Curso básico en exploración geotérmica para la integración regional. Edición 2016 MÓDULO II Exploración Geológica. Unidad IV. 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)
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Índice Objetivos ............................................................................. 4 IV.1 Manantiales, fumarolas y géiseres .................................... 4 IV.2 Alteración Hidrotermal .................................................. 11 IV.3 Inclusiones Fluidas ....................................................... 15 IV.4 Evidencias de la evolución espacial, temporal y térmica del sistema ............................................................................. 16 SÍNTESIS DE LA UNIDAD ................................................. 17
Índice de Figuras Figura 4.1. Lista de los geotermómetros minerales más frecuentes. .........13 Figura 4.2. Geotermómetros mineralógicos en función de la profundidad en pozos de distintos sistemas geotérmicos ...................................................14
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Unidad IV. Manifestaciones Geotérmicas y Evolución Natural del Sistema
Objetivos
Ponderar el reconocimiento de las manifestaciones geotérmicos en la exploración geológica y su aporte a la clasificación del modelo conceptual
Reconocer evidencias para inferir cual es la evolución espacial, temporál y térmica del sistema
Conocer cuales son las manifestaciones geotérmicas más comunes
IV.1 Manantiales, fumarolas y géiseres
Junto con los volcanes, los manantiales, fumarolas y géiseres son las más llamativas manifestaciones del calor interno de la tierra. La diferencia entre manantiales calientes, fumarolas y géiseres está en la temperatura y el estado del agua y en su comportamiento durante al descarga. Fumarolas. Las fumarolas son emisiones de gas vapor de agua y gases volcánicos en forma subordinada a través de fracturas a una temperatura
por
encima
del
punto
de
ebullición.
Son
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las
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manifestaciones más calientes y originan las superficies de alteración hidrotermal. Pueden estar presentes tanto en las laderas de un volcán como en las planicies de los valles, aunque su interpretación y su quimismo varia en ambos casos. Cuando surgen cerca del nivel freático local (p.ej. un rio, un arroyo) suelen estar fuertemente contaminadas con aguas superficiales y su quimismo puede cambiar. Los sumideros y conductos fumarólicos suelen tener incrustaciones minerales que incluyen compuestos sublimados y de reacción con las paredes de la roca. Estas incrustaciones son muy útiles para estudiar la química de zonas fumarólicas fósiles (i.e. actualmente no activas). Manantiales calientes. Son manantiales naturales donde el agua descarga en sumideros a alta temperatura (i.e. superior a la temperatura del cuerpo humano, 37°C; Pentecost et al., 2003) 1 . Representan las manifestaciones superficiales de un gran sistema hidrotermal. Las aguas calientes suelen tener alta concentración de elementos y estar sobresaturadas en muchos minerales. La interacción de los manantiales calientes con el suelo, la biosfera y las condiciones físico-químicas de la superficie generan gran cantidad de depósitos y estructuras. Los depósitos más comunes son los travertinos y los sinters. Los travertinos están constituidos por minerales de carbonato de calcio y suelen disponerse en forma de mantos. Existen dos grandes
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Definiciones más detalladas y clasificaciones se tratarán en el Modulo II.
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tipos: meteogénicos y termogénicos2. Los travertinos meteogénicos (o caliches) son productos de precipitado a partir de aguas frías y usualmente
presentan
actividad
microbiana,
fitoplancton
y
pedogénesis3. Debido a problemas en la clasificación, se recomienda usar el término depósitos salinos a este tipo de precipitados. Los travertinos termogénicos son rocas duras, laminadas, con texturas microscópicas coloidales, depositadas a partir de aguas calientes o hidrotermales que sufrieron una fuerte interacción con CO2 en subsuelo. Por supuesto, existe una gradación entre ambos depósitos: cerca de los sumideros se depositan los travertinos termogénicos y durante el escurrimiento y enfriamiento del agua en superficie, se forman los travertinos meteogénicos. Durante la exploración geotérmica es crucial discernir entre los mantos salinos por deposición de aguas superficiales (mucho más comunes y abundantes) de los travertinos termogénicos.
Mediante la datación de travertinos termogénicos por isotopos de carbono se puede inferir edad de los pulsos de actividad, temperatura del agua que los depositó y entender la evolución temporal y térmica el campo geotérmico.
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Algunos autores los clasifican en tufas y travertinos, reservando el termino travertinos solo a
los que se originan a partir de aguas calientes o hidrotermales. Esta discriminación es muy útil para en análisis desde el punto de vista geotérmico. Sin embargo, la literatura no suele discriminar los términos y por tal motivo no se adoptó esta clasificación. 3
Pedogénesis: proceso de formación del suelo. A diferencia de una roca, el suelo es la interface
entre la geosfera (las rocas), la biosfera, la atmosfera y la hidrosfera.
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Por otro lado, los sinters son depósitos (i.e. precipitados) de sílice amorfa alrededor de manantiales calientes y géiseres de aguas cloruradas sódicas neutras y saturadas en sílice. La deposición está controlada por el enfriamiento del agua, la evaporación y la acción microbiana. La solubilidad de la sílice en agua esta dramáticamente controlada por la temperatura. Por lo tanto, el reconocimiento de depósitos de sinters antiguos durante la exploración geotérmica implica reconocer zonas donde a) se vertía agua a muy alta temperatura b) donde el fluido geotérmico asciende desde el reservorio a superficie con mucha facilidad y sin importantes estadios intermedios de mezcla y c) el outflow no está fuertemente apartado del upflow. Además, la presencia de sinters solo puede explicarse por aguas geotérmicas que en profundidad están a más de 180°C. La presencia de depósitos de sinters implica aguas geotérmicas a temperaturas mayores a 180°C y ascenso rápido y con relativa facilidad desde el reservorio hasta la superficie. Otros depósitos comunes relacionados a manantiales calientes son las piletas de lodo, los conos efusivos y las crestas fisurales de travertinos. Cuando los manantiales calientes interactúan con suelos desarrollados o muy arcillosos pueden formar piletas o géiseres de lodo. Las piletas de lodo se caracterizan por poco aporte de agua muy ácida y cuando el aporte de vapor de agua es importante, forma los volcanes de lodo. Por otro lado, las crestas fisurales de travertinos son
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lóbulos muy elongados, a menudo crestas, de composición salina o de travertinos. Pueden medir varios metros de altura y su crecimiento está controlado por fracturas en profundidad. Su eje de máxima longitud se corresponde con la traza de la fractura, que puede no estar expuesta en superficie. Estudios de sus inflexiones pueden resolver la variación del campo de esfuerzos en el tiempo y discriminar las familias de fracturas permeables. Química. Aunque la química de los fluidos y sus inferencias serán tratadas con detalle en el Modulo III, presentaremos las características básicas que están ligadas al desarrollo del modelo geológico del sistema. Existen dos grandes tipos de manantiales calientes: los ácidos sulfatados y los clorurados-alcalinos. Las principales características de los manantiales ácidos-sulfatados son 1) tienen bajo pH 2) se asocian la interacción de un conducto fumarólico con un acuífero somero 3) ocurren preferentemente en las laderas de los volcanes y mucho menos corrientemente en los valles 4) están frecuentemente asociados a fumarolas y piletas de lodo y 5) pueden vincularse a zonas de upflow. Por el contrario, los manantiales clorurados-alcalinos 1) tienen pH neutro a ligeramente básico 2) se asocian a zonas de outflow y 3) pueden estar asociados a sinters silíceos y géiseres. ¿Cómo determinar el tipo de manantial caliente en forma expeditiva?
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Durante el relevamiento en campo, los geólogos especializados en geotermia llevan en su mochila un termómetro, peachímetro y conductivímetro. Cuando se encuentran con un manantial, marcan el punto GPS, describen la geología local y miden las características fisicoquímicas básicas de las aguas. Una de ellas es el pH. Si el pH es neutro
a
ligeramente
básico,
son
manantiales
clorurados-sódicos, mientras que si el pH es muy acido (<4), se está en presencia de manantiales ácidos-sulfatados. Además, la salinidad de las aguas puede estimarse con una simple medición de conductividad. Estas mediciones son muy expeditivas y sirven como guía durante la exploración en campo. Sin embargo, hay muchas excepciones y las conclusiones relevantes deben realizarse a partir de un estudio geoquímico de detalle. Géiseres. Los géiseres son un tipo de manantial caliente que se diferencian por su significativa cantidad de vapor y por la forma en que descargan el agua. Se desarrollan por la acumulación de vapor de agua en cavidades rocosas a poca profundidad, en sistemas similares a las trampas de los baños. La sobrepresión del vapor en las cavidades vuelve inestable termodinámicamente a los géiseres y provoca la súbita expulsión del vapor y del agua en forma periódica. Los géiseres pueden expulsar el vapor y el agua líquida desde conos de eyección (géiseres cónicos) o desde piletas (geiseres tipo pileta).
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Control estructural. Las tasas de descarga de fluidos geotérmicos solo se explican por facturas que controlan la permeabilidad.
Todas
estas
manifestaciones
termales,
además
de
las
alteraciones hidrotermales, ocurren preferentemente en las terminaciones de las fallas individuales y donde múltiples fallas se intersectan. La alta densidad de fracturas causa la reapertura de los canales que conducen los fluidos geotérmicos, aun cuando son selladas por precipitación mineral y alteración de sus paredes rocosas. Esto explica que estas zonas estén activas durante largos periodos de tiempo y generen potentes mantos de alteración hidrotermal. Las manifestaciones geotérmicos que no están asociadas a fallas se las puede denominar como asistemáticas, aunque se piensa que podrían generarse por fallas ciegas (i.e. no aflorantes).
El oro, la geotermia y los sistemas hidrotermales A partir de datos de los datos presentados por Weissberg et al (1979) y Pirajno (2009) se realiza en siguiente razonamiento. La descarga de un pozo contiene 0,00004 ppm de Au, entonces 32*106g de Au está contenido en 800 km3 de agua de descarga (1 tonelada de agua es un m3). Dada una tasa de descarga natural de 1.6*106 kg/h que se midió
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en Wairakei, los 800 km3 de agua termal pasaran a través del sistema en 57 mil años (una edad muy corta, casi instantánea en sentido geológico, donde las rocas demoran millones de años en formarse). En 300.000 años un total de 4.200 km3 de agua circulara por el sistema. Al considerar tasas de depositación muy conservadoras, en ese tiempo se formaría un yacimiento de 168 toneladas de oro! Entonces, un sistema geotérmico de alta entalpía es la expresión superficial de un tipo de sistema hidrotermal: el sistema epitermal activos. Siempre a contramano, la dicotomía hombre-naturaleza: buscamos energías “verdes” donde la naturaleza genera los próximos objetivos de la explotación minera.
IV.2 Alteración Hidrotermal4
Un fluido hidrotermal se define como una solución acuosa muy caliente que contiene solutos que comúnmente precipitan a medida que se modifican sus propiedades en espacio y tiempo. Los fluidos hidrotermales son muy reactivos y produce cambios fisicoquímicos en las rocas por las que circula. Estos cambios son las alteraciones minerales.
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Nota: en esta sección solo veremos los conceptos básicos sobre el tema. El análisis de las
variaciones espaciales y temporales y sus inferencias en la exploración geotérmica serán tratados en el ítem IV.4.
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El producto típico de la alteración hidrotermal son los minerales arcillosos, fibrosos y estables a condiciones de P y T menores a las de la roca original. Las zonas con intensa alteración hidrotermal sufren cambios en las propiedades
de
las
rocas,
alteran
su
densidad,
porosidad,
permeabilidad y modifican sus propiedades magnéticas y eléctricas, por lo que se pueden aplicar métodos geofísicos para determinar su presencia. Las zonas de alteración hidrotermal en superficie se caracterizan por ser blandas, inestables y susceptibles a erosión. Te imaginabas que… la precipitación por alteración hidrotermal es muy eficiente sellando las fracturas y puede inhabilitar la circulación de fluidos? Geotermómetros mineralógicos. Los minerales de alteración se forman a distintos rangos de temperatura y los más frecuentes se encuentran en la figura 4.1. Identificar estos minerales en superficie o en recortes de pozo es una buena aproximación a las condiciones de temperatura a la que se formaron. Por esto, se los denomina geotermómetros minerales.
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Figura 4.1. Lista de los geotermómetros minerales más frecuentes. Fuente: Hernán Barcelona.
¿Cuáles son los minerales que componen el reservorio y la capa sello en un sistema geotérmico? La figura 4.2 muestra una síntesis de estudios de alteración mineral en pozos profundos en tres campos geotérmicos muy distintos y de su observación se pueden sacar importantes conclusiones:
Los reservorios se corresponden principalmente con epidota y en forma subordinada, wairakita, biotita, adularia y granate
La capa sello comúnmente corresponde a asociaciones con illita, clorita, esmectita y/o ceolitas
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Aunque estas relaciones son muy variables entre los distintos sistemas, es un criterio de base para la exploración geotérmica. Y en este sentido, es importante recordar que
La epidota es un indicador de alta temperatura
La wairakita, adularia y en forma subordinada el cuarzo, pirita y calcita son indicadores de condiciones de permeabilidad
Un enfoque más completo para caracterizar la alteración mineral se enfoca en definir las asociaciones de minerales presentes y es muy útil el uso del concepto de zonación en la exploración geotérmica. Para más detalles, consulte el material complementario mc.IV.1_Alteración hidrotermal (6 páginas).
Figura 4.2. Geotermómetros mineralógicos en función de la profundidad en pozos de distintos sistemas geotérmicos. Los reservorios de estos sistemas
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geotérmicos se encuentran en los niveles verdes. La asociación Gt+Bio+Act corresponde a la alteración más intensa, denominada Potásica y común en sistemas porfíricos. Note la gran variación que puede haber dentro de un mismo campo geotérmico (el caso de Olkaria). La zona gris es cobertura superficial y rocas no alteradas. Datos obtenidos de Lagat, 2004, Cathelineau et al., 1983, y Rosenberg et al., 2009. Fuente: Hernán Barcelona.
IV.3 Inclusiones Fluidas5
Las
inclusiones
fluidas
son
pequeñas
burbujas
de
fluidos
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entrampadas dentro de un cristal durante su crecimiento y/o cristalización. Las inclusiones fluidas se obtienen de vetas mineralizadas en superficie o en recortes de perforaciones de pozo. Los principales aportes del estudio de inclusiones fluidas en exploración geotérmica son:
Estimación temperatura en subsuelo y en algunos casos, la presión
Determinación de estadios y zonas ebullición en subsuelo y perdida de CO2 disuelto
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Tipo de fluido hidrotermal (su salinidad)
Para mas información, se recomienda la lectura del material complementario
mc.IV.2_Inclusiones fluidas (5 páginas). 6
Son muy pequeñas. Su tamaño varía entre 1μm y 0.1 mm.
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Inferir sobre el origen de los fluidos, determinar de zonas de outflow, de upflow y patrones de circulación
Reconocer estadios previos del sistema y su actual evolución (i.e. si se está enfriando o calentando)
Es una excelente técnica para estudiar paleofluidos y comprender a los sistemas fósiles
La herramienta es más potente si se cuentan con varios pozos exploratorios
IV.4 Evidencias de la evolución espacial, temporal y térmica del sistema
La ubicación espacial de los manantiales calientes, fumarolas, geiseres, depósitos de travertinos y sinters, zonas de alteración hidrotermal e inclusiones fluidas junto con el entendimiento de la configuración geológica-estructural de una localidad se puede aplicar para determinar la evolución espacial, temporal y térmica de un sistema. Este enfoque, fundamental durante la exploración geotérmica, se presenta con un ejemplo en el material complementario mc.IV.3_Evidencias de la evolución espacial, temporal y térmica del sistema-un ejemplo (5 páginas).
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SÍNTESIS DE LA UNIDAD
Los travertinos termogénicos se pueden utilizar para determinar la edad de la actividad geotérmica y la temperatura del agua que los depositó.
Los sinters en superficie implican aguas geotérmicos a más de 180°C en profundidad
Todas las manifestaciones geotérmicos ocurren preferentemente en las terminaciones de fallas individuales o donde múltiples fallas se intersectan
Los sistemas geotérmicos son sistemas hidrotermales del tipo epitermal
Las zonas de alteración en superficie se caracterizan por ser blandas, inestables y susceptibles a erosión
La actividad hidrotermal es muy eficiente sellando fracturas y puede inhibir la circulación de fluidos
La epidota es un mineral que indica alta temperatura y se encuentra comúnmente en reservorios geotérmicos
La wairakita y adularia y en forma subordinada el cuarzo, pirita y calcita indican condiciones de buena permeabilidad
La capa sello esta comúnmente constituida por illita, clorita, esmectita y/o ceolitas
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Las inclusiones fluidas son pequeñas muestras del fluido geotérmico, actual o fósil
Con las inclusiones fluidas se puede estimar al temperatura en subsuelo, determinar zonas de ebullición, la salinidad del fluido hidrotermal
El estudio de inclusiones fluidas es una excelente técnica para estudiar paleofluidos y sistemas fósiles y/o la evolución continua de sistemas actuale
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