ENEREG1 MÓDULO 3 by Ceddet

Curso básico en exploración geotérmica para la integración regional. Edición 2016 MÓDULO III Exploración Geoquímica I.

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 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: Álvaro Josué Amaya Arévalo, Hidrogeólogo, Ingeniero Químico, catedrático de la Universidad de El Salvador y Consultor en geotermia. 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)

Edición

licencia Creative Commons IGO 3.0 Reconocimiento-NoComercial-SinObrasDerivadas (CC-IGO 3.0

2016

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Curso básico en exploración geotérmica para la integración regional

Edición 2016

Índice Índice ..................................................................................... 3 Índice de Figuras ...................................................................... 5 Índice de Tablas ....................................................................... 6 Glosario................................................................................... 8 Presentación de Módulo ........................................................... 10 Objetivo del módulo ................................................................ 11 Preguntas orientadoras de aprendizaje ...................................... 11 Unidad I. Geoquímica en sistemas geotérmicos y técnicas de exploración ............................................................................ 12 Objetivo de aprendizaje........................................................... 12 I.1. Introducción a la unidad .................................................... 12 I.2

Componentes

geoquímicos

reservorios

geotérmicos

características. ....................................................................... 13 I.3 Fundamentos de termodinámica y equilibrio químico en sistemas geotérmicos. .......................................................................... 20 I.4 Aplicación de técnicas de exploración geoquímica en exploración geotérmica. ........................................................................... 31 Síntesis de la unidad ............................................................... 36 Unidad II. Clasificación de Fluidos Geotérmicos .......................... 39

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Edición 2016

Objetivo de aprendizaje........................................................... 39 II.1. Introducción a la unidad ................................................... 39 II.2 Clasificación de fluidos a través de composiciones químicas en agua. .................................................................................... 40 II.3. Clasificación de fluidos a través de composiciones químicas en gases. ................................................................................... 54 II.4 Procesamiento de datos e interpretación de resultados.......... 57 Síntesis de la unidad ............................................................... 64 Unidad III. Estimación de Temperaturas en Reservorios a través de Geotermómetros .................................................................... 68 Objetivos de aprendizaje ......................................................... 68 III.1. Introducción a la unidad .................................................. 68 III.2 Clasificación y definición de geotermómetros. ..................... 68 III.3 Procesos y características posibles en fluidos geotérmicos. ... 73 III.3.1. Mezclas y ebullición. .................................................... 74 III.3.2. Otros procesos de reservorios caracterizados a partir de temperaturas geotermométricas. .............................................. 78 III.4 Procesamento y cálculos Geotermómetricos ........................ 82 Síntesis de la unidad ............................................................... 90 Referencias Bibliográficas ....................................................... 92

4 4 4

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Índice de Figuras

Figura 1.1 Componentes de un sistema geotérmico ....................13 Figura 1.2 Sección transversal esquemática de un sistema hidrotermal volcánico típico en los volcanes arco andesiticos activos ..............16 Figura 1.3 Evolución de un sistema geotérmico ..........................18 Figura 1.4 Procesos hidrotermales que modifican el estado inicial de los reservorios geotérmicos .....................................................19 Figura 1.5 Reacciones químicas en reservorios geotérmicos .........26 Figura 1.6 Dinámica de los gases no condensables en reservorios geotérmicos ...........................................................................29 Figura 1.7 Indicaciones para análisis geoquímico de muestras sólidas, liquidas y gaseosas en la exploración geotérmica ........................31 Figura 1.8 Esquema de muestreo de gases en lagunas y fumarolas hidrotermales.........................................................................39 Figura 2.1 Potencial iónico de elementos ...................................41 Figura 2.2 Diagrama de Piper para clasificación de aguas ............48 Figura 2.3 Ejemplo de uso de gráficos rectangulares de D'amore y Panichi para clasificación de aguas............................................53 Figura 2.4 Concentraciones relativas de He, Ar, N2 y en varios gases asociados procedentes de diferentes contextos tectónicos............56 Figura 2.5 Ubicación de porcentajes en diagrama ternario ...........58 Figura 2.6 Ubicación de sitio en romboide de clasificación de aguas ............................................................................................59

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Figura 2.7 Zonas de clasificación en diagrama de Piper Langelier ..60 Figura 2.8 Ejes de diagrama de Stiff modificado .........................62 Figura 2.9 Diagrama de Stiff modificado ....................................63 Figura 2.10 Ejemplo de Diagrama de Schoeller ...........................64 Figura 3.1 Ecuaciones geotermometricas para gases ...................73 Figura 3.2 Grafico de Cloro vs boro ...........................................79 Figura 3.3 Grafico de entalpia vs cloro.......................................77

Índice de Tablas

Tabla 1 Propiedades químicas generales de magmas y rocas en sistemas geotérmicos ..............................................................17 Tabla 2 Tipos de fusión para minerales ......................................21 Tabla 3 Tipos de fusión para rocas ............................................22 Tabla 4 Tipo de fusión para generación de magma ......................23 Tabla 5 Resumen sobre muestras superficiales ...........................36 Tabla 6 Potencial iónico relacionado a solubilidad ........................41 Tabla 7 Elementos químicos en fase acuosa y su descripción en los sistemas geotérmicos ..............................................................42 Tabla 8 Clasificación de Aguas ................................................41 Tabla 9 Ejemplo de porcentajes iones mayoritarios para ubicación en diagrama ternario ...................................................................58

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Tabla 10a Ejemplo de datos de aniones mayoritarios para transformación de unidades .....................................................61 Tabla 10b Ejemplo hipotético de datos para cambio de unidades de concentración.........................................................................62 Tabla 11 Explicación de hojas de cálculo y gráficos geoquímicos liquid_analysis_v3_powell-cumming_2010_stanfordgw.xls ..........69 Tabla 12 Explicación de hojas de cálculo y gráficos geoquímicos gas_analysis_v2_powell-cumming-2010-stanfordgw.xls ..............66 Tabla 13 Geotermómetros de Sodio y Potasio.............................69 Tabla 14 Geotermómetros de Sodio , Potasio y Calcio .................69 Tabla 15 Geotermómetros de Sílice ...........................................69 Tabla 16 Grupos de componentes disueltos en función de su comportamiento .....................................................................74 Tabla 17 Procesos geoquímicos asociados a relaciones geotermométricas .................................................................82 Tabla 18 Explicación de hojas de cálculo y gráficos geoquímicos liquid_analysis_v3_powell_cumming_2010_stanfordgw.xls ..........86 Tabla 19 Explicación de hojas de cálculo y gráficos geoquímicos gas_analysis_v2powell-cumming-2010-stanfordgw.xls ................90

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Glosario

Acuoso

Aluminio

Argon

Boro

Calcio

CH4

Metano

Cloro

CO2 CO3

Dioxido de carbono 2-

Ion carbonato

Capa sello

Cesio

etc.

Etcetera

Fluor

Hierro

Gas

H-2 (2H)

Isotopo de hidrogeno, deuterio

Hidrogeno

H2O

Agua

H2S

Sulfuro de Hidrogeno

HCl HCO3

Acido clorhidrico -

Ion bicarbonato

Acido fluorhidrico

Entalpia de liquido

Entalpia intantanea o medida

Entalpia de vapor

Potasio

Litio

liq

Liquido

Magnesio

Nitrogeno

Sodio

NBS-14

Air National Bureu of Standards

NH3

Amoniaco

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N/R

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No restringida

O-18 (180)

Isotopo de oxigeno 18

Oxigeno

P-T

Presion-Temperatura

Calor

Qtz

Cuarzo

Reservorio

Rubidio

SiO2

Silice

SO2

Oxido de azufre

TDS

Solidos totales disueltos

Temperatura local, instantanea o medida

TNaKCa

Temperatura de Sodio Potasio Calcio

TSiO2

Temperatura de silice

Vap

Vapor

VSMOW

Viena Standard Mean Ocean Water

αx-y

Fraccionamiento isotopico

Σ(-) o Σ(+)

Sumatoria de iones

positivos

(cationes)

negativos

(aniones)

9 9 9

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Presentación de Módulo Una de las principales virtudes de los estudios geoquímicos es que aportan información preliminar de la temperatura del reservorio en profundidad, estimación de la recarga, descarga, movimiento de los fluidos y fallas, entre otras información que en conjunto con las demás técnicas permite delimitar de manera significativa las regiones de estudio. Para el desarrollo de exploraciones en proyectos geotérmicos es necesaria la ejecución de estudios multidisciplinarios, con la finalidad de poder reducir zonas de gran amplitud geográfica a zonas más específicas que reduzcan así el riesgo a fracaso durante la etapa de perforación. En un punto intermedio de esta delimitación territorial se encuentran los estudios geoquímicos, los cuales aportan elementos importantes para definir las zonas de interés mediante la aplicación de diversas técnicas. Las aplicaciones de la geoquímica no se encuentran únicamente destinadas a uso en la etapa de exploración ya que estas pueden proporcionar valiosa información sobre la evolución del recurso; sin embargo estas aplicaciones se encuentran fuera de los objetivos del presente curso, en el cual se espera que el estudiante pueda relacionarse principalmente con las técnicas geoquímicas de exploración y comprenda las formas en que los resultados de la aplicación de los mismos pueden integrarse en el desarrollo de un modelo geoquímico conceptual.

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Objetivo del módulo Aplicar herramientas geoquímicas de análisis durante la etapa de exploración geotérmica para la elaboración de un modelo geoquímico conceptual que sinteticen los elementos geoquímicos tales como: clasificación de fluidos, origen y el movimiento de los mismos en el sistema, zonas de ascenso de gases, estimación de temperatura del reservorio, procesos físicos del reservorio, indicadores geoquímicos, identificación de la zona de recarga y descarga, isotopos en sistemas geotérmicos y su utilidad, etc.

Preguntas orientadoras de aprendizaje ¿Cuáles son las herramientas de exploración geoquímica que se utilizan en geotermia? ¿Qué elementos únicos y elementos comprobatorios provee el modelo geoquímico conceptual al modelo geotérmico integrado?

11 11

Unidad

Geoquímica en Sistemas Técnicas de Exploración

Geotérmicos

Objetivo de aprendizaje Describir las metodologías y herramientas utilizadas durante el análisis de datos geoquímicos.

I.1. Introducción a la unidad En esta unidad usted aprenderá a aplicar conceptos claves sobre geoquímica en sistemas geotérmicos y técnicas de exploración, además

distinguirá

los

elementos

geoquímicos

indicadores

geoquímicos en un reservorio, podrá aplicar algunas variables de termodinámica aplicada a sistemas geotérmicos y podrá utilizar una guía para aplicación de técnicas de exploración geoquímica y muestreo de fluidos geotérmicos en actividades futuras.

12 12

I.2 Componentes geoquímicos de reservorios geotérmicos y características.

Elemento: Sustancia

Figura 1.1 Componentes de un sistema geotérmico

mismas

COMPONENTES DEL SISTEMA

características.

básicamente

geotérmica una

tarea

geocientíficos logran identificar los elementos

básicos

y forjan una

historia y esquema coherente de él,

Posee siempre el

las

mismo número de protones en el

FLUIDO

centro de sus

•LIQUIDO •GAS

átomos

exploración

conocimiento del sistema, si los

conformada por átomos de las

probabilidades

efectivamente

localizar

recurso

factibilidad

aumentan

considerablemente. En esta sección se estudian los elementos básicos de un sistema geotérmico, los cuales se ROCA •TIPO DE RESERVORIO E INTRUSIÓN •CAPA SELLO •CAPAS SUPERIORES

muestran en el esquema de la Figura 1.1. El papel de la geoquímica en la exploración geotérmica requiere del conocimiento

general

los

elementos que forjan “la historia del CALOR •MECANISMOS: ADVECCIÓN, CONVECCIÓN Y RADIACIÓN •ORIGEN: MAGMÁTICO, SUBDUCCIÓN

sistema”

para

así

aportar

parámetros

coherentes

conocimiento

específico

y que

encajen con el modelo conceptual geoquímico y luego integrarlo al

PERMEABILIDAD

modelo del campo geotérmico.

•INTERACCIÓN AGUA ROCA

Fuente: Elaboración propia

13 13

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Efectivamente ¿Es como un rompecabezas?

como

Edición 2016

rompecabezas

incompleto

que

necesariamente debemos de completar en su totalidad, en la etapa de exploración, basta con localizar los elementos claves que nos permitan tomar buenas decisiones sobre el curso de las actividades propias de cada una de las etapas siguientes a desarrollar.

Hay que valerse de todos los conocimientos previos para avanzar,

Tenemos alguna pista para empezar?

especialmente en la primera fase de la etapa de exploración geoquímica, por ejemplo, independientemente de la localización del reservorio a estudiar, se sabe que los elementos del sistema no pueden violar las leyes de la física, química, ni termodinámica, y también ya se tienen muchos estudios acerca del comportamiento de estos elementos en otros sistemas geotérmicos: fluido, calor, roca y permeabilidad en condiciones diversas de equilibrio, madurez y para diversos procesos de reservorios geotérmicos. Es por eso que en esta unidad iniciaremos conociendo los conceptos fisicoquímicos

que por sí mismos nos dan

piezas iniciales del rompecabezas. Finalmente todos los sistemas brindan indicios ya sea en superficie o en el subsuelo que iremos conociendo y utilizando poco a poco tanto en las etapas de exploración como las de explotación del recurso.

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En resumen, en la primera fase de esta etapa de exploración se tiene un esquema teórico y herramientas que se deben de conocer preestablecidamente. En esta unidad, se presentarán los conceptos claves de ese esquema general para posteriormente utilizar las herramientas geoquímicas y aprovecharlas al máximo.

En la figura 1.2, se puede apreciar una sección transversal hipotética que muestra la interacción más general de los elementos de los sistemas geotérmicos mostrados en la figura 1.1. ¿Logras apreciar que de los componentes fluidos (liquido, gas), rocas (tipo de reservorio e intrusión, capa sello, capas superiores), calor y ¿Puedes

permeabilidad (interacción agua roca) no están fijos?, algunos de ellos

localizar los

son más móviles que otros pero en general todos poseen un

elementos en

comportamiento dinámico. Por lo tanto, luego de localizar los

la figura 1.2?

elementos, puedes analizar este otro ejercicio: Imagina 2 momentos con esos mismos elementos: Estado inicial y estado final o actual. El anterior razonamiento nos será de utilidad más adelante.

15 15 15

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Figura 1.2 Sección transversal esquemática de un sistema hidrotermal volcánico típico en los volcanes arco andesiticos activos

Fuente: de(Hedenquist , 1986) extraído de (Marini L. , 2004).

Para enfocarnos en la etapa inicial, empezaremos a analizar el componente calorífico. La Tabla 1 muestra las características químicas generales de magmas y rocas en un sistema geotérmico.

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Tabla 1 Propiedades químicas generales de magmas y rocas en sistemas geotérmicos

TIPO DE MAGMA Y ROCA VOLCÁNICA

BASÁLTICA

ANDESITICA

RIOLITICA

Gabro

Diorita

Granito

Alto contenido en

Contenido

Bajo contenido de Fe,

Fe, Mg, Ca. Y bajo

intermedio de Fe,

Mg, Ca. Alto

en K, Na

Mg, Ca, K, Na

contenido en K, Na

% SiO2 45-55

% SiO2 55-65

% SiO2 65-75

TEMPERATURA

1000- 1200 oC

800 - 1000 oC

650 - 800 oC

VISCOSIDAD

Baja

Intermedia

Alta

CONTENIDO DE GASES

Bajo

Intermedio

Alto

FORMADA ROCA PLUTÓNICA FORMADA

QUÍMICA DE LA ROCA

Fuente: Adaptado de (Earth Science Australia, 1995-2016)

La Tabla 1 será de utilidad también más adelante cuando hablemos sobre la termodinámica de los sistemas de reservorios, Para utilizar la Tabla 1, ya deberíamos de tener clasificaciones propias del sistema en la etapa de exploración geológica.

17 17 17

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Figura 1.3 Evolución de un sistema geotérmico Fuente: Elaboración propia, basado en (Haizlip, 2014)

ESTADO FINAL DEL SISTEMA ESTADO INICIAL DEL SISTEMA

FLUIDO •LIQUIDO: Agua meteorica o metamorfica. O-18, H-2. Probablemente TDS <1,000 y directamente proporcional a: HCO3, Na, K, Ca, Mg, Cl •GAS: volatiles magmaticos CO2, SO2, H2, HCl, HF y H2O

ROCAS •CUARZO FELDESPATO, MICA, SULFUROS, CARBONATOS

CALOR •ADVECCIÓN, CONVECCIÓN Y RADIACIÓN EN UN ESTADO INICIAL DE LA TRANSFERENCIA •ORIGEN: MAGMÁTICO, SUBDUCCION

FLUIDO •LIQUIDO: Salmuera: Cl – conservative, Na, K, a partir de reacciones de agua –roca, pH diferente, 18O, H2-alterada por el proceso •GAS: Vapor de agua , gases no condensables aumentan

ROCAS •ALTERADAS E INALTERADAS MINERALES, TEXTURA DE LA ROCA, INCLUSIONES FLUIDAS

CALOR •ADVECCIÓN, CONVECCIÓN Y RADIACIÓN TRANSMITIDO AL RESERVORIO

PERMEABILIDAD PERMEABILIDAD

•INTERACCION AGUA ROCA INICIAL

•MODIFICADA POR ASPECTOS: •FISICOQUIMICOS:PRESION, TEMPERATURA •REACCIONES DE AGUA ROCA, SERPENTINIZACION, ETC.

Regresando al tema del estado inicial y final del reservorio, en la Figura 1.3, se resumen los componentes en ambos momentos. Y en la Figura 1.4 se enlistan 6 procesos fisicoquímicos y termodinámicos de reservorios que transforman dichos estados en función del tiempo. 18 18 18

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Figura 1.4 Procesos hidrotermales que modifican el estado inicial de los reservorios geotérmicos EBULLICION Y PARTICIÓN DE LOS COMPONENTES EN VAPOR, VOLÁTILES Y SALMUERA SOLUBLE FLUJO DE FLUIDOS Y GASES PROFUNDOS, ETC.

PRECIPITACIÓN / DISOLUCIÓN

SEGREGACIÓN DE FASES

CONDENSACIÓN DEL VAPOR, ABSORCIÓN DE GASES MEZCLA CON FLUIDOS FRÍOS POCO PROFUNDOS (AGUA SUBTERRANEA)

Fuente: Elaboración propia, basado en (Haizlip, 2014)

Cada uno de los procesos mencionados en la Figura 1.4 se analizaran en todo este módulo, pues es el la geoquímica durante todas las fases del proyecto geotérmico quien provee los elementos para comprender su interacción y validez con nuestro sistema. Por el momento pensemos globalmente y hagámoslo por etapas. Primero analicemos los procesos termodinámicos del magma (Interacciones de componentes de calor y 19 19 19

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roca) luego interacciones de fluidos (Aguas y gases) y finalmente permeabilidad e interacciones agua roca (Relacionados más a estos procesos).

I.3 Fundamentos de termodinámica y equilibrio químico en sistemas geotérmicos.

En el párrafo anterior definimos la secuencia para abordar los temas en este

módulo.

Analicemos entonces la génesis

sistema

geotérmico. Parece una respuesta obvia, deben de existir los componentes antes mencionados, pero vayamos más allá. ¿En qué estado deben de existir ¿Por qué no hay reservorios geotérmicos en cualquier punto de perforación?

los componentes para que esto ocurra?. Como se dijo anteriormente pensemos primero en el calor y la roca. A medida que aumenta la presión y profundidad en la Tierra, la temperatura también lo hace por gradiente

natural

(descartemos

por

momento

intrusiones),

alcanzando en un momento dado la temperatura de fusión de materiales geológicos sólidos, entonces para el caso más básico, los minerales puros, hay dos posibles caminos que se describen en la Tabla 2.

20 20 20

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Tabla 2 Tipos de fusión para minerales No

TIPO DE FUSIÓN PARA MINERALES

DESCRIPCIÓN Si el mineral no contiene agua (H 2O) o dióxido de carbono (CO2) y no hay agua o dióxido

carbono

presente

entorno, a continuación la fusión se 1 produce en una única temperatura a cualquier presión dada y aumenta con el Fusión en seco

aumento de la presión o de la profundidad en el Tierra. Si el agua o dióxido de carbono están presentes dentro de o alrededor del mineral, a continuación, la fusión tiene lugar a una temperatura única a cualquier

2 presión dada, pero esta temperatura primero disminuye al aumentar la presión Fusión bifásica

y luego aumenta con el aumento de la presión o de la profundidad en el Tierra.

Fuente: Adaptado de (Earth Science Australia, 1995-2016)

Los minerales son compuestos con características homogéneas definidas pero que en realidad en los sistemas están entremezclados con otros minerales en matrices diversas y en general en diversas rocas. 21 21 21

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Y dado que las rocas son mezclas de minerales, las rocas no se funden a una temperatura única, sino que en un intervalo de temperaturas. Por lo tanto, es posible tener masas fundidas parciales, y los dos casos generales se transforman en lo expuesto en la Tabla 3 a continuación:

Tabla 3 Tipos de fusión para rocas No

TIPO DE FUSIÓN PARA ROCAS

DESCRIPCIÓN

La Fusión de rocas secas es similar a la de fusión

minerales

secos,

las

temperaturas de fusión aumentan con el 1

aumento de la presión, excepto que hay un rango de temperatura en el que existe una fusión parcial, la cual puede variar de Fusión de rocas secas

0 a 100%. Fusión de rocas bifásicas es similar a la de fusión de minerales bifásicos, excepto que hay variedad de rango de temperatura sobre las cuales se produce la fusión parcial. Una vez más, la temperatura al

comienzo de la fusión disminuye con el aumento de presión o la profundidad, y luego a alta presión o profundidad las temperaturas de Fusión bifásica

fusión comienzan a

elevarse.

Fuente: Adaptado de (Earth Science Australia, 1995-2016)

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Hemos analizado casos peculiares de diagramas Termodinámicos llamados P-T, Presión temperatura, ahora utilicemos ese análisis para analizar lo que ocurre para la formación de magmas (Componente calorífico). Las 3 maneras de generar magmas se exponen a continuación en la Tabla 4. Tabla 4 Tipo de fusión para generación de magma TIPO DE FUSIÓN PARA GENERACIÓN No

DESCRIPCIÓN DE MAGMA Bajo

condiciones

normales,

temperatura mostrada en la Tierra debida al gradiente geotérmico, es más baja que la temperatura al inicio de la fusión del manto, por lo tanto, para que el manto pueda

fundirse

tiene

mecanismo para geotérmico.

que

elevar el

haber

el gradiente

mecanismo

convección, el gradiente se eleva como se 1

observa en la línea curva punteada. Si el gradiente geotérmico planteado se hace mayor que la temperatura inicial de fusión a cualquier presión, entonces se formará La fusión por descompresión

una masa fundida parcial. Líquido de esta fusión parcial se puede separar de los cristales restantes porque, en general, los líquidos tienen una densidad menor que los sólidos. Magmas basálticas parecen originarse de esta manera.

23 23 23

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TIPO DE FUSIÓN PARA GENERACIÓN No

DESCRIPCIÓN DE MAGMA Cuando los magmas ya se generaron por algún mecanismo y se introducen en la corteza fría, ellos traen consigo calor. Tras la solidificación pierden este calor y lo transfieren a la corteza circundante. Intrusiones repetidas pueden transferir

suficiente

calor

para

aumentar

gradiente geotérmico local y provocar la fusión de la roca circundante para generar nuevos

magmas.

Magmas

riolíticos

también pueden ser producido por el cambio de la composición química del Transferencia de calor

magma basáltico. Si el agua o el dióxido de carbono están en la roca, la temperatura de fusión es disminuida y es más fácil alcanzar este punto de fusión. Si esto tiene lugar profundamente donde la temperatura ya es alta, la temperatura disminuida de fusión puede provocar que la roca se

funda parcialmente para generar magma. Un lugar donde podría introducirse agua está en las zonas de subducción. Aquí, el agua presente en los espacios porosos del fondo subductivo oceánico o bien el agua presente Flujo fundido

minerales

como

hornablenda, biotita, o minerales de arcilla sea puesta en libertad por el

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TIPO DE FUSIÓN PARA GENERACIÓN No

DESCRIPCIÓN DE MAGMA aumento de la temperatura y luego pasar a

capa

superpuesta

del

manto.

Introducción de esta agua en el manto entonces baja la temperatura de fusión del manto para generar masas fundidas parciales,

que

podría

generar

separación del manto sólido y que este se elevan hacia la superficie. Fuente: Adaptado de (Earth Science Australia, 1995-2016)

Por el momento, tenemos claro que para que el componente calor exista (intrusión o subducción), deben de ocurrir muchos procesos fisicoquímicos y termodinámicos que indiscutiblemente dejan huellas en la componente roca, y si existe un mecanismo de transporte de calor y masa (difusión, advección y convección), en un sistema permeable inicial este modificara secuencialmente todo el sistema, habrá interacción química entre la roca modificada por el magma, el calor y los fluidos que puedan provenir bien del manto o de la superficie, dejando

entonces

también

huella

los

fluidos

profundos

modificando también las condiciones de permeabilidad, en función del tiempo y otros factores químicos que se mencionan a continuación. La Figura 1.5 detalla las reacciones químicas más generales que pueden ocurrir en reservorios geotérmicos, dejando claro la interacción entre la roca y fluidos (aguas y gases) que producen cambios que más adelante 25 25 25

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podrán manifestarse en superficie o mezclarse con otros procesos subsuperficiales que proveerán características importantes que podrán ser detectadas en la etapa de exploración geoquímica y permitan formular el modelo geoquímico conceptual del sistema en particular. Figura 1.5 Reacciones químicas en reservorios geotérmicos

REACCIONES BASICAS QUE OCURREN EN RESERVORIOS ROCAS/AGUAS/GASES DISOLUCION DE CLORO Y BORO •ORIGEN MINERAL O FLUIDO MAGMATICO DE FONDO CUARZO •SiO2,qtz + 2 H2O = H4SiO4 •H4SiO4 = H3SiO4- + H+

FELDESPATO •NaAlSi3O8 + K+ =KAlSi3O8 + Na+ CARBONATOS •CaCO3 + H2CO3 = Ca+ + 2HCO3EPIDOTAS, CUARZO Y CALCITA •EPIDOTA+CUARZO+CALCITA= GRANATE+CO2 EPIDOTA+CUARZO+CALCITA+H20=PREHNITA+CO2

WAIRAKITA, CUARZO: ALBITA CaAl2Si4O12 . 2H2O + 2SiO2 + 2Na+ = 2NaAlSi3O8 + Ca2+ + 2H2O PIRITA, PREHNITA, PIRROTITA •PIRITA+PREHNITA+ PIRROTITA+AGUA= EPIDOTA+H2S=Fe, Al, SILICATOS+H2S VOLATILIZACION •GASES MAGMATICOS

Fuente: Elaboración propia, basado en análisis de varias referencias: (Haizlip, 2014), (Marini L. , 2004), (Instituto geologico y minero de Espana, 1985), (Earth Science Australia, 1995-2016)

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Los componentes conservativos cloro y boro serán analizados en más detalle en el tema de equilibrio geoquímico y geotermómetros, específicamente al analizar ciertos procesos particulares de mezcla en los reservorios geotérmicos. La solubilidad y equilibrio del cuarzo sílice y silicatos en general han sido bastamente estudiados y han permitido utilizar su información para predecir temperaturas, y más adelante hasta para corregir valores de datos medidos en superficie y transformarlos a condiciones de reservorio, entre otras muchas aplicaciones. Las reacciones de feldespatos de sodio y potasio deben ser analizados debido a la abundancia de estos minerales en toda la naturaleza, así como también las reacciones de los carbonatos que toman peculiar importancia para ciertos sistemas donde el fluido finalmente atraviesa acuíferos kársticos, Las epidotas y minerales como el granate y prehnita e incluso wairakita tienen peculiar importancia para inferir temperaturas más elevadas como se verá posteriormente en esta misma unidad. Y los compuestos como H 2S(g) provenientes de pirita y otros, son de peculiar análisis y se abordara en el tema de gases difusos. La Figura 1.6 similar a la Figura 1.5 define algunas reacciones, procesos fisicoquímicos y de transporte que ocurren en el reservorio geotérmico pero desde la perspectiva de un grupo químico muy importante: los gases no condensables, estos son de especial interés ya que si bien a veces nos interesa rastrear procesos por su interacción con elementos 27 27 27

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en fase liquida (nivel de alteración, reacción, desaparición, conversión, etc.) también es importante contrastar con los elementos que reaccionan en fase líquida. Estos son los gases no condensables, los cuales a las condiciones del sistema no pueden transformarse en fase liquida y por lo tanto no estarán, ni han estado disueltos en agua a la hora de tomar muestras en dicha matriz. Pero probablemente han sido parte de las rocas o interaccionado con otros componentes. La figura 1.6 muestra 5 agrupaciones de gases no condensables: Aquellos que provienen del magma, aquellos que han interaccionado o provienen de minerales, aquellos que reaccionan con otros gases, y aquello que se transportan por fenómenos difusivos, advectivos y/o convectivos, entre ellos algunos inertes. La siguiente zona, llamada zona propilítica o zona de Ca-Al-silicatos, se caracteriza por la presencia de minerales secundarios, que están cerca de equilibrio con la solución acuosa neutra, sodio y cloruros. Esta zona se desarrolla a temperaturas de hasta 300 ° C. Epidota, el mineral más típico, puede empezar a formarse en pequeñas cantidades dentro de la zona filitica, pero llega a ser abundante en la zona propilítica. Epidota suele ir acompañado de abundantes adularia, albita, y minerales de sulfuro (por ejemplo, pirita, pirrotita, y esfalerita). El mineral zeolita típico de esta zona es wairakita. Clorita e illita también son estables dentro de esta zona, pero son menos abundantes que en la zona filitica. (Marini L. , 2004).

28 28 28

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Figura 1.6 Dinámica de los gases no condensables en reservorios geotérmicos GASES NO CONDENSABLES FLUJO MAGMÁTICO •CO2(g), SO2(g), H2(g), HCl(g), HF(g) Y H2O (vap) REACCIONES QUE INVOLUCRAN MINERALES Y GASES •EPIDOTA, PREHNITA, GRANATE, CLINOZOISITA, PIRITA, PIRROTITA, MAGNETITA, ETC. PRODUCIENDO CO2(g), / H2S(g), / H2(g) •FeS2 + H2 = FeS + H2S •CaCO3 + K-mica = CaAl-silicate +feldespato de K +CO2 REACCIONES DE GASES CON GASES •CO2 + 4H2 = CH4 + 2H2O •2NH3 = 3H2 + N2 •CO2 + H2 = CO + H2O DISTRIBUCIONES DE ANALITOS EN INTERFACES VAPOR/LIQUIDO •CONTROLADOS POR COEFICIENTES DE DISTRIBUCIÓN EN AMBAS FASES

GASES DIFUSOS

Fuente: Elaboración propia, basado en análisis de varias referencias: (Haizlip, 2014), (Marini L. , 2004), (Instituto geologico y minero de Espana, 1985)

¿Dónde se encuentra la zona permeable, de acuerdo a la distribución de las facies mineralógicas?

La zona más profunda es la termo-metamórfica, que se caracteriza por notables reorganizaciones texturales de los litotipos originales y por la aparición de fases de alta temperatura mineral, tales como los anfíboles (por ejemplo, actinolita y tremolita), piroxenos (por ejemplo, diópsido), biotita, y granates. Debe subrayarse que las rocas afectadas por alteraciones argílicos y filiticos se caracterizan por muy baja permeabilidad. De hecho, los minerales típicos de estas dos zonas se comportan plásticamente bajo estrés mecánico. Por lo tanto, estas dos 29 29 29

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zonas constituyen la cubierta (o capa sello) del sistema geotérmico. Los minerales hidrotermales de las zonas propilítica y termometamórfica exhiben un comportamiento más frágil, lo que permite el desarrollo de fracturas, que actúan como vías de alta permeabilidad para los fluidos geotérmicos. Por lo tanto estas dos zonas de alteración hidrotermal marcan los yacimientos geotérmicos. (Marini L. , 2004)

Es importante acalarar que si bien, a nivel de análisis químico superficial, el agua alterada por interacción con la roca a condiciones de temperatura, presión, del sistema pueden ser adecuadas y mostrar que hubo interacción y evidencia de permeabilidad, la geoquímica de aguas no puede decirnos a que profundidad o si esa permeabilidad es en una zona coneveniente para propositos de explotación del recurso geotérmico. Mas adelante analizaremos este detalle cuando abordemos la unidad 5 sobre gases difusos y posteriormente con prospecciones geofisicas.

A excepción del origen del agua en el sistema (superficial y manto, que se revisara en la unidad 4), hasta aquí hemos revisado ya los componentes geoquímicos a una escala general pero ligando la mayoría de conceptos claves. Ahora brevemente se mencionaran algunas metodologías de muestreo de aguas y gases en superficie.

30 30 30

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I.4. Aplicación de técnicas de exploración geoquímica en exploración geotérmica. A continuación en la Figura 1.7 se muestran indicaciones generales para toma de muestras en sistemas geotérmicos. Figura 1.7 Indicaciones para análisis geoquímico de muestras sólidas, liquidas y gaseosas en la exploración geotérmica

1.CARACTERIZACIÓN MINERALÓGICA Y QUÍMICA DE LA ROCA.

•DETERMINACIONES QUIMICAS EN ROCAS • Nota: Estas muestras provienen de la etapa de exploracion geologica en campo, visto en el módulo anterior, sin embargo su análisis y utilidad involucra actividades multidiciplinaria de geología y geoquímica tales como: •Estimación del porcentaje de cada uno de los minerales, mediante láminas delgadas examinadas con microscopio petrográfico y XRDF. •Determinación de las composición química de la roca (SiO2, Al2O3, Fe2O3, Na2O, CaO, etc.) •Análisis de Termoluminescencia en cuarzo y feldespatos para prospecciones geologicas. •DETERMINACIONES QUIMICAS EN FASE LIQUIDA •Conductividad electrica, pH, SiO2, los iones mayoritarios:Cl, Na, K, Ca, Mg, SO4, HCO3-, CO32- y tambien se puede incluir algunos elementos de rastreo: Li, Rb, Cs, B, F. Otros análisis complementarios pueden incluir Fe y Al. Es importante recordar que se necesita una muestra acidificada y diluida por separado para SiO2.)

•DETERMINACIONES QUÍMICAS EN FASE GASEOSA •CO2, H2S, NH3, N2, CH4, H2, Ar y O2. •Nota 1: el CO, Ne, SO2 e isótopos requieren de un frasco especial.Además es importante mencionar que N2, Ar, He y Ne requieren habilidades experimentales en muestreo para evitar contaminacion por aire. •Nota 2: Considerar es que la soda caustica degrada el CO por lo que se requiere tomar esta muestra por separado. Las muestras para los isótopos se deben tomar en frascos de vidrio borosilicato. •Nota 3: El vapor de fumarolas debe ser condensado y enfriado por debajo de 40 ° C para minimizar el fraccionamiento al vapor de agua escapada. •Nota 4: Los análisis de condensado de vapor sobrecalentado de fumaroles tienen el potencial de contener sólidos disueltos no lavados y pueden ser de particular importantcia si se sospecha un origen volcánico. Los analitos deben incluir el pH, Cl, F, B, Na e isótopos estables (H2, 18O)

Fuente: Elaboración propia, basado en material de práctica de campo para muestreo de agua y gases. (Programa regional de entrenamiento geotermico (PREG, El Salvador), 2013-2015)

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La figura 1.8 y directrices posteriores muestran procedimientos simplificados, mínimos y básicos de muestreo de aguas y gases. El participante comprenderá que no es posible profundizar en esta temática debido a que se requeriría realizar prácticas en campo, sin embargo pueden servir de guía para elaborar propios procedimientos y futuras actividades de muestreo.

I.4.1. Directrices prácticas para la toma de muestras de agua en manifestaciones hidrotermales.

1. Medir temperatura de la fuente utilizando termocuplas adecuadas. 2. Tomar la muestras de agua de la manifestación haciendo uso de un brazo muestreador 3. Homogenizar los frascos con el líquido a muestrear. 4. Colectar muestra para análisis de pH, Conductividad eléctrica en campo y otros parámetros en campo; realizar las mediciones previamente calibrados los equipos. 5. Colectar muestras para análisis de laboratorio, tal como se detalla a continuación (Dependiendo de los análisis requeridos): 

Una muestra en un frasco de vidrio de 250 ml. (Para análisis de pH y CO2 disuelto. 32 32 32

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

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Una muestra en un frasco de plástico, sin preservación para análisis de conductividad eléctrica, Cl-, SO4



, etc.

Una muestra en un frasco de plástico filtrado en campo y preservado con HNO3 concentrado para el análisis de Na, Mg, Li, cationes, Boro y/o metales.(Ajustar pH<2)



Una muestra del líquido sin aire en un frasco de plástico, sin preservación para análisis de isotopos de deuterio y oxigeno 18.



Muestra para análisis de sílice, diluida en agua desionizada para prevenir la polimerización.

I.4.2. Directrices prácticas para la toma de muestras de gases en manifestaciones hidrotermales Para muestreo de gases en fumarolas se requieren frascos especiales que pueden ser sellados al vacío con solución de soda caustica en su interior, el gas fumarólico entra en la botella abriendo lentamente la válvula. Entonces, la válvula debe ser regulada para tener un flujo alto de gas y para reducir al mínimo la pérdida de agua debido a la condensación. La botella debe mantenerse con la entrada hacia abajo, con el fin de permitir la interacción entre el gas y la solución alcalina. Traducido de(Marini L. , 2004) Esta interacción provoca la condensación de vapor de agua (el proceso tiene que ser favorecido por enfriamiento de la botella con agua fría), mientras que los gases ácidos (CO2 y H2S en los gases geotérmicos, 33 33 33

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además de SO2, HCl, y HF en los gases volcánicos) se absorben en solución alcalina, de acuerdo con las siguientes reacciones: CO2 (g) + 2 OH- = CO32- + H2O H2S (g) + OH- = HS- + H2O 4 SO2 (g) + 7 OH- = 3 SO42- + HS- + 3 H2O HCl (g) + OH- = Cl- + H2O HF (g) + OH- = F- + H2O ¿Existen limitaciones en las mediciones de campo de gases de gases en fumarolas y lagunas hidrotermales?

Los gases no absorbidos (N2, O2, H2, CH4, He, Ar, etc.) se recogen principalmente en el espacio de cabeza por encima de ella. Por lo tanto la velocidad de flujo de los gases que entran en la botella fumarólicos se retardará debido a la creciente presión de los gases que se acumulan en el espacio de cabeza (el flujo de gas es, obviamente, impulsado por la diferencia de presión entre el respiradero y la propia botella). Si la botella no se enfría correctamente también el agua participa de manera significativa a la presión del gas. Cuando la velocidad de flujo disminuye la válvula debe ser cerrada. La cantidad de gases que se pueden muestrear está limitada por: (1) agotamiento de NaOH, para fluidos ricos en gases ácidos; (2) el agotamiento de vacío, para fluidos ricos en gases no absorbidos; (3) el agotamiento del espacio de líquido, para gases absorbidos. Traducido de(Marini L. , 2004) Vapor o gas vertidos procedentes de una laguna hidrotermal se colectan siguiendo el mismo procedimiento de toma de muestras de 34 34 34

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fumarolas pero en este caso, un embudo de vidrio o plástico debe estar unido a la línea de toma de muestras tal como se muestra en la Figura 1.8; embudos metálicos no deben ser utilizados, para evitar la producción de H2 a través de reacciones con soluciones ácidas, comunes en estas manifestaciones. El embudo debe ser colocado cerca del punto donde el gas o vapor entra en la laguna para evitar la contaminación por aire (es importante recordar que la laguna se airea constantemente), lo que provoca la adición de gases atmosféricos, por ejemplo, N2, O2 y Ar y la consiguiente eliminación de H 2S y otras especies reducidas a través de la reacción con O2. Traducido de (Marini L. , 2004).

Figura 1.8 Esquema de muestreo de gases en lagunas y fumarolas hidrotermales

Fuente: de (Giggenbach & Goguel, Collection and analysis of geothermal and volcanic water and gas discharges, 1989), extraído de (Marini L. , 2004)

35 35 35

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Síntesis de la unidad Recapitulando, a través de las figuras 1.5, 1.6 y 1.7, observamos que además de las componente calorífica y las roca, debe existir un medio en donde estos interaccionen junto con el componente fluido (tanto líquidos como gaseosos), este espacio es la permeabilidad, la cual indirectamente permite la ocurrencia de reacciones químicas en fase sólida, gaseosa y líquida (Nótese que hemos dejado el origen de la fase líquida para un tema posterior a desarrollarse en la modulo 4.

La Tabla 5 muestra un resumen del tipo de fuente a muestrear, el posible origen de ese fluido, la información deseada del análisis de esa fuente y los análisis de laboratorio mínimos requeridos en fase acuosa. Tabla 5 Resumen sobre muestras superficiales TIPO DE

FUENTE DE

INFORMACIÓN A

ANÁLISIS EN

FUENTE

FLUIDO

OBTENER

LABORATORIO

Hidrogeología: Tipos de aguas Manantiales y pozos fríos

Agua

subterráneas

subterránea

someras. Efecto del

somera

sistema hidrotermal sobre estratos suprayacentes.

36 36 36

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TIPO DE

FUENTE DE

INFORMACIÓN A

ANÁLISIS EN

FUENTE

FLUIDO

OBTENER

LABORATORIO

Agua de yacimiento hidrotermal Manantiales

enfriada en

ebullentes con

mayor o menor

aguas

grado por

cloruradas con

procesos de

alta sílice y pH

ebullición,

neutro.

mezcla con aguas someras y transmisión de calor.

Mezcla de agua Manantiales calientes/tibios.

del yacimiento con aguas subterráneas someras.

Manantiales de mediana/baja salinidad, con aguas bicarbonatadas .

Hidrogeología: Temperatura y condiciones químicas del fluido geotérmico

Análisis completo. En

en el yacimiento.

un análisis completo se

Tamaño, tipo y

debe analizar:

ubicación de zonas de ascenso y descarga lateral del fluido geotérmico. Potencial para incrustación/corrosión . Procesos de mezcla en el subsuelo. Temperatura y condiciones químicas del fluido geotérmico en el yacimiento.

Completo en caso de alto flujo, parcial en los cuales se contempla:

en caso de bajo flujo.

Mezcla de aguas subterráneas someras con vapor (y condensado de

Ubicación de zonas de ebullición.

Parcial sin

vapor) geotérmico.

37 37 37

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TIPO DE

FUENTE DE

INFORMACIÓN A

ANÁLISIS EN

FUENTE

FLUIDO

OBTENER

LABORATORIO

Manantiales con aguas ácidas de alta concentración de sulfatos.

Aguas subterráneas someras

Ubicación de zonas de

calentadas por

ascenso de vapor.

Parcial sin

vapor geotérmico. Cociente agua/gas

Fumarolas

Temperatura del fluido

incondensable en

Vapor separado

en el yacimiento.

condensado de vapor,

del líquido del

Contenido de

yacimiento.

componentes volátiles.

En El vapor condensado . Análisis completos,

Condiciones físicas y químicas del fluido Pozos

Acuífero

geotérmico en el

exploratorios

interceptado.

yacimiento. Potencial de corrosión/ Incrustación.

información suficiente para el cálculo de la concentración en la descarga total del pozo de cada una de las especies químicas e isotópicas arriba citadas.

Fuente: Argueta J. Basado en (BID, 1994)

38 38 38

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Unidad II. Clasificación de Fluidos Geotérmicos

Objetivo de aprendizaje Clasificar los diferentes tipos de fluidos geotérmicos a partir de su composición química.

II.1. Introducción a la unidad En esta unidad usted aprenderá a caracterizar la composición química en fase liquida y/o gaseosa, conocer las diferencias en el rango de parámetros indicadores geoquímicos, utilizar herramientas gráficas para así poder clasificar los fluidos y discriminar si su origen es profundo, superficial o somero.

Se hará uso de varias plantillas que

le servirán a corto plazo para poder clasificar sus propias muestras, planificar campañas de muestreo e informes técnicos de los mismos.

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II.2 Clasificación de fluidos a través de composiciones químicas en agua. Todo proceso de clasificación requiere 3 actividades imprescindibles, ¿Cómo clasificar fluidos?

(1) medir la(s) características físicas que se prevee pueden categorizar la muestra, (2) elegir un modelo discontinuo que agrupe ciertas características predeterminadas que posean significado representativo de la categorización deseada y (3) finalmente comparar los resultados con ese modelo. El punto (1) está relacionado con la medición del componente fluido del sistema geotérmico, en este caso aguas y gases, los

parámetros

más

comunes

determinar

son

los

cationes

mayoritarios y algunos importantes elementos trazas en agua, y para gases algunos gases ácidos, gases no condensables y gases solubles. En el punto (2), elección del modelo es requerido. Para clasificación de fluidos

geotérmicos

existen

varios

tipos

modelos

gráficos

preestablecidos que han tenido buenos resultados prácticos en otros sistemas y que actualmente siguen teniendo vigencia, en esta unidad se presentaran los métodos más utilizados y finalmente en el punto (3) la comparación es muchas veces de tipo visual y con ella se logran distinguir clúster o grupos de muestra que por su posición en los ejes especificados

localización

ubican

distintas

categorías,

principalmente las que nos interesan a nosotros en este caso son las categorías que permiten inducir si la muestra tuvo un origen geotérmico o superficial, pues de ello dependerá enfocarnos seguir con 40 40 40

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más tipos de análisis como el de estimar las temperaturas de su origen, y otras características que se analizaran más adelantes como por ejemplo el grado de equilibrio o madurez del origen de las muestras, o estimar la temperatura de equilibrio mineral (para geotermómetros), etc. En la Tabla 6 se muestra el potencial iónico de algunos elementos geoquímicas en aguas, dicha tabla puede relacionarse con la capacidad de solubilización es decir, la facilidad de disolverse en agua, lo cual a su vez nos brinda una idea de su movilidad. Tabla 6 Potencial iónico relacionado a solubilidad

GRUPO IÓNICO RELACIONADO A SU SOLUBILIDAD EN AGUA

SEPARACIÓN DE CATIONES EN TÉRMINOS DE POTENCIAL IÓNICO CARGA/RADIO

Grupo I: Los iones son muy solubles y 1

fácilmente lixiviable Principalmente: K+, Na+, Ca2+, Fe2+, Mg2+ Grupo II: Estos iones se precipitan como hidróxidos, permanecen en el ambiente de

Radio iónico2.1 (nm)Potencial Figura 0.15

iónico de

elementos

alteración y participan en las reacciones de neogénesis de minerales de arcilla. Atraen

fuertemente al átomo de oxígeno de la molécula de agua para debilitar el enlace covalente OH- y causar la eliminación de un

0.10

Fuente: Vaselli O. (Programa regional de entrenamiento geotermico (PREG, El

0.05

Salvador), 2013-2015)

ion H+ (desprotonación). Iones con Potencial iónico 30 - 100 nm.

Carga iónica

Principalmente: Fe3+, Al3+

41 41 41

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GRUPO IÓNICO RELACIONADO A SU SOLUBILIDAD EN AGUA

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SEPARACIÓN DE CATIONES EN TÉRMINOS DE POTENCIAL IÓNICO CARGA/RADIO

Grupo III: Forma oxianiones solubles. Estos iones atraen aún más fuerte al átomo de oxígeno de la molécula de agua e inducen 3 desprotonación completa (de ambos iones H+). Iones con Potencial iónico > 100 nm. Principalmente: C, N, S Fuente: Vaselli O. (Programa regional de entrenamiento geotermico (PREG, El Salvador), 2013-2015)

La Tabla 6 muestra un resumen de los elementos geoquímicos en fase acuosa que se buscan en un sistema geotérmico, sus propiedades principales, usos en sistemas geotérmicos y directrices para su análisis combinado con datos y herramientas geoquímicas. Tabla 7 Elementos químicos en fase acuosa y su descripción en los sistemas geotérmicos ELEMENTOS

DESCRIPCIÓN EN EL SISTEMA GEOTÉRMICO Es comúnmente el catión dominante en las aguas geotérmicas de alta temperatura. Una variación sistemática entre la proporción Na/K con relación a la temperatura, sucede en todos los sistemas geotérmicos,

SODIO

excepto en los dominantemente ácidos, y en muchas áreas con una gran variedad de tipos rocosos, ha sido posible realizar una correlación precisa entre dicho porcentaje Na/K y la temperatura del agua.(Fournier & Truesdell, An empirical NaKCa geothermometer for natural waters,

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ELEMENTOS

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DESCRIPCIÓN EN EL SISTEMA GEOTÉRMICO 1973) Las aguas termales, normalmente presentan altos contenidos en potasio. El origen común del potasio está relacionado con procesos de alteración de los feldespatos tipo ortosa, microclina, biotita, leucita y

POTASIO nefelina en rocas ígneas y metamórficas. La circulación de las aguas a través de depósitos evaporíticos, pueden reportar grandes contenidos de potasio en relación con procesos de disolución de la silvina. Las aguas geotérmicas contienen los iones de varias sales de calcio solubles, por ejemplo Ca CO3, Ca SO4, Ca F2. La mayoría de las aguas geotérmicas existentes en niveles profundos, están próximas al nivel de CALCIO

saturación de calcita (Ellis, Quantitative interpretation of chemical characteristics of hydrotermal systems , 1970) y este mineral precipita frecuentemente cuando las aguas ebullen y pierden el dióxido de carbono, con tendencia de precipitación cuando este es alto. Normalmente, el origen del magnesio en las aguas subterráneas, está relacionado con dolomitas en formaciones sedimentarias, mientras que en rocas ígneas, se relaciona con la presencia de olivino, biotita, hornablendas, piroxenos augíticos; y en las rocas metamórficas en

MAGNESIO relación con serpentinas, talco, piroxenos diopsídicos y tremolita. En las aguas

geotérmicas

concentraciones

del

alta

temperatura

magnesio

son

baja

salinidad,

extremadamente

las

bajas,

frecuentemente del orden de 0,01 a 0,1 ppm. Estudios efectuados en

43 43 43

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ELEMENTOS

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DESCRIPCIÓN EN EL SISTEMA GEOTÉRMICO Nueva Zelanda y Japón sobre las concentraciones de Mg y relaciones de Mg/Ca, indican que contenidos bajos de Mg y las relaciones bajas de Mg/Ca, son características de los sistemas geotérmicos de alta temperatura. (Fournier & Rowe, Estimation of underground temperatures from the silica content of water from hotsprings and wet steam wells , 1966) han demostrado que las aguas geotérmicas de alta temperatura (por encima de los 180oC), están saturadas en sílice en equilibrio con el cuarzo. La concentración de sílice en una muestra de agua de un pozo geotérmico se puede utilizar para proporcionar una estimación precisa de la temperatura

subterránea.

Las

soluciones

equilibrio

alta

temperatura, contienen solamente especies de sílice con estructura molecular simple. Las formas amorfas y cristalinas metaestables de la SÍLICE sílice, persisten en contacto con agua a temperaturas de al menos 300oC, exhibiendo solubilidades mucho mayores que las del cuarzo. A medida que las aguas geotérmicas se concentran por pérdidas de vapor, según se aproximan a la superficie, pasan por un estado de saturación en cuarzo y subsaturación en sílice

amorfa, a

una

condición de

sobresaturación en cuarzo y eventualmente con sílice amorfa. (Ellis & Mahon, Natural hydrothermal systems and expermental hot water/rock interactions, 1964) demostraron que a temperaturas comprendidas entre 250oC y 350oC la solubilidad de la sílice proveniente de rocas

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ELEMENTOS

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DESCRIPCIÓN EN EL SISTEMA GEOTÉRMICO volcánicas ígneas, era inicialmente aproximadamente igual a la solubilidad de la sílice amorfa. Los altos contenidos de cloruros en aguas subterráneas pueden estar relaciones con masas de aguas salobres atrapadas en los sedimentos, soluciones de halita y minerales relacionados con depósitos evaporíticos, (Fournier, Geochemical and Hydrologic considerations and the use ofenthalpy-cloride diagrams in the predictions of underground conditions

CLORUROS in hot springs systems, 1979) ha descrito la utilización de diagramas, en relación con la entalpía del cloro, que permiten estimar la temperatura y condiciones de equilibrio de los acuíferos profundos, que alimentan los sistemas

hidrotermales,

conjuntamente

con

aplicación

geotermómetros convencionales y de modelos de mezclas. El ion sulfito en las aguas subterráneas deriva del contacto con yesos y anhidritas y su concentración es función de la temperatura. La solubilidad de los minerales sulfatados alcalinos (calcio, estroncio, bario, etc.) en las soluciones hidrotermales, depende de la temperatura, SULFATOS Y presión y salinidad y tienen relación con la actividad entre las tierras COMPUESTOS alcalinas y la de los sulfatos en solución, y del estado de oxidación de las SULFUROSOS soluciones hidrotermales. Con respecto al sulfato cálcico, la mayor parte de las aguas geotérmicas con temperaturas comprendidas entre los 200oC y los 300oC, con un pH próximo a la neutralidad, y una salinidad moderada (0.02 a 0.1 m) poseen concentraciones de sulfatos del orden

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ELEMENTOS

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DESCRIPCIÓN EN EL SISTEMA GEOTÉRMICO de los 10 a los 100 ppm. Las relaciones entre la química de las soluciones hidrotermales y la solubilidad

los

minerales

carbonatados

está

estrechamente

relacionada con la presión parcial de CO2 y efectos de la salinidad. La dolomita puede no depositarse en las soluciones hidrotermales por CARBONATOS simple enfriamiento, aun cuando existan mecanismos de precipitación. Las reacciones de equilibrio que condicionan las relaciones de concentración del Ca y del CO3H, en las aguas termales, no son tan simples como para permitir una evaluación directa de la temperatura La solubilidad del flúor es similar a la del cuarzo, su solubilidad es fuertemente afectada por la presencia de electrolitos y la cantidad de fluorita disuelta o precipitada, es función no solamente de la temperatura, presión y de la fuerza iónica de la solución hidrotermal, sino de la relación de la concentración del calcio y del ion flúor en FLUORUROS solución. Cuando la solubilidad de la fluorita, en presencia de la sílice, es del orden de los 10 ppm de flúor, a temperaturas que oscilan entre los 200oC y los 300oC. En las aguas geotermales de Nueva Zelanda, las concentraciones altas de flúor se correlacionan con bajas de Ca (Mahon, Fluorine in the natural thermal waters of New Zeland, 1964) Es un elemento minoritario o traza contenido en turmalinas asociadas a BORO

pegmatitas, granitos y en pequeñas cantidades en rocas subvolcanicas como los gabros. Los gases volcánicos pueden producir emanaciones en

46 46 46

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ELEMENTOS

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DESCRIPCIÓN EN EL SISTEMA GEOTÉRMICO forma de BO3H3 y F3B. Las aguas de fumarolas y áreas que recientemente han presentado actividad volcánica, suelen presentar altos contenidos en boro. Asimismo, el boro es indicativo de la existencia de fallas en profundidad. La concentración del boro (ácido bórico) en los sistemas agua-vapor de alta temperatura, tiende a aumentar en la fase vapor, cuando aumenta la temperatura de evaporación. Respecto a la determinación del tipo de roca por donde ha circulado los fluidos hidrotermales. Fuente: (Instituto geologico y minero de Espana, 1985):

De manera básica existen 3 tipos de agrupaciones de aguas: bicarbonatadas, sulfatadas y cloruradas.(Instituto geologico y minero de Espana, 1985) 

Bicarbonatadas: Las cuales responden a tipos de aguas frías o hipotermales, con salinidades generalmente inferiores a 1 g/l, que caracterizan circuitos hídricos poco profundos constituidos por depósitos

aluviales,

materiales

volcánicos

formaciones

carbonáticas aflorantes o subaflorantes. (Instituto geologico y minero de Espana, 1985) 

Sulfatadas: Las cuales pertenecen a manifestaciones termales con características de salinidad comprendida entre 0,5 y 3 gil y con valores medios de temperatura, y que responden a circulaciones de profundidad media en rocas carbonatadas y formaciones de 47 47 47

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evaporitas.(Instituto geologico y minero de Espana, 1985) 

Cloruradas: Estas aguas suelen estar relacionadas con procesos de circulación más profunda que las de los otros tipos y corresponde a acuíferos relacionados con las rocas del basamento regional, aun cuando no pueda afirmarse esto de forma definitiva. (Instituto geologico y minero de Espana, 1985)

A continuación se muestran algunos diagramas útiles para clasificación de aguas y como elaborarlos Si se combinan otros parámetros mayoritarios como los de la Figura 2.2 se tienen 4 zonas en el romboide que pueden mejorar la clasificación. Figura 2.2 Diagrama de Piper para clasificación de aguas

Fuente: (Wikipedia, creative commons, https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Diagramme_de_Piper.png)

48 48 48

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Tabla 8 Clasificación de Aguas

TIPO DE AGUA

DESCRIPCIÓN

Aguas que circulan en reservorios geotérmicos profundos de alta entalpía, por lo general tienen composición sódico-cloruradas y con contenido de cloruros que llegan hasta diez mil mg / kg. El pH de estas aguas es de (± 1 o 2 unidades) respecto al pH neutro para las temperaturas de las aguas (por ejemplo, 5.5 a 5.6 a 200-300 ° C). Silica, potasio, litio, boro, fluoruro son mucho mayores que en aguas Aguas sódico

frías. Estas aguas usualmente contienen apreciable contenido de

cloruradas

calcio. El magnesio es en cambio mucho menor que en aguas frías. Los

principales gases disueltos son el CO 2 y H2S. Las aguas sódico cloruradas profundas pueden fluir directamente a la superficie en descargas de ebullición, con alto contenido de cloruro y pH que pudieran variar de casi neutro a alcalino; alternativamente, pueden mezclarse con aguas poco profundas, de baja salinidad para dar lugar a muestras sódico cloruradas relativamente diluidas.

Se encuentran típicamente por encima de la parte ascendente de los sistemas geotérmicos, donde la separación de vapor se lleva a cabo. Aguas sulfato

La transferencia de especies gaseosas en la fase de vapor,

ácidas

principalmente CO2 y H2S, son el resultado de la ebullición. Esta fase

de vapor puede alcanzar la superficie sin ninguna interacción con aguas poco profundas ni superficiales y liberarse en fumarolas o el

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TIPO DE

Edición 2016

DESCRIPCIÓN

AGUA

vapor separado puede condensar, al menos en parte, en las aguas subterráneas poco profundas para formar aguas calentadas por vapor. En este entorno, el oxígeno del aire oxida al H2S transformándolo a ácido sulfúrico que producen aguas sulfato-ácidas. Estas además se caracterizan por bajos contenidos de cloruros y valores de pH bajos (entre 0 y 3) y reaccionan rápidamente con rocas superficiales dando lugar a paragénesis de alteración arcillosa avanzada dominada por caolinita y alunita.

Aguas ricas en bicarbonato pueden ser originadas ya sea a través de la disolución de CO2 o condensación de vapor geotérmico en aguas subterráneas sin oxígeno a profundidades relativas, ya que la ausencia de oxigeno evita la oxidación de H 2S y la acidez de estas soluciones acuosas es debido a la disociación de H 2CO3. A pesar de que estas

Aguas sódico

aguas tienen carácter ácido débil, pueden convertir feldespatos a

bicarbonatad

arcillas generando soluciones acuosas neutras, las cuales son

típicamente enriquecidas de sodio y bicarbonatos, particularmente a mediana o alta temperatura. En resumen: La baja solubilidad de la calcita evita que la solución acuosa aumente la concentración de calcio. Potasio y magnesio son fijos en las arcillas y las cloritas, respectivamente. La concentración de sulfato está limitada por su escasa disponibilidad o por la solubilidad de la anhidrita.

50 50 50

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TIPO DE

Edición 2016

DESCRIPCIÓN

AGUA

Las aguas sódico bicarbonatadas se encuentran generalmente en la zona de condensación de los sistemas de vapor dominante y en las partes marginales de los sistemas de líquido dominante. Sin embargo, también pueden estar presentes en los reservorios geotérmicos profundos alojados en rocas metamórficas y / o sedimentarias.

Este tipo de aguas se encuentra comúnmente en lagos cratericos, especialmente durante períodos de intensa actividad volcánica, es, obviamente, dominado por la afluencia y la absorción de los gases

¿Qué información proveen los diagramas de clasificación de agua?

Aguas

magmáticos ricos en especie como HCl y especies de S, principalmente

cloruradas

SO2 y H2S que conduce a la producción de soluciones acuosas

sulfato ácidas

fuertemente reactivas. En resumen, a través de la disolución en agua líquida, el SO2 se disocia en H2S y Ácido Sulfúrico, sin embargo estas aguas raramente están asociadas con reservorios geotérmicos de volcanismo reciente

Fuente: (Marini L. , 2004)

II.2.1. Clasificación a partir de diagramas rectangulares. Diagramas rectangulares de (Damore, Scandiffio, & Panichi, 1983) pueden ser entonces combinados con los análisis de los diagramas ternarios, (diagramas triagulares para el análisis simultaneo de tres 51 51 51

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componentes) de clasificación de aguas a partir de seis parámetros químicos, en base a los componentes mayoritarios expresados en meq/l, los cuales permiten distinguir los diferentes grupos de aguas en base a sus características hidrogeológicas más específicas. Para su elaboración todos los parámetros deben ser estandarizados entre +100 y -100 para extender su rango, y los valores Σ(+) y Σ (-) representan la suma de los cationes y aniones respectivamente y expresados en meq/l. Parámetro A: (100/ Σ (-)). (H CO3 - - SO4

): Este parámetro supone

una ayuda para distinguir entre aguas de circulación a través de materiales calcáreos de aquellos que tienen lugar en rocas de carácter evaporítico. Parámetro B: 100 . (SO4

/ Σ (-)) - ( Na+/ Σ (+)) : Este parámetro

discrimina entre aguas enriquecidas en sulfatos originado por la circulación en terrenos evaporíticos y las aguas enriquecidas en sodio en relación con terrenos sedimentarios arcillosos. Parámetro C: 100 . ( Na+/ Σ (+)) - (Cl- / Σ (-)): Este parámetro tiende a distinguir entre aguas derivadas de volcanitas, de aquellas que proceden de series carbonáticas -evaporitas o de un basamento regional de carácter cuarcítico esquistos. Ambos tipos tienen altos contenidos en Na+, pero mientras unas tienen bajo contenido en Cl - las otras presentan relaciones de Na/Cl próximas a la unidad. Parámetro D : 100 . ((Na+ - Mg )/ Σ (+)): Este parámetro individualiza 52 52 52

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aguas de circulación a través de calizas dolomitizadas. Parámetro E: 100 . (Ca2+ +Mg

/ Σ (+)) - (H CO3- / Σ (-)): Este

parámetro básicamente distingue entre circulaciones en yacimientos carbonatados de aquellos yacimientos que contienen sulfatos. Parámetro F : 100 . ((Ca2+ - Na+ - K+)/ Σ (+)): Este parámetro destaca los incrementos en la concentración de K+ de las muestras de aguas. La Figura 2.3 muestra un diagrama hipotético de D'amore y Panichi el cual ha sido utilizado no solo para clasificación de aguas de tipo geotérmico sino también para aguas subterráneas en general, proveyendo buenos resultados para interpretar interacciones de los cationes y aniones mayoritarios. Figura 2.3 Ejemplo de uso de gráficos rectangulares de D'amore y Panichi para clasificación de aguas

Fuente:(Damore, Scandiffio, & Panichi, 1983)

Pese

a todas las directrices

clasificación

aguas

antes

mencionadas es importante mencionar que siempre existen más elementos a considerar en cada categoría de clasificación, por ejemplo 53 53 53

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si las aguas cloruradas sódicas han adquirido sus componentes químicos mediante procesos de intercambio iónico en condiciones específicas de presión y temperatura de sistemas hidrotermales o de otras aguas cuyos contenidos en cloro y sodio están relacionados con procesos de disolución de depósitos salinos y/o intrusiones marinas. ¿Qué tipos de gases estamos

II.3. Clasificación de fluidos a través de composiciones químicas en gases.

tratando de encontrar y analizar en nuestro sistema?

En general, el componente principal de los gases geotérmicos es H 2O seguido por CO2 y H2S en orden decreciente de importancia. Otras especies de gas presentes en concentraciones más bajas son N2, H2, CH4, CO, NH3, Ar, y He. Los gases fuertemente ácidos, es decir, SO2, HCl, y HF, son típicos de la desgasificación de fluidos magmáticos (Chiodini, Reactions governing the chemistry of crater fumaroles from Vulcano Island, Italy, and implications for volcanic surveillance, 1993) y están prácticamente ausentes en los fluidos geotérmicos (Giggenbach, Geothermal gas equilibria, 1980). Además, los gases geotérmicos se caracterizan por contenido de CH4 mucho mayor que el de CO(Chiodini, Cioni, Guidi, Marini, & Raco, 1992). De manera similar a lo que se hace para las aguas, para los gases es conveniente llevar a cabo una evaluación inicial para separar los constituyentes menos reactivos, con el objetivo de obtener información 54 54 54

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sobre los posibles orígenes de los componentes del fluido, sobre los principales procesos que controlan su distribución y posibles procesos secundarios de interferencia con las evaluaciones de equilibrios en fase gaseosa.

Los constituyentes más evidentes a utilizar son entonces el

N2, Ar y He, según lo sugerido por(Giggenbach, Chemical techniques in geothermal exploration, 1991). Helio y Argón son gases nobles químicamente inertes y aunque N2 es poco reactivo en general, su contenido no se perturba por las reacciones químicas, ya que es, la especie predominante. Teniendo en cuenta un gran número de análisis de gas procedentes de diferentes ajustes tectónicos, (Giggenbach, Chemical techniques in geothermal exploration, 1991) demostró que las concentraciones relativas de He, Ar, y N2 delinean las siguientes superficies de componentes mayoritarios. 1. Componente meteórico representado por el agua subterránea saturada de aire (ASW), que se caracteriza por proporciones de N2 / Ar de aproximadamente 38, debido al posible arrastre de burbujas de aire. La relación He / Ar es menor que 0.001.(Marini L. , 2004) 2. Componente magmático "andesitico" con relaciones de N2 / Ar de 800-2000, que son típicos de emisiones de gases geotérmicos y centros volcánicos a lo largo de los límites de placas convergentes (Giggenbach,

The

origin

magmatic-hydrothermal

and

systems.

evolution In:

fluids

Geochemistry

hydrothermal ore deposits, 3d Edition, 1997). Estas proporciones 55 55 55

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relativamente altas N2 / Ar se atribuyen a la adición de N2, debido principalmente a la descomposición térmica de la materia orgánica contenida en los sedimentos subducidos (Matsuo, 1978). Sin embargo, esta relación es variable debido a diferencias en cantidades de sedimentos marinos que llegan a donde se generan magmas andesíticos(Kita, 1993). 3. Componente magmático "basáltico", caracterizado por un contenido de helio significativamente más alto que el del componente meteórica

(He/Ar:

0.1).

Gases

ricos

este

componente,

etiquetados como manto en la Figura 2.4 se encuentran por lo general a lo largo de los límites de placas divergentes (PR).(Marini L. , 2004) Figura 2.4 Concentraciones relativas de He, Ar, N2 y en varios gases asociados procedentes de diferentes contextos tectónicos

Fuente:(Giggenbach, Chemical composition of volcanic gases. In: Monitoring and Mitigation of Volcano

56 56 56

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Hazards, 1996).

¿Es posible que ocurra

A pesar de la atención en el muestreo de las descargas de gas natural,

contaminación

la contaminación del aire atmosférico no siempre se puede evitar, por

en el muestreo

ejemplo cuando el aire es arrastrado en la trayectoria de flujo

de gases?

ascendente de aguas profundas hacia la descarga superficial. La contaminación del aire podría ser indicada por la presencia de O2, pero esto no es una regla general, ya que O2 se consume rápidamente a través de la reacción con la especie de gas reductor (principalmente H2S) inicialmente presentes en los gases de profundidad. A su vez, la contaminación del aire puede dar lugar a la oxidación parcial o completa de la reducción de las especies de gas. La ocurrencia de este proceso,

por

tanto,

invalida

las

técnicas

geoquímicas-geo

barométricas que implican cualquiera de las especies de gas reductor o gases atmosféricos (por ejemplo, Ar).(Marini L. , 2004) Ejemplo de lectura y ubicación de

II.4. Procesamiento de datos e interpretación de resultados. II.4.1. Diagrama de Piper Hill Langelier

puntos en

Consiste en dos diagramas triangulares, uno que recoge la información

diagramas

de concentraciones referente a los cationes Ca 2+, Mg2+ y de manera

triangulares

conjunta la suma de Na++K+. El otro diagrama resume la información referente a concentraciones de los aniones HCO3-, SO42- y Cl-. La información tanto del diagrama triangular de cationes como de aniones se extrapola

en un rombo central

que permite clasificar de forma 57 57 57

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rápida el tipo de agua al que la muestra analizada corresponde. Los datos para ser utilizados deben ser convertidos a fracción molar. Un ejemplo de cómo utilizar estos diagramas cuando ya se han convertido correctamente

las

unidades

correspondientes,

presenta

continuación para una muestra hipotética descrita en la Tabla 9. Tabla 9 Ejemplo de porcentajes iones

mayoritarios para ubicación en

diagrama ternario

Especie

% meq/L

Especie

% meq/L

Ca2+

Cl-

Mg2+

SO42-

Na++ K+

HCO3-

Fuente: (Argueta J, PREG 2016)

Paso 1: Ubicar los puntos en los diagramas triangulares. Figura 2.5 Ubicación de porcentajes en diagrama ternario

58 58 58

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Fuente: (Argueta J, PREG 2016)

Nótese en la Figura 2.5, que cada componente aumenta en conformidad a las líneas paralelas colocadas externas al gráfico, la concentración en cada vértice representa una composición del 100 % del componente descrito en dicho vértice. Paso 2: Extrapolar al rombo centra siguiendo la líneas paralelas a la flecha utilizada como guía en la Figura 2.6.

Figura 2.6 Ubicación de sitio en romboide de clasificación de aguas

Fuente: (Argueta J, PREG 2016)

59 59 59

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Figura 2.7 Zonas de clasificación en diagrama de Piper Langelier

Ejemplo de lectura y ubicación de puntos en diagramas de Stiff

Fuente: (Argueta J, PREG 2016)

Paso 3. Una vez ubicada la muestra en el rombo se puede utilizar la Figura 2.7 para clasificar según el tipo de agua. Para el caso en particular de la muestra analizada, se trata de un agua rica en Ca y HCO3-. II.4.2. Diagrama de Stiff modificado. Este diagrama permite, mediante el uso de un esquema representar la composición del agua y de igual manera son utilizados comúnmente para indicar sobre un mapa o en su defecto en un mapa conceptual la caracterización del agua en un punto dado, con la diferencia que únicamente permite la ubicación a lo largo de rectas paralelas de los 60 60 60

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siguientes iones: En el lado de los cationes, la izquierda del diagrama Sodio (Na+) o la suma de Sodio Potasio (Na++ K+), Calcio (Ca2+) y Magnesio (Mg2+); mientras que en el lado de los aniones, lado derecho, el Cloro (Cl -), Sulfato (SO42) y Bicarbonato (HCO3-). En el esquema de la Figura 2.8 y la Figura 2.9 se utilizan unidades de concentración en meq /L, la Tabla , se proporciona datos hipotéticos para utilizarlos en el ejemplo posterior.

Tabla 10a Ejemplo de datos de aniones mayoritarios para transformación de unidades

Especie

mmol/L

Especie

mmol/L

Ca2+

0.5

Cl-

0.2

Mg2+

1.0

SO42-

1.2

Na+ + K+

0.5

HCO3-

0.6

Fuente: (Argueta J, PREG 2016)

Paso 1. Convertir las unidades a meq/L, en este caso particular las unidades están reportadas en mmol/L, por lo que basta con multiplicar la concentración base por la valencia de cada especie, la cual se encuentra indicada por el valor absoluto del superíndice colocado luego del símbolo de cada elemento en la tabla periódica o en los reportes de laboratorio del elemento, Ej. Para el caso del Sodio el ion es Na +, al tener como carga 1+, los mmol/ L deberán ser multiplicados por la unidad, en el caso del sulfato SO42+, al tener valencia 2, los mmol/L deberán multiplicarse por 2 unidades y así sucesivamente.

(Nota: 61 61 61

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Para el caso de unidades en mg/L el valor de concentración se deberá de dividir primero entre el peso molecular del ion en estudio). Tabla 10b Ejemplo hipotético de datos para cambio de unidades de concentración

Especie

mmol/L

Valencia

meq/L

Ca2+

0.5

Mg2+

1.0

Na+ + K+

1.0

Cl-

1.0

SO42-

0.9

1.8

HCO3-

0.6

Fuente: (Argueta J, PREG 2016)

Paso 2. Ubicar la concentración en meq/L en las semirrectas según corresponda a cada especie. Figura 2.8 Ejes de diagrama de Stiff modificado

Fuente: (Argueta J, PREG 2016)

62 62 62

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Paso 3. Unir los puntos en el diagrama para formar un polígono y clasificar

agua en

función

los

componentes en

mayor

Ejemplo de diagramas de

concentración.

Schoeller o

Figura 2.9 Diagrama de Stiff modificado también llamados spider diagramas

Fuente: (Argueta J, PREG 2016)

Nota: En el caso particular de la muestra analizada se trata de un agua sulfatada magnésica.

II.4.3. Diagramas de Scholler En estos diagramas, se distribuyen los diferentes componentes analizados en el eje de las abscisas, mientras que en el eje de las ordenadas se asignan los valores de concentración en un único sistema de unidades seleccionado, habitualmente los cationes se ubican a la 63 63 63

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izquierda del diagrama y los aniones a la derecha. Es de gran ayuda para realizar comparaciones entre muestras o ver la evolución de la composición del sistema con respecto al tiempo.

Figura 2.10 Ejemplo de Diagrama de Schoeller

Fuente: (Argueta J, PREG 2016)

Síntesis de la unidad Como síntesis de esta unidad se muestra la Tabla 9 y la Tabla 10, que serán de especial utilidad ya que condensan la mayoría de elementos gráficos solicitados en la primera práctica práctico y foro de este módulo. Para el resto de diagramas, durante la unidad (se han mostrado ejemplos de cálculo manual) que sirven para esta y otras aplicaciones geoquímicas de exploración, la referencia de los gráficos presentados en dichas tablas pueden descargarse de la página indicada al pie de las tablas que permiten el uso de un archivo de Excel con licencia libre de tipo GNU, para uso y mejoramiento.

64 64 64

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La Tabla 9 contiene gráficos de interpretación química y clasificación de aguas en fase líquida.

Tabla 9 Explicación de hojas de cálculo y gráficos geoquímicos liquid_analysis_v3_powell-cumming_2010_stanfordgw.xls No

DIAGRAMA GEOQUÍMICO

DESCRIPCIÓN DEL GRAFICO El diagrama ternario ubicua Cl-SO4-HCO3 ilustra las proporciones de los principales aniones presentes en el agua geotérmica en un formato basado en (Giggenbach, Chemical techniques in geothermal

90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% Steam ra Heated 10% Waters SO4

mo WK MV wk MU pr ZU wi ar rb ya NG mv ng ws

exploration. In, 1991). Las etiquetas de la trama indican asociaciones con diferentes partes de un

ma zu

fn ln HCO3

Hoja Excel: tcsh

sistema geotérmico o diferentes tipos de sistemas geotérmicos.

Una

fuente

significativa,

bicarbonato

termal y

con

sulfato

cloruro

moderada

mínima es consistente con la salida de un yacimiento geotérmico.

90% 80% 60% 50%

presentada en (Giggenbach, Chemical techniques

MV mv ws WK rb wk ZUzu ma

70%

40%

El ternario de cloruro, litio y boro en la forma

Cl MU wi Seawate mo ra pr r ya

in geothermal exploration. In, 1991) se utiliza para

30% 20% 10% 100 Li

Ultramafi ng NG Diorite Limesto cln Basalt ne Sandsto Granite Shale ne

distinguir fluidos de diferentes fuentes, para revelar 25 B

fraccionamiento asociada con la ebullición o la Hoja Excel: Tclb

mezcla con los fluidos que se han hervido, o fluidos

65 65 65

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DIAGRAMA GEOQUÍMICO

Edición 2016

DESCRIPCIÓN DEL GRAFICO generados por diferentes fuentes de vapor de alta temperatura.

Este ternario de cloro, flúor y boro es útil en la

Cl MU mo wi ra pr ws ya WK MV mv rb wk ma ZU zu fn

90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 25 F

localización de fuentes de agua, porque, en ar

ausencia de relativamente rara fluorita con la cual ng NG ln 25 B

Hoja Excel: Tcfb

se reequilibre el flúor se puede esperar que sea conservador.

Fuente: Powell, Tom and Cumming, William 2010. Spreadsheets for Geothermal Water and Gas Geochemistry. Thirty-Fifth Workshop on Geothermal Reservoir Engineering Stanford University, Stanford, California, February 1-3, 2010. SGP-TR-188 https://pangea.stanford.edu/ERE/pdf/IGAstandard/SGW/2010/powell.pdf

La Tabla 10 contiene gráficos de interpretación química y clasificación en fase gaseosa Tabla 10 Explicación de hojas de cálculo y gráficos geoquímicos gas_analysis_v2_powell-cumming-2010-stanfordgw.xls No

DIAGRAMA GEOQUÍMICO

DESCRIPCIÓN DEL GRAFICO Este es el diagrama ternario de (Giggenbach &

90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% Crustal 1000 He

44 Magmati c

Goguel, Collection and analysis of geothermal and

Air 15 28 822 (N2/Ar = 16 5 12 3084)ASW 36 42 38 43 LR 41 3 Meteoric 40 HP (N2/Ar = 23 23 . 38) 26

volcanic water and gas discharges, 1989) N2, He y

100 Ar

Ar se utilizan para determinar posibles fuentes de aguas

geotérmicas

para

indicar

Hoja Excel: Tnha contaminación

del

aire

podría

afectar

66 66 66

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DIAGRAMA GEOQUÍMICO

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DESCRIPCIÓN DEL GRAFICO negativamente la interpretación de la química. La relación

contribuciones

útil

magmáticas

para

mostrar

relativas

las

y fluidos

meteóricos. El

diagrama

ternario

(Giggenbach,

The

100 N2

90% 80% 70% 60%44 50% CO2/N2 40% = 200 26 30% (White 20% Island) 10% CO2

Magmati c (N2/Ar = 800) 28 15 22 8516 36 30 12 38 42 LR Air 23 23 413 43 40HP (N2/Ar = 84)ASW (N2/Ar = 38) 10000 Ar

composition of gases in geothermal and volcanic systems as a function of tectonic setting, 1992) se construye a partir de N2, Ar y CO2, tiene una aplicación similar al diagrama Tnha, pero utiliza

Hoja Excel: Tnca

CO2 en lugar de Helio. TCHN es un diagrama ternario sencillo de CO2, H2S CO2

90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 10 H2S

y NH3 que se utiliza para examinar las diferencias químicas entre muestras de gas. Estos tres gases

1000 NH3

tienen diferentes solubilidades en agua, por lo que sirven de apoyo para interpretar procesos de

Hoja Excel: TCHN : Txyz condensación o ebullición. Fuente: Powell, Tom and Cumming, William 2010. Spreadsheets for Geothermal Water and Gas Geochemistry. Thirty-Fifth Workshop on Geothermal Reservoir Engineering Stanford University, Stanford, California, February 1-3, 2010. SGP-TR-188 https://pangea.stanford.edu/ERE/pdf/IGAstandard/SGW/2010/powell.pdf

67 67 67

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Unidad III. Estimación de Temperaturas en Reservorios a través de Geotermómetros Objetivos de aprendizaje Evaluar condiciones de temperatura de reservorios a partir de aplicación de geotermómetros.

III.1. Introducción a la unidad En esta unidad usted aprenderá a evaluar las condiciones de temperatura

los

fluidos

profundos

través

diferentes

aplicaciones geotermométricas. Además podrá calcular en base a fórmulas y datos geoquímicos, las temperaturas probables de los fluidos de origen y relacionar temperaturas geotermométricas con procesos fisicoquímicos en el reservorio.

III.2. Clasificación y definición de geotermómetros. ¿Que son los

Básicamente los geotermómetros son relaciones matemáticas que a

geotermómetros? partir

de datos de concentración química de analitos medidos en

superficie (ya sea en fase acuosa o gaseosa) determinan o estiman la temperatura del sistema de origen, basándose en ecuaciones químicas en equilibrio, es decir, reacciones químicas que son función de la temperatura y que se sabe que tuvieron que ocurrir bajo condiciones de

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reservorio geotérmico. No todas las especies químicas son útiles para este propósito ya que muchos de ellos tienen demasiada interacción química en su recorrido hacia la superficie afectando el análisis que se desea estimar bajo condiciones de reservorio. La Tabla 13 muestra los geotermómetros de sodio y potasio que como se ha visto en las unidades anteriores son analitos que conllevan una historia y huella del sistema profundo. Las concentraciones en estas ecuaciones deben de ser introducidas en mg/L y la temperatura es estimada en grados centígrados.

Tabla 11 Geotermómetros de Sodio y Potasio

Ecuación

Rango de Temperatura

Referencia

0-250

Fournier (1979)

25-350

Arnórsson et. al. 2(1983)

Nieva & Nieva (1987)

Giggenbach (1988)

Verna & Santoya (1997)

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Ecuación

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Rango de

Referencia

Temperatura

0-350

Arnórsson (2000)

100-350

Can (2002)

Fuente: (DeBonne, 2015)

La tabla 14, muestra los geotermómetros de sodio, potasio y calcio que para muchos sistemas geotérmicos estiman muy bien la temperatura debido a que las interrelaciones de calcio en el reservorio aportan características geológicas propias de esos sistemas, pero en otros sistemas su adición sobreestima su interrelación real. Tabla 14 Geotermómetros de Sodio, Potasio y Calcio

Ecuación

Rango de Temperatura

Referencia

Fournier & 0-250 Truesdell (1973)

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Ecuación

Edición 2016

Rango de Temperatura

Referencia

Kharaka & 0-250 Mariner (1988)

Nieva & Nieva NR (1987)

Giggenbach NR (1988)

Fuente: (DeBonne, 2015)

La tabla 14, muestra las ecuaciones de los geotermómetros de sílice, el cual probablemente es uno de los elementos más estudiados para sistemas geotérmicos dado que su solubilidad posee una fuerte correlación de temperatura en sistemas geotérmicos de mediana a alta temperatura, pero que no siempre son adecuados para sistemas con temperaturas muy altas o en otros sistemas en los que hay reequilibrios dados los procesos que el fluido lleva a cabo en su camino hacia la superficie.

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Tabla 15 Geotermómetros de Sílice

Ecuación

Rango de Temperatura

Referencia

Truesdell 100-275 (1976)

Fournier-1 70-250 (1977)

Fournier-2 0-250 (1997)

Fournier & NR Potter (1982)

Arnórsson et NR al. (1983)

Arnórsson-2 NR (2000)

Verna (2000)

Arnórsson et NR al. (1983)

Fuente: (DeBonne, 2015)

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Figura 3.1 Ecuaciones geotermométricas para gases

Fuente: (Powell, PROCEEDINGS, Twenty-Fifth Workshop on Geothermal Reservoir Engineering, 2000)

III.3. Procesos y características posibles en fluidos geotérmicos.

Este tema no está relacionado directamente con la determinación de geotermómetros pero los procesos de la Figura 3.3 si lo están y se requiere el conocimiento y aclaración de estos conceptos, además es

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importante también tener presente todos estos procesos siempre ya que se relacionan con temperaturas de nuestro sistema. III.3.1. Mezcla y ebullición ¿Cuando se

Antes de analizar la influencia de los procesos de mezclado en los

tienen suficientes

líquidos geotérmicos ebullendo, es conveniente aclarar cuál es el

datos ¿cómo distinguir procesos de mezcla y

significado de los componentes móviles y reaccionantes. Como se muestra en la tabla 16 los componentes disueltos se pueden subdividir en dos grandes grupos en función de su comportamiento durante el transporte desde el reservorio hasta la superficie.

ebullición?

Tabla 16 Grupos de componentes disueltos en función de su comportamiento TIPOS No

DESCRIPCIÓN EN EL SISTEMA ANALITOS Son aquellos cuya actividad no está limitada, básicamente son Cl, Br,

Analitos

B y, en cierta medida, Li, Rb y Cs, así; una vez que se han añadido a

conservadores

un agua geotérmica, sus contenidos a lo largo de la trayectoria de

o móvil

flujo ascendente se cambian solamente mediante la mezcla y la pérdida de vapor Son aquellos cuya actividad es controlada por la saturación con

Analitos respecto a un sólido o una fase gaseosa; que se equilibran bajo reaccionantes 2

condiciones de reservorio y pueden responder a los cambios o no termoquímicos a lo largo de la trayectoria de flujo ascendente del conservativos agua geotérmica; Ca, Mg, Na, K, HCO3, SO4, F, SiO 2, .Por lo general

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TIPOS No

DESCRIPCIÓN EN EL SISTEMA ANALITOS todos ellos presentes en entornos geotérmicos

Fuente: (Marini L. , 2004)

Cloruro tiene un comportamiento móvil en la mayoría de las aguas naturales, su saturación con respecto a halita, es alcanzado sólo en entornos naturales muy peculiares. Por lo tanto se puede utilizar con confianza como referencia para las otras especies o constituyentes disueltos. (Marini L. , 2004) En base a la Tabla 15 y para el caso del análisis de mezclas de aguas, es posible analizar gráficamente los analitos conservadores de los diferentes puntos de muestreo superficiales en un gráfico de dispersión, el resultado de diferentes tipos de mezclas de fluido profundo o subsuperficiales, permitiría visualizar una correlación lineal tal como se muestra en la Figura 3.2, el cual es útil para detectar procesos de mezclado y de ebullición. Puntos de agua que se mueven lejos de la correlación lineal (la cual es representativa de agua pura o de vapor separado y re condensado) son debidos a la ebullición y pueden observarse a la derecha de la Figura 3.2.

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Figura 3.2 Grafico de Cloro vs boro

Fuente: (Marini L. , 2004)

El diagrama de la Figura 3.2 es particularmente Mezclas binarias, en cambio, conducen a tendencias lineales que unen el agua geotérmica y fría. Sin embargo este grafico se complementa con el grafico de entalpia vs cloro para

mezclas con aguas diluidas y frías (Es

importante hacer notar que el análisis de entalpia tiene mayor peso y confianza cuando ya se tienen pozos perforados) tal como se muestra en la Figura 3.2. El uso de entalpía vs. Cloruro se discuten a fondo por (Fournier, Geochemical and Hydrologic considerations and the use ofenthalpy-cloride

diagrams

the

predictions

underground

conditions in hot springs systems, 1979) y es una herramienta adecuada para distinguir los efectos de ebullición y mezcla, ya que ambos vapor y aguas frías, aunque generalmente tienen bajo contenido de cloruro, se caracterizan por muy diferentes valores de entalpía. El

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Edición 2016

grafico de entalpía - cloruro de la Figura 3.3 muestra que la ebullición (pérdida de vapor caliente) mueve el líquido desde el punto representativo de 265 °C líquido geotérmico hacia contenidos de cloruro superiores y entalpías inferior, mientras que la adición de fluido frío diluye aguas (disminución de cloruros) al mismo tiempo que disminuye su entalpia acercándola al origen. Si una profundidad de agua caliente se enfría principalmente a través de la pérdida de calor por conducción, su entalpía disminuye pero su concentración de cloruro se mantiene sin cambios (Marini L. , 2004). Es importante mencionar que usualmente cuando existe ebullición, el pH del sistema aumenta y se disminuye la solubilidad de las especies químicas, favoreciendo la deposición de sulfuros y óxidos. Este proceso es más rápido en sistemas donde la presión es más baja y existe más permeabilidad. Figura 3.3 Grafico de entalpia vs cloro

Fuente: (Marini L. , 2004)

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¿Qué otros tipos de procesos

Edición 2016

III.3.2. Otros procesos de reservorios caracterizados a partir de temperaturas geotermométricas.

podemos

En la Tabla 17 se resumen algunos procesos geoquímicos asociados a

distinguir a

relaciones entálpicas o en este caso a temperaturas geotermométricas

través de

y temperaturas instantáneas reales del sistema, (Tm), es importante

nuestros datos

mencionar que este tipo de análisis debe de hacerse posterior a la etapa

geoquímicos geo

de exploración ya que en ningún momento de la exploración podremos

termométricos?

tener acceso a temperaturas medidas o instantáneas pero es importante que este curso interpretación

este

contenga este tema dado que su

momento

puede

ser

utilidad

con

interpretaciones requeridas posteriormente para entender globalmente el sistema y proponer un modelo geoquímico conceptual coherente. Tabla 17 Procesos geoquímicos asociados a relaciones geotermométricas

EJEMPLO DE PROCESO OCURRIDO

PROCESOS GEOQUÍMICOS ASOCIADOS Y

EN EL RESERVORIO1

RELACIONES GEOTERMOMÉTRICAS

TM=TNaKCa=TSiO2 El fluido esta en equilibrio, no hay exceso de 1 vapor y la temperatura no ha sido afectada por mezclas.

Imágenes de procesos ocurridos en reservorio: Elaboración propia (Arte: Argueta J.,

PREG, 2016).

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EJEMPLO DE PROCESO OCURRIDO

Edición 2016

PROCESOS GEOQUÍMICOS ASOCIADOS Y

EN EL RESERVORIO

RELACIONES GEOTERMOMÉTRICAS TM>TNaKCa>TSiO2 El fluido esta ebullendo por caída de presión local, causando elevación en temperatura local interfacial (TM) y leve enfriamiento del fluido (dependiendo de la magnitud de la despresurización) lo que a su vez causa

2 disminución

las

temperaturas

geotermométricas en especial la de Sílice que es

más

sensible

memoria

corta

(subestimando la temperatura original previo a la despresurización). Cuando la presión se reestabiliza TM=TNaKCa> TSiO2 TNaKCa>TM=TSiO2” Esto ocurre cuando hay mezcla localizada con agua fría (Sin gran penetración térmica) y 3

reequilibrio de sílice pero no de NaKCa, debido a la velocidad de reequilibrio de sílice con respecto a

temperatura

y la

mayor

solubilidad de los cationes NaKCa.

Curso básico en exploración geotérmica para la integración regional

EJEMPLO DE PROCESO OCURRIDO 1

EN EL RESERVORIO

Edición 2016

PROCESOS GEOQUÍMICOS ASOCIADOS Y RELACIONES GEOTERMOMÉTRICAS

TM>TNaKCa=TSiO2 Indica mezcla de líquido equilibrado junto con vapor

formado

por

ebullición

lejana

4 (Ebullición

proveniente

una

zona

extendida) con entradas de vapor y fluidos separadas

TNaKCa>TSiO2>TM Mezcla de fluido equilibrado con fluido más 5 frio y diluido (Por ejemplo: por infiltración en múltiples entradas).

TM=TSiO2>TNaKCa Indica penetración térmica de agua más fría. 6 Dando lugar incluso al reequilibrio de TNaKCa a baja temperatura.

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EJEMPLO DE PROCESO OCURRIDO

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PROCESOS GEOQUÍMICOS ASOCIADOS Y

EN EL RESERVORIO

RELACIONES GEOTERMOMÉTRICAS TM>>TNaKCa>>TSiO2 Este proceso es inusual, e indicaría que la salmuera del fluido en realidad es vapor

sobrecalentado condensado a alta presión. La condensación no hace enfriar al fluido pero disminución

sales

hace

que

los

geotermómetros subestimen altas temperat. Fuente: Elaboración propia, a partir de análisis de (Truesdell, Lipmann, Quijano, & DAmore)

Nota

aclaratoria:

Usualmente

las interpretaciones

procesos

geotérmicos se hacen a través de relaciones de entalpías para lo cual es conveniente

comparar

las

entalpias

calculadas

través

geotermómetros con entalpias directas (Hm) (Al hablar de entalpias medidas o directas se hace referencia nuevamente que esto se trata de análisis geoquímicos de reservorios en explotación) y se requiere una correlación matemática que permita transformar la temperatura en entalpia, tal como se muestra a continuación, donde HL es entalpia de líquido, Hv es entalpia de vapor, T temperatura en grados Celsius. HL = 418.84 +10.286 T –0.05092 T2 +2.6309 10-4 T3 –6.9303 10-7 T4 +7.4566 10-10 T5 –1209.8 T-1 +11.99 T-2 –353.76 log T HV = 2035 –5.0499 T +0.057399 T2 –3.0426 10-4 T3 +7.9095 10-7 T4 -8.6968 10-10 T5 +1342.4 T-1 –13.298 T-2 +396.29 log T Fuente: (Marini L. , 2004)

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III.4. Procesamiento y cálculos Geotermométricos. Para el procesamiento y cálculos Geotermométricos en la práctica y foro de esta unidad se muestra en la Tabla 18 y la Tabla 19 los geotermómetros calculados en fase gaseosa. En la Tabla 18 se muestran geotermómetros calculados en fase acuosa.

Tabla 18 Explicación de hojas de cálculo y gráficos geoquímicos liquid_analysis_v3_powell-cumming_2010_stanfordgw.xls No

DIAGRAMA GEOQUÍMICO

DESCRIPCIÓN DEL GRAFICO El gráfico de Na-K-Mg es probablemente la trama de cationes más utilizado en geotermometría. La versión del archivo Excel es similar a la de en (Giggenbach, Chemical techniques in geothermal exploration. In, 1991). Giggenbach llamó a este

90%

tipo de trama un "geoindicador" porque organiza

80% 70%

ya 60% MV NG 180160140120 100 WK 200arMU mv mo 50% 220 80 ng ZU 240 60 260 40% wk fn 280 Seawater 300 30% rb 320 pr Partial Equilibration 340 ws wi 20% Granite Sandstone Diorite Basalt ramazu ln Immature Waters Ultramafic Shale Limestone 10% 10 K

Hoja de Excel: Tnkm

1000 Mg^0.5

los puntos de datos de una manera que ilustra tanto la evidencia que apoya la interpretación de agua equilibrada a alta temperatura y la influencia de los procesos

poca

profundidad

y posible

equilibrado a temperatura más baja. Algunos autores interpretan directamente mezclas de esta trama, pero debido a que reequilibrio puede producir un patrón similar que debe verificarse.

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DIAGRAMA GEOQUÍMICO

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DESCRIPCIÓN DEL GRAFICO Esta

trama

del

geotermómetro

K-Mg

geotermómetro cuarzo es la de (Giggenbach & Goguel, Collection and analysis of Geothermal and volcanic water and gas discharges, 1989) La trama 1

log (K2/Mg) 3 4

utiliza el geotermómetro calcedonia, que a menudo

SiO2 mg/kg

es más apropiado utilizar que el cuarzo para el agua

mv ar pr ng rb

fn 120

de una fuente de temperatura inferior. Mediante la

ya wk 160

140

300

NG 180

400

200

500

comparación de dos geotermómetros de baja

220 240260

200

100

wi mo

100

0 0

temperatura,

600

coinciden.

Hoja de Excel: Xkms

aumenta

confianza

desacuerdo

entre

estos

estos dos

geotermómetros podría ser debido a la dilución, equilibrado con sílice amorfa, o quizás algún efecto residual de una zona de ácido que invalida la geotermometría. (Giggenbach & Goguel, Collection and analysis of Geothermal and volcanic water and gas discharges, 0

log(K2/Mg) 4

140

Ultramafic

Basalt Diorite

que

Sandstone

Shale

Hoja de Excel: Xkmc

"geoindicador" en lugar de un geotermómetro ya

-1

MV WK

-2

fn ar Limestone pr rb ra mv ya ng wk MU Seawater NG

Log(PCO2) bar

200 220 240 260 280 300 320 340

zu ws

180

log(K2/Ca)

1989) se refieren a esta cruzada trama como un

-3

160

120

100

-4 80

-1

yuxtapone

geotermómetro

potasio-magnesio con una medida de la presión

parcial de CO2 basado sobre el equilibrio entre feldespato de potasio, calcita y mica potásica en un lado y Ca+2 y K+ disuelto en el otro. El propósito del

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DESCRIPCIÓN DEL GRAFICO grafico es determinar la presión parcial de CO 2 en la última temperatura de equilibrio entre el agua y la roca,

como

que

determina

por

geotermómetro de K-Mg. Los valores de presión parcial de CO2 (PCO2) asumen el equilibrio entre la calcita y las otras fases minerales. La PCO 2 ploteada fuera del área de "formación de calcita" sólo puede interpretarse cualitativamente, si es así el grafico probablemente limita interpretar si el fluido muestreado esta probablemente en equilibrio con calcita en el subsuelo. Este diagrama de Na-K / Mg-Ca, presentado en (Giggenbach & Goguel, Collection and analysis of

wi zu

Seawater 60

0,9

0,8 80

Granite wk

ng fn

260 280 300 320 340

220

180

0,2

aplicación

más

extendida

NG 200

0,3

Mg-Ca.

ma 120 140

0,4

geotermómetro Na-K con el equilibrio del sistema

Sandstone Limestone pr

100

0,5

1989), es otro "geoindicador". Se yuxtapone el

Basalt Diorite

0,6

160

10Mg/(10Mg+Ca)

0,7

ln Ultramaficra Shale

240

1,0

Geothermal and volcanic water and gas discharges,

determinación de la influencia de los procesos de

MVWK ZU

0,1 0,0 0

0,2

0,4

0,6

0,8

baja temperatura, poco profundos, que tienen una

10K/(10K+Na)

Hoja de Excel: Xmckn

influencia particular sobre el equilibrio aparente Mg-Ca. Puede ser apropiado para los reservorios en rocas carbonatadas o fluidos dominadas por la química de la roca en lugar de equilibración

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DESCRIPCIÓN DEL GRAFICO geotérmica. Este es el diagrama de cloruro-entalpía. La entalpia es estimada a partir del geotermómetro de cuarzo (Fournier & Potter, Magnesium correction to the Na-K-Ca chemical geothermometer, 1982) (el geotermómetro de curva polinómica de cuarto

3000

orden) ajustado a entalpías de agua pura entre

Quartz Geothermometer Enthalpy - kj/kg

Steam 2500

80ºC y 340ºC. La posición del vapor (2800 kJ / kg)

2000

1500

WK NG

1000 fnzu ws

se establece con un punto en el eje de "entalpía",

rb ng ar ra

ma ln

representativo de vapor separado entre 200ºC y

500

260ºC. Teniendo en cuenta la escala del eje de

0 0

1000

2000

3000

4000

Chloride - ppm

entalpía, el error introducido por vapor separado a Hoja de Excel: XClHqtz diferentes temperaturas es pequeño. Este grafico es

comúnmente

útil en áreas

donde

puede

sospecharse separación de vapor y dilución y donde hay muchas fuentes de fluido para muestrear, incluso pozos. Fuente: Powell, Tom and Cumming, William 2010. Spreadsheets for Geothermal Water and Gas Geochemistry. Thirty-Fifth Workshop on Geothermal Reservoir Engineering Stanford University, Stanford, California, February 1-3, 2010. SGP-TR-188 https://pangea.stanford.edu/ERE/pdf/IGAstandard/SGW/2010/powell.pdf

La tabla19 muestra los geotermómetros calculados en fase gaseosa.

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Tabla 19 Explicación de hojas de cálculo y gráficos geoquímicos gas_analysis_v2_powell-cumming-2010-stanfordgw.xls No

DIAGRAMA GEOQUÍMICO

DESCRIPCIÓN DEL GRAFICO TCHN es un diagrama ternario sencillo de CO2, H2S

CO2

y NH3 que se utiliza para examinar las diferencias

90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 10 H2S

químicas entre muestras de gas. Estos tres gases

1000 NH3

tienen diferentes solubilidades en agua, por lo que sirven de apoyo para interpretar procesos de

Hoja de Excel: TCHN : Txyz condensación o ebullición. Es un gráfico de relaciones geotermometricas de gases con baja solubilidad, y no requiere que el usuario especifique

fracción de

vapor de

equilibrio con el gas. Este grafico yuxtapone el geotermómetro de CO2 con un geotermómetro H2,

4 MAL

equilibrate d vapor

1523

log(H2/Ar)

Argon Error

equilibrate d liquid

36 38 22 28 40438 41 16 125 42 30

de la relación gas-vapor. RH se puede especificar para la red en la página de entrada, pero se

utilizando la concentración de argón como sustituto

2326

propone el -2.8 por defecto para ser representativo

-1

-2 0

4 5 log(CO2/Ar)

Hoja de Excel: CAR-HAR

para la mayoría de los sistemas, excepciones propuestas son discutidas por (Urzua, Powell, Cumming, & Dobson, 2002). Debido a la baja solubilidad de los tres gases implicados, los resultados no sufren diferencias significativas de solubilidad entre el vapor y el líquido, y puede ser

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DESCRIPCIÓN DEL GRAFICO útil tanto para aguas termales y fumarolas. Debido a su dependencia de la concentración de argón, sin embargo, es muy susceptible a la contaminación del aire, como sugiere la flecha de error del argón. Los puntos que se ubican entre las líneas de equilibrio

del

vapor

del

líquido

muestran

evidencia de las condiciones de dos fases en el subsuelo. Sin embargo H2 y CO2 se equilibran a ritmos muy diferentes (H2 más rápido que el CO2), así que los puntos que se ubiquen en el área de dos fases pueden ser gases con cambios en H2 que no están totalmente acomodados por reacciones con CO2 en un reservorio de fase líquida. Al igual que el grafico CAR-HAR, este diagrama de relación

4 3

geotermometrica

tampoco

requiere

introducir la fracción de vapor. COCOCHCO es un

MALLA RH = -2.8 2 1

geotermómetro que yuxtapone el geotermómetro

log(CH4/CO2)

0 12 41 43 23 15 2623 3 8

-1

-2

de CO / CO2 con el de CH 4 / CO2 desarrollado por (Giggenbach, Chemical techniques in geothermal

-3 -4

exploration.

-5 -6 -10

-9

-8

-7 log(CO/CO2) -6 -5

-4

Hoja de Excel: COCOCHCO

-3

In,

1991).

encuentra

típicamente en una concentración muy baja, por lo que la hoja de cálculo solamente coloca etiquetas de las tramas en los análisis que están por encima

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DESCRIPCIÓN DEL GRAFICO de detección. Este diagrama es de uso general tanto para interpretar fumarolas como muestras de pozos y puede revelar temperaturas de reservorio profundas (Urzua, Powell, Cumming, & Dobson, 2002) El

grafico de

FT-HSH

un diagrama

que

yuxtapone el geotermómetro basado en la reacción de Fischer-Tropsch (CO2 + 4H2 = CH4 + 2H2O) y un geotermómetro basado en H2 - H2S, con equilibrios en presencia de magnetita y pirita. E incluye la trama interna de temperatura versus "valor Y", el

-4

-5

22 LR 44 23

cual se define como la fracción de vapor residente

en el reservorio respecto al gas contenido en

HSH 3log (rH2S) - log(rH2) (WG 1980)

-6 -7

-8

equilibrio con el agua del reservorio, y algunas

-9

-10 -11

veces son llamados "redes de Y-T". (Powell, A

-12 -13

-31

-27 -23 -19 -15 -11 FT log (rCO2) + 4 log (rH2) - log (rCH4) (WG 1980)

Review of Exploration Gas Geothermometry, 2000)

Hoja de Excel: FT-HSH proporciona una discusión más detallada de estos. Este geotermómetro tiene una utilidad limitada en el análisis de las manifestaciones superficiales, ya que requiere una relación gas / vapor precisa, que a menudo

sólo

está

disponible

fumarolas

sobrecalentadas o pozos. Por lo tanto, el uso principal de esta hoja de cálculo es a la hora de

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DESCRIPCIÓN DEL GRAFICO interpretar las descargas de pozos. Este diagrama es otra cuadrícula "Y-T" que yuxtapone el geotermómetro de Fischer-Tropsch

12 5 40 26

8 28 42 16350 23 44 43 325 22 3 30 300

-1

-4

-6

0.01

0.001

225 200

-0.001

-5

0.1

275 250

0.3

-3

-0.01

log (rCO2) (WG 1997)

-2

con uno propuesto por Giggenbach en base a la concentración de CO2. Es importante analizar con datos propios si estos forman un patrón coherente.

-31 -29 -27 -25 -23 -21 -19 -17 -15 -13 -11 -9

Al igual que el diagrama, esta rejilla tiene una

FT log (rCO2) + 4 log (rH2) - log (rCH4) (WG 1980)

Hoja de Excel: FT-CO2

relación que requiere precisar la razón de gas / vapor, y por lo tanto es más adecuado utilizarlo en las descargas de pozos.

HP30 42 22 LR 16 8 44 23 43 3

325

250 0.01

0.001

0.1

225 200

350

de CO2,y FT-HSH pero ahora con el geotermómetro

300

0.3

275

-0.001

-2,5 -3,0 -3,5 -4,0 -4,5 -5,0 -5,5 -6,0 -6,5 -7,0

-0.01

log (rH2S) (WG 1997)

El diagrama FT-H2S es similar al diagrama anterior

H2S de (Giggenbach, The origin and evolution of

-31 -29 -27 -25 -23 -21 -19 -17 -15 -13 -11 -9

fluids in magmatic-hydrothermal systems. In:

FT log (rCO2) + 4 log (rH2) - log (rCH4) (WG 1980)

Hoja de Excel: FT-H2S

Geochemistry of hydrothermal ore deposits, 3d Edition, 1997)

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Síntesis de la unidad Cada uno de los geotermómetros que se presentan en las tablas 13, 14, 15, 16, 17, 18 y figura 19, han sido realizados con trabajo experimental arduo por parte de los investigadores por lo que sería imposible tratar de explicar en detalle su desarrollo o recomendar alguno en especial, además se puede inducir por la variedad de geotermómetros que al evaluar todas las temperaturas de equilibrio se verá que no todas concuerdan en una sola, y esto no quiere decir que hay errores en su definición ni que hay errores en las determinaciones químicas, sino que simplemente de acuerdo a la localización del sistema, condiciones del reservorio, recorrido de fluidos desde el origen a la fuente, etc. hay algunos geotermómetros que se ajustan mejor que otros para determinados sistemas, por lo tanto es la labor del geoquímico seleccionar aquellos que con toda la información y conocimientos previos presenten el resultado más lógico para su propio sistema.

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