y no reflejan necesariamente la opinión del Banco Interamericano de Desarrollo.

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Índice Unidad I. Introducción a la Geología ........................................... 4 Objetivos ............................................................................. 4 I.0 Elementos geológicos de un sistema geotérmico .................. 4 I.1 Formación y estructura de la tierra ..................................... 8 I.2 Tectónica: conceptos generales ......................................... 9 I.3 Tectónica y anomalías térmicas ....................................... 14 I.4 Control tectónico sobre los sistemas geotérmicos ............... 16 SÍNTESIS DE LA UNIDAD ................................................. 17

Índice de Figuras Figura 1.1. Representación de los principales elementos geológicos de un sistema geotérmico. Fuente: Hernan Barcelona. ......................................... 7 Figura No. 1.2 Estructura interna de la tierra ............................................. 9 Figura No. 1.3 Epicentros sísmicos desde 1898 .........................................10 Figura No. 1.4 Tipos de márgenes de placas ..............................................12

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Unidad I. Introducción a la Geología

Objetivos  Familiarizarse con los aspectos geológicos que integran un sistema geotérmico; estos serán los objetivos de la exploración geológica.  Comprender los principios básicos de la tectónica y como esta condiciona a los sistemas geotérmicos.  Aprender conceptos básicos de la geología: tipos de roca y estratigrafía.

I.0 Elementos geológicos de un sistema geotérmico ¿Qué tienen en común las películas Forrest Gump (1994), Pulp Fiction (1994), 12 monos (1995), El club de la pelea (1998), Moulin Rouge (2001) o El curioso caso de Benjamin Button (2008), entre otras? Todas presentan una narración retroactiva en su inicio, todas comienzan por el final. Este texto también comienza por el final. A continuación se describen los principales elementos geológicos que comprenden a un sistema geotérmico1: 

Litologías y estratigrafía. (i.e. las rocas y el orden cronológico en que se disponen unas sobre otras). Las características de las rocas controlan la permeabilidad de las unidades, su capacidad de actuar

Nota: la idea es que puedan familiarizarse con los términos y sepan en que enfocar la atención

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a lo largo del texto.

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como

reservorios

y

rocas

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sello

(o

capa)

y

condiciona

el

almacenamiento de agua en subsuelo.  Estructuras.

Pueden

ser

fallas,

fracturas

o

diaclasas

(i.e.

discontinuidades de un medio, como una fractura de hueso).

Controlan los circuitos de circulación de fluidos y en consecuencia, el transporte de calor. Pueden afectar desde la superficie hasta el reservorio y ser la conexión con la fuente de calor. Son determinantes sobre el control de la zona de upflow.  Reservorio. Nivel o unidad geológica con alta permeabilidad (i.e. circulación de fluidos con facilidad). Es donde el fluido interactúa fuertemente con la roca caliente y se genera la mayor transferencia de calor desde la roca y hacia el fluido geotérmico.  Capa sello. Nivel o unidad geológica impermeable (i.e. fluidos no pueden atravesarla). Su función principal es aislar el reservorio de la superficie y acentuar el gradiente térmico existente entre ambos2.  Anomalía térmica, la fuente de calor. Puede radicarse en cuerpos magmáticos

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o rocas graníticas

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que emiten radiación por

desintegración de elementos radiactivos.  Zonas con alteración hidrotermal. Permiten inferir el control estructural y la evolución térmica del sistema a través del tiempo.

Son objetivos esenciales de la exploración geotérmica.

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Dejo la pregunta en el aire. Podría existir un sistema geotérmico sin capa sello?

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i.e. roca fundida con elevada temperatura respecto a su entorno.

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Las rocas graníticas son generadas por el enfriamiento de cuerpos magmáticos a

profundidades mayores a 10km.

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 Manantiales calientes, fumarolas y depósitos carbonaticos y/o silíceos. De su ubicación y relación con las estructuras se puede determinar aspectos clave como el control estructural, el tipo de reservorio en profundidad, la trayectoria de circulación profunda de los fluidos y el grado de interacción con el medio rocoso. En el módulo de geoquímica aprenderán a obtener mucha más información de estas manifestaciones geotérmicos.  Manantiales fríos. Permiten identificar características de los acuíferos subsuperficiales.  Acuíferos someros. Zonas donde se acumula y/o transita agua a poca profundidad). Pueden ser reservorios de agua potable o de aguas de mezcla dulce-geotérmica. Determinar su presencia es fundamental para controlar el impacto ambiental y para determinar distorsión en datos geoquímicos de manifestaciones geotérmicos.  Zona de upflow. Comúnmente asociadas a la formación de fumarolas o simple exhalación de gases en suelo con característica de composición química. Estos gases tienen poca migración lateral y por lo tanto se ubican sobre la fuente de calor. Están fuertemente controlados por fallas-fracturas. Usualmente difícil de determinar sin datos complementarios (geoquímica de gases de fumarolas o difusos en suelo).  Zona de outflow. Característica de zonas de manantiales calientes, fumarolas y zonas de alteración de baja temperatura.

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Figura 1.1. Representación de los principales elementos geológicos de un sistema geotérmico. Fuente: Hernan Barcelona.

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I.1 Formación y estructura de la tierra Formación. En la actualidad se acepta que la tierra se formó a partir del colapso gravitacional de una nebulosa primigenia. El choque y aglomeración de partículas dio lugar a la acreción terrestre e involucró la transformación de energía gravitatoria-cinética en energía térmica.

Este es el origen de la principal fuente de energía térmica de la tierra. A partir de entonces, la tierra funciona como una máquina que lentamente pierde su calor interno.

Estructura interna. Como resultado de la acreción terrestre y su enfriamiento paulatino, la tierra está diferenciada en distintas capas.

Un núcleo interno sólido, un núcleo externo líquido y un manto completan casi la totalidad de los 6.300 km del radio terrestre (Fig. 1.2).

Además, la tierra tiene un caparazón externo frío y mecánicamente rígido conformado por la parte más superficial del manto (litosférico) y la corteza (los últimos 10 a 70 km de los 6300 km). El conjunto del manto litosférico y la corteza conforman un caparazón externo frio y mecánicamente rígido, que se denomina litosfera.

Astenosfera. La litosfera flota y desliza sobre su límite térmico, que está definido por la isoterma de 1250°C. Inmediatamente por debajo se encuentra la astenosfera (parte del manto) y se caracteriza por presentar 1.5% de material fundido. Los continentes, montañas e incluso el fondo del suelo oceánico, que son parte de la corteza e

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integran la litosfera, se deslizan sobre la astenosfera provocando la denominada tectónica de placas.

Figura No. 1.2 Estructura interna de la tierra A la izquierda, la estructura interna de la tierra. A la derecha se muestra un detalle de la configuración litosfera-astenosfera. Se identifican las litosferas y cortezas oceánicas (a la izquierda) y continental (a la derecha). El ambiente representado es de subducción en un margen convergente (p.ej. los volcanes de El Salvador). Fuente: Hernán Barcelona.

I.2 Tectónica: conceptos generales Placas rígidas. Es interesante observar la distribución de terremotos en la tierra (Fig. 1.3): están distribuidos en delgadas líneas continuas.

Estas líneas iluminan los límites de parches de litosfera. Cada uno de estos parches o bloques se los denomina placas litosféricas.

Tipos de márgenes. La tectónica se puede entender como un proceso dinámico vinculado a las placas litosféricas que modula la forma en que la tierra pierde su calor interno. La mejor forma de visualizar la tectónica de placas y su dinámica es a partir de la descripción de los 3 tipos de límites de placas litosféricas:

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Figura No. 1.3 Epicentros sísmicos desde 1898 Distribución de epicentros sísmicos desde 1898. Las líneas verdes iluminan los límites de las mayores placas litosféricas. Hoy en día se identifican más de 200. (Fuente: John Nelson, VisibleEarth.NASA.gov, NCED.org, USGS, UC Berkeley).

 Divergentes o constructivos. Donde una placa se aleja de otra placa. Hay extensión de la corteza y asciende material caliente del manto. Se genera corteza oceánica y crece la litosfera. Es la zona por donde la tierra pierde más calor y donde se encuentran los mayores sistemas

geotérmicos.

Sin

embargo,

usualmente

forman

las

cordilleras centro-oceánicas, que se encuentran bajo el océano, y por lo tanto, no son objetivos durante la exploración. Cuando una cordillera centro-oceánica sale a la superficie, genera las excepciones (p.ej. los sistemas geotérmicos de Islandia).

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 Convergentes o destructivos. Las placas se acercan una a otra.

Colisionan y una desciende hacia el manto 5 más caliente y es parcialmente consumida. Estos márgenes pueden ocurrir sobre los continentes y bajo los océanos. Además, controlan la generación de volcanes y la ubicación de los principales sistemas geotérmicos.

Ejemplos de sistemas geotérmicos en estos márgenes convergentes son los de Ahuachapán o Berlín (El Salvador) y el de Larderello (Italia).  Transcurrentes o conservativos. La litosfera no se crea ni se destruye cuando las placas tienen un movimiento lateral relativo una respecto de otra. El ejemplo clásico es el de la falla de San Andreas en California, Estados Unidos. Estos márgenes no favorecen la generación de anomalías térmicas y por lo tanto no son de gran interés geotérmico.

Material audiovisual recomendado. Un video donde se explica el principio básico de la tectónica de placas. https://youtu.be/Kg_UBLFUpYQ Áreas activas. Las zonas de las placas que se encuentran cerca de estos límites, se les denomina zonas tectónicamente activas y es donde se concentran los sistemas geotérmicos de alta entalpía. Las

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. El proceso por el cual litosfera oceánica subduce sobre litosfera continental o

litosfera oceánica se denomina subducción.

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zonas alejadas de estos márgenes, como los márgenes pasivos (transición entre la corteza continental y corteza oceánica, como se da en toda la costa atlántica de Brasil o Estados Unidos) y zonas más antiguas, denominadas cratones. Es interesante recordar que: las zonas tectónicamente inactivas se les considera cuando no fueron perturbadas tectónicamente por 100 Ma, son zonas más frías y de menor interés geotérmico.

Figura No. 1.4 Tipos de márgenes de placas Representación esquemática de los 3 márgenes de placas litosféricas. Note que la dirección de las flechas blancas indica el sentido de movimiento de cada placa.

Cuando las flechas apuntan en sentido opuesto, las placas se están separando y definen los márgenes divergentes. Cuando las flechas convergen hacia una misma zona, definen márgenes convergentes. Y cuando las flechas indican desplazamientos

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que no implican convergencia ni divergencia, se definen los márgenes transcurrentes. (modificado de Simkin et al., 2006).

A continuación, dos pilares de la Geología: los tipos de rocas y la estratigrafía.

1. Tipos de rocas. La dinámica de las placas litosféricas es el causante de la generación de los distintos tipos de rocas que se encuentran en la superficie. Formalmente, una roca se define como un agregado de minerales que tiene cierto grado de litificación (cohesión del material).

Hay tres tipos de rocas: ígneas, sedimentarias y metamórficas.

Más detalles sobre esta clasificación y los distintos tipos de rocas se incluyen en el material complementario mc.I.16. Además, algunas rocas de origen volcánico comparten características con las rocas sedimentarias. Este tipo de rocas son las ignimbritas y las brechas volcánicas, entre otras.

Considerar. En sistemas geotérmicos de alta entalpía, las rocas más comunes, tanto en superficie como en subsuelo, son las volcánicas y volcano-sedimentarias (p.ej. depósitos volcánicos en el sistema geotérmico de Wairakei, Nueva Zelanda) y las rocas sedimentarias (p.ej. areniscas en el sistema geotérmico Cerro Prieto, Estados Unidos).

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Clasificación básica de las rocas (audiovisual de ‘9).

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2. Estratigrafía. La tectónica de placas también define el orden con que se depositan los sedimentos. La estratigrafía es una rama de la geología que estudia el orden cronológico de las secuencias de rocas. El principio de superposición de los estratos plantea que la unidad más antigua es la que se encuentra por debajo y las yacientes son más modernas. Además, el principio de corte y truncamiento plantea que si una unidad o una secuencia es instruida o truncada por otra unidad o estructura, esta unidad o estructura es más moderna que la unidad o secuencia inicial. Más detalles en el material complementario mc.I.27.

I.3 Tectónica y anomalías térmicas Estructura térmica. La estructura interna de la tierra (unidad I.1) determina su estructura térmica

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. Básicamente, la temperatura

aumenta progresivamente con la profundidad. La función que describe la temperatura en la litosfera según la profundidad se llama geoterma.

Para fines prácticos, en geotermia se utiliza el termino gradiente

7

Principios básicos de estratigrafía (audiovisual de ‘9).

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La estructura térmica se refiere a la distribución de temperatura en subsuelo. Existe una

disminución paulatina y no homogénea entre los más de 6000°C del núcleo de la tierra respecto a los 20°C de temperatura media sobre la superficie terrestre. Las grandes discontinuidades térmicas se dan entre las transiciones núcleo-mando y entre el manto inferior y el manto superior. Sin embargo, solo nos preocuparemos en variaciones térmicas a nivel de la corteza, único objetivo exploratorio actual.

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térmico, definido como la derivada parcial de la temperatura respecto de la profundidad (∂T/∂z). ¿A qué profundidad se encontrarán los fluidos geotérmicos de alta entalpía?

Considere que usted es un empresario que quiere realizar un emprendimiento en la parte central o costa atlántica del continente norteamericano, en la mayoría del territorio sudamericano, en todo el continente australiano o en buena parte de la India o China. Estas zonas se ubican sobre litosfera continental estable (i.e. zona tectónicamente inactiva) y los primeros 15 km de la corteza continental tienen un gradiente térmico de 25-40°C/km.

Si el objetivo es obtener un recurso geotérmico a partir de fluidos a 300°C, estos fluidos deberán haber penetrado hasta una profundidad de 10km o más. Entonces, habría que perforar 10 km de rocas para obtener el recurso! Esto tiene una gran cantidad de inconvenientes técnicos y económicos que hacen hoy día inviable el proyecto.

Sin embargo, los sistemas geotérmicos más reconocidos no superan los 2500 m de profundidad. ¿Por qué? ¿Por la existencia de anomalías térmicas? ¿Y que controla su ubicación? La tectónica de placas.

Anomalía térmica. Existen una gran variedad de procesos tectónicos que distorsionan la estructura térmica unidimensional 9 planteada y

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i.e. varía solo con la profundidad.

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generan anomalías térmicas. Una anomalía térmica está definida por la instauración de un gradiente de temperatura lateral (i.e. en la horizontal). La instauración de una anomalía térmica en la litosfera genera un mayor gradiente geotérmico y por consiguiente, los fluidos deben

descender

a

menor

profundidad

para

alcanzar

altas

temperaturas. Los sistemas geotérmicos de alta entalpía siempre se asocian a anomalías térmicas. Por el contrario, los sistemas geotérmicos de baja entalpía se vinculan a zonas con gradiente geotérmico normal.

La tectónica controla la instauración de anomalías térmicas, que a su vez son las que controlan la generación de sistemas geotérmicos de alta entalpía.

I.4 Control tectónico sobre los sistemas geotérmicos

Existen al menos 5 configuraciones tectónicas que, gobernados por anomalías térmica asociadas a la presencia de magmas o alto flujo térmico regional, dan lugar a los sistemas geotérmicos en condiciones de alto gradiente geotérmico (alta entalpía): volcanes, rift activos, dorsales centro-oceánicas y ambientes extensionales asociados a plumas mantélicas.

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En este sentido, el conocimiento de la configuración tectónica de una región implica el primer método de exploración geotérmica.

Además, las cuencas sedimentarias y los cinturones orogénicos (i.e. montañas en general) son ambientes propicios para el desarrollo de interesantes sistemas geotérmicos de baja entalpía. Para definiciones y más detalles sobre estas configuraciones, consultar el material complementario mc.I.310.

SÍNTESIS DE LA UNIDAD

 Tres de los principales elementos geológicos de los sistemas geotérmicos son: las litologías (i.e. tipo de rocas), la estratigrafía (i.e. como se disponen cronológicamente) y las estructuras (p.ej. fallas y fracturas).  Entender la tectónica es el primer método de exploración porque controla el desarrollo de anomalías térmicas.  Las anomalías térmicas favorecen la formación y determinan la ubicación de sistemas geotérmicos.  Los sistemas geotérmicos de alta entalpia se encuentran en zonas tectónicamente activas y están vinculados a actividad magmática.

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Control tectónico sobre los sistemas geotérmicos (4 páginas).

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 Los límites de placas divergentes y convergentes favorecen la formación de sistemas geotérmicos. Ej: Islandia y Larderello, respectivamente.  Los sistemas geotérmicos de baja entalpía se ubican en zonas donde no hay significativa tectónica, magmatismo o volcanismo reciente.  Existen tres tipos de rocas: ígneas (plutónicas y volcánicas), sedimentarias y metamórficas.  Las rocas volcánicas son muy variadas, no se ven cristales a simple vista y son las dominantes en los sistemas geotérmicos.  Las ignimbritas son rocas volcano-sedimentarias muy frecuentes en los sistemas asociados a volcanes.  Los granitoides son rocas ígneas plutónicas de grano grueso.

Son las rocas ornamentales que se usan para decorar cocinas, casas y edificios.

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