Curso básico en exploración geotérmica para la integración regional. Edición 2016 MÓDULO II Exploración Geológica. Unidad V. 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
IGO
3.0
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3.0
BY-NC-ND)
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Índice Objetivos ............................................................................. 4 V.1 Criterios de clasificación geológicos-estructurales ................ 4 V.2 Sistemas asociados a volcanes activos ............................... 8 V.3 Sistemas asociados a emplazamientos plutónicos .............. 10 V.4 Sistemas extensionales amagmáticos .............................. 13 V.5 Otros casos de estudio ................................................... 16
Índice de Figuras Figura 5.1. Clasificación de los sistemas geotérmicos según factores geológicos estructurales ............................................................................. 8 Figura 5.2. Configuración geológica-estructural típica de un sistema asociado a volcanes activos. ......................................................................10 Figura 5.3. Configuración geológica-estructural típica de un sistema asociado a emplazamientos plutónicos ......................................................12 Figura 5.4. Esquema del típico sistema amagmático en ambiente extensional ..................................................................................................................15
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Unidad V. Modelos Geológicos Conceptuales
Objetivos
Establecer las principales características de los modelos geológicos conceptuales
Clasificar los sistemas geotérmicos
Determinar cuáles son sus principales controles
El texto a continuación está basado en el trabajo de Moeck (2014), que constituye la última actualización sobre los distintos tipos de modelos conceptuales de sistemas geotérmicos con fuerte énfasis en el contexto geológico-estructural. Se recomienda agendar el trabajo y tenerlo de referencia.
V.1 Criterios de clasificación geológicos-estructurales
El régimen térmico y el flujo calórico, el régimen hidrogeológico, la trayectoria de los flujos y su química, las fallas y fracturas, el campo de esfuerzos actual y las secuencias litológicas están todas controladas por la tectónica y son fundamentales para determinar el tipo de sistema
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geotérmico. En mayor o menor medida, todos estos elementos fueron tratados anteriormente. En esta instancia, combinaremos cada una de las características para caracterizar los distintos tipos de sistemas geotérmicos. Los sistemas geotérmicos se clasifican desde el punto de vista geológico
según:
ambiente
tectónico,
fuente
de
calor
(magmático-intrusivo o no magmático) y controles geológicos sobre mecanismos de transporte del calor, la forma de almacenamiento y la permeabilidad. En general, los sistemas geotérmicos se dividen en dos grupos según el tipo
de
transporte
de
calor:
dominados
por
convección
y
dominados por conducción. Los convección-dominados o activos (por su intensa dinámica de fluidos) están asociados a reservorios de alta entalpía, mientras que los conducción-dominados o pasivos están asociados a reservorios de baja entalpía. Ahora, ¿cuáles son las variables geológicas que condicionan el transporte de calor por convección o por conducción? Para que se produzca convección se necesitan dos condiciones: alta permeabilidad que permita la circulación y suficiente temperatura para motorizar el sistema. El control estructural tiene un efecto de primer orden sobre la permeabilidad y una alta permeabilidad permite altas velocidades de los fluidos. Un alto flujo térmico y una alta velocidad de los fluidos en 5 5 5
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condiciones de alta permeabilidad caracterizan a los sistemas convectivos. Magmatismo. Como el magmatismo es sinónimo de anomalía térmica superficial, un factor clave para definir sistemas es la presencia o ausencia de actividad ígnea 1 . La tectónica controla a la actividad ígnea y esta suele inducir tanto conducción como convección. Los sistemas convección-dominados necesitan cámaras magmáticas como fuente de calor, ya sea asociadas a volcanes o a cuerpos plutónicos graníticos. Alta pendiente. En terrenos con altas pendientes, la tasa de infiltración es alta y un gran volumen de agua superficial ingresa al circuito subsuperficial para fomentar sistemas convectivos. La carga hidráulica es importante en volcanes, pero también en montañas y en cuencas sedimentarias. Por lo tanto, la carga hidráulica es un factor importante en sistemas de alta y de baja entalpía. A modo de resumen:
Convección-dominados. Tectónica activa, volcanismo activo, plutonismo joven (<3 Ma) y/o alto flujo térmico por tectónica extensional. Terreno moderado a montañoso que favorecen la
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Existen dos formas para generar magmatismo o roca fundida. Una es arrastrar material de la
superficie hacia niveles profundos. Los materiales corticales funden cuando superan la isoterma de 700°C. Esto se da cuando litosfera oceánica se hunde debajo de la litosfera continental. La otra forma es a partir de una descompresión adiabática. Cuando la corteza se estira, se fractura y disminuye su espesor. Esto repercute en una menor presión bajo los materiales que están por debajo, por el manto.
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infiltración y aumentan el gradiente hidráulico. Están controlados por la actividad magmática en áreas volcánicas o fallas en ambientes extensionales o ambos.
Conducción-dominados. Tienen recursos de media a baja entalpía. Están ubicados en márgenes pasivos y/o poca o nula actividad tectónica y volcanismo reciente. Flujo térmico normal a bajo. Fluidos tienen que descender más para alcanzar alta temperatura. Las fallas tienen un rol fundamental: pueden ser conductos o barreras a la circulación de los fluidos y pueden inducir la compartimentalización del sistema.
La figura 5.1 muestra la clasificación de los sistemas geotérmicos (azules y naranjas) y en los ítems posteriores se describirá los principales modelos conceptuales para cada tipo.
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Figura 5.1. Clasificación de los sistemas geotérmicos según factores geológicos estructurales. EGS= sistemas petrotermales; FPC=fajas plegadas y corridas, montañas. Fuente: Hernan Barcelona.
V.2 Sistemas asociados a volcanes activos
Composición del volcanismo se relaciona con el espesor de la corteza y condiciona la temperatura del reservorio2.
Volcanes emplazados en corteza gruesa tienen reservorios con temperaturas menores a los emplazados en corteza delgada.
¿En cuales ambiente tectónico se dan las distintas composiciones de lavas? Los basaltos en las dorsales oceánicas (p.ej. Islandia), los basaltos-andesitas en los arcos de isla (p.ej. Java) y las andesitas y dacitas en los arcos volcánicos continentales (p.ej. Sudamérica o Taiwán) y en colisiones continente-continente (p.ej. periferia sur de los Alpes).
La dinámica de la cámara magmática controla la anomalía térmica.
Comúnmente se separan en zona de upflow y zona de outflow (p.ej. en los arcos volcánicos en océanos3 como Java).
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Aunque son comunes las excepciones.
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i.e. arcos de isla o arcos islándicos.
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Las manifestaciones geotérmicas en volcanes sobre continentes (p.ej. Centroamérica y los Andes sudamericanos) pueden tener, todas, características de outflow.
El objetivo de exploración y explotación es la zona de upflow.
El gradiente térmico en zona de outflow típicamente se incrementa a poca profundidad y declina por debajo de la capa de flujo lateral, por lo tanto
los outflow constituyen reservorios secundarios (media y baja temperatura) que pueden aprovecharse con pequeñas plantas que funcionen con baja tasa de flujo.
Los manantiales típicos de outflow suelen tener temperaturas entre 40-100°C y se asocian a depósitos de travertinos. Sin embargo, no se debe tomar como criterio la relación inversa: manantiales calientes no implica la presencia de fluidos geotérmicos de mayor temperatura en profundidad
Las manifestaciones superficiales típicas en zona de upflow: los manantiales ácidos asociados a rocas alteradas y fumarolas.
Las rocas típicas de reservorio son las volcánicas (coladas lava o ignimbritas) y las sedimentarias.
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Figura 5.2. Configuración geológica-estructural típica de un sistema asociado a volcanes activos. En la figura se presenta un estratovolcán maduro.
V.3 Sistemas asociados a emplazamientos plutónicos
Común
en
márgenes
colisión
continente-continente
transformes
o
plumas
(p.ej.
mantélicas
los
(p.ej.
Alpes), sistema
geotérmico Los Geysers).
Se diferencian de los sistemas volcánicos porque la anomalía térmica esta generada por los plutones (i.e. cuerpos ígneos generados por enfriamiento y cristalización del magma) y siempre
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se ubican por debajo de los 5 km de profundidad, mientras que en los volcánicos la anomalía térmica está representada por la cámara magmática que los alimenta.
La escala de la fuente calórica tiene fuerte dependencia de la edad del cuerpo intrusivo o Plutón.
Los términos de magmatismo activo, reciente e inactivo se refiere a plutones menores a 500 años, entre 500 y 50.000 años y mayores a 50.000 años, respectivamente.
Si es a gran escala, el magmatismo inactivo o extinto puede generar importantes sistemas geotérmicos por su calor remanente o por generación de calor radiogénico4.
Tienen típicos depósitos travertinos al final de las zonas de outflow.
Las rocas de reservorio son volcánicas y sedimentarias.
Los niveles de condensado y el origen de las capas sello Por lo general, la zona de upflow consiste en una capa vapor-dominado por arriba de una capa líquido-dominado. En conjunto, configuran una capa de condensado y se asocian a muy altas temperaturas. La condición necesaria para la formación de capas de condensado es una baja permeabilidad en profundidad (menor a 0.04 mD) a la profundidad de limite vapor-agua en sistemas vapor-dominados. En este límite es
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Calor generado por la desintegración radiactiva de elementos como el Torio o el Uranio. Estos
elementos se concentran comúnmente en los cuerpos ígneos.
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donde se desarrolla la capa sello, donde la alteración hidrotermal es máxima. Muchos autores piensan que la capa sello solo se forma por alteración hidrotermal intensa cuando se dan estas condiciones de borde. Y un ejemplo es el sistema geotérmico de Larderello. Esta corriente de pensamiento cree que las capas sello de origen netamente hidrotermal son
una particularidad y
que
las capas sello
son
generadas
comúnmente por una combinación de las propiedades intrínsecas de la roca original y la alteración pervasiva hidrotermal.
Figura 5.3. Configuración geológica-estructural típica de un sistema asociado a emplazamientos plutónicos. La secuencia sedimentaria adquiere un
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rol fundamental en el desarrollo del sistema. Si el terreno tiene zonas altas, en estas pueden desarrollarse fumarolas intensas. Fuente: Hernan Barcelona.
V.4 Sistemas extensionales amagmáticos
Un ejemplo de este tipo de sistemas es la parte norte de la Basin and Range.
La extensión cortical causa un aumento del flujo térmico.
Suelen estar asociado a fallas neotectónicas.
Carecen de magmatismo y son controlados por fallas o por zonas de acomodación de fallas.
En sistemas puramente controlados por fallas, la convección ocurre a lo largo de la falla y se combina con infiltración del agua meteórica a lo largo de la misma falla.
En sistemas controlados por acomodación de fallas, el fluido gotea de una falla a una capa permeable, donde se puede mover dentro de la zona de falla y ascender hasta la superficie.
Cuando los fluidos se apartan de la zona de ascenso, se mezclan con agua fría subsuperficial. Esto ocasiona que las aguas incrementen el contenido de bicarbonato y magnesio (típico de aguas meteóricas) y disminuya el contenido de B, sulfato y cloro (típica signatura geotérmica).
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El tiempo de circulación de las aguas está en el orden de los mil a 10 mil años.
La
mayoría
de
estos
sistemas
no
tienen
expresiones
superficiales. La exploración debe realizarse principalmente por métodos geofísicos.
Cuando hay manifestaciones superficiales, son depósitos de travertinos y de sílice. No hay fluidos ácidos.
El flujo de fluidos a través de las fallas está muy controlado por el estado de esfuerzos de la corteza. El modelado numérico de fallas puede ayudar a discernir, de un patrón complejo de fracturas, cuales son favorables para la producción de energía geotérmica.
Las estructuras más favorables son las dilatacionales.
Se necesita identificar claramente los gradientes hidráulicos y el potencial patrón de circulación de fluidos.
El reservorio está constituido por rocas volcánicas, plutónicas o sedimentarias.
Algunos ejemplos son: Dixie Valley. Oeste Turquía, el rift africano o la cuenca de Rhine, Europa central.
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Figura
5.4.
Esquema
del
típico
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sistema
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amagmático
en
ambiente
extensional (i.e. corteza que se estira y genera un incremento en el flujo térmico superficial). El sistema está fuertemente dominado por fallas. Note las trayectorias A (amarillo) y B (naranja). La trayectoria A indica infiltración por una gran falla normal, descenso del agua meteórica hasta una capa con alta permeabilidad donde el fluido se calienta y constituye un reservorio, migración lateral hasta encontrar fallas subverticales que facilitan el ascenso a superficie y la formación de las manifestaciones superficiales. La trayectoria B (naranja) implica recarga, infiltración profunda y outflow siempre sobre una misma falla (de rumbo). (modificado de Moeck, 2014)
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V.5 Otros casos de estudio Los sistemas conductivos se asocian a recursos geotérmicos de baja entalpía y se localizan en basamentos, en cuencas o montañas (sensu lato) bajo un gradiente geotérmico normal. Se ubican en zonas alejadas de actividad tectónica intensa, magmatismo o volcanismo reciente. Por lo tanto, se caracterizan por tener reservorios a gran profundidad (>3.000 m). Existen tres tipos de sistemas conductivos:
Sistemas petrotérmicos (o EGS, por enhanced geothermal system). Son sistemas con permeabilidad extremadamente baja, impermeables, y se los suele denominar sistemas de roca caliente (o HDR, por hot-dry rock). La fuente de calor la constituyen cuerpos graníticos5 con elevada producción de calor radiogénico que producen una anomalía térmica muy local. El reservorio se desarrolla mediante técnicas de estimulación, que consisten en fracturación de la roca, aumento de la superficie de contacto agua-roca y de la permeabilidad e inyección a presión de agua
superficial.
El
factor
fundamental
durante
la
exploración-desarrollo de estos sistemas es la determinación del campo de esfuerzo actual. Ej.: Soultz-sous-Foret en Francia.
Sistemas
en
fajas
plegadas
y
corridas
(cinturones
orogénicos). Transporte de calor por advección y por lo tanto, 5
Rocas con elevada producción de calor radiogénico (Torio y Uranio).
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es muy importante determinar la carga hidráulica que controla la circulación de fluidos. Están constituidos por capas con alta permeabilidad en profundidad y fallas profundas que actúan de vínculo entre la superficie y el subsuelo. Rara vez están asociados a reservorios hidrotermales. Suelen formar manantiales calientes clorurados sódicos asociados a depósitos salinos ricos en carbonatos.
Cuencas
sedimentarias
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intracratónicas.
Son
grandes
acuíferos profundos a más de 3 mil metros de profundidad. Tienen alta porosidad y alta permeabilidad o alta porosidad y baja permeabilidad. Suelen estar vinculados a cuencas en las que se explota petróleo y por lo tanto, hay un gran conocimiento geológico-estructural de las mismas
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En particular, las intracratónicas, que son las ubicadas alejadas de los márgenes de placas y
en zonas con muy baja actividad tectónica y una historia de sedimentación muy extensa.
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