ENEREG1 MÓDULO 4

Curso básico en exploración geotérmica para la integración regional.

Edición 2016 MÓDULO 4 Exploración Geoquímica.

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Curso básico en exploración geotérmica para la integración regional

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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)

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

Edición

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2016

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Índice Índice................................................................................... 3 I. Geoquímica Isotópica .......................................................... 8 Objetivos de aprendizaje ........................................................... 8 I.1. Introducción a la unidad ...................................................... 8 I.1.1. Conceptos generales sobre isotopos. .................................. 9 Síntesis de la unidad ............................................................... 35 5. Prospección geoquímica a través de gases difusos en la exploración geotérmica......................................................... 36 Objetivos de aprendizaje ......................................................... 36 V.1. Introducción a la unidad ................................................... 36 V.1.2. Tipos de gases a medir y características........................... 41 V.1.3. Cálculos e interpretación de datos. .................................. 45 Síntesis de la unidad ............................................................... 49 VI. Modelo geoquímico conceptual ......................................... 50 Objetivos de aprendizaje ......................................................... 50 VI.1. Introducción a la unidad .................................................. 50 VI.1.1. Modelo geoquímico conceptual....................................... 50 VI.1.2. Identificación de anomalías geoquímicas y elementos del modelo.................................................................................. 52 3

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Síntesis de la unidad ............................................................... 59 Referencias bibliográficas ........................................................ 62

Indice de Figuras

Figura 1 Esquema general del tema de Isotopía en sistemas geotérmicos ............................................................................. 9 Figura 2 Tipos de isotopos ....................................................... 12 Figura 3 Datos isotópicos de oxigeno 18 y deuterio respecto a la línea meteórica mundial .................................................................. 16 Figura 4 Línea meteórica global ................................................ 17 Figura 5 Factores que modifican las razones isotópicas ................ 18 Figura 6 Aplicaciones de caracterización .................................... 28 Figura 7 Aplicaciones isotópicas como trazador natural ................ 29 Figura 8 Composición isotópica de línea meteórica, aguas geotérmicas, descargas de aguas volcánicas y aguas subterráneas asociadas locales ............................................................................................ 31 Figura 9 Ejemplo de estimacion de Ch y Cv ................................ 33 Figura 10 Determinación de altura de recarga hipotética ............. 33 Figura 11 Grafico de isotopo de deuterio y 18O .......................... 34 Figura 12 Esquema general del tema de gases difusos ................ 37 Figura 13 Esquema básico de transporte de CO2 en sistemas geotermales........................................................................... 40

4 4 4

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Figura 14 Tipos de gases con aplicaciones geotérmicas ............... 41 Figura 15 Flujo de CO2 con corte de 50 g m -2 d-1, medido en caldera Campo Flegrei, Italia. .............................................................. 46 Figura 16 Mapa de distribución isotópica de flujo de CO2(g), 13C . 46 Figura 17 Análisis de distribuciones de probabilidad de datos CO2 (g) medidos en superficie ............................................................. 47 Figura 18 Mapas de contorno de CO2 (izquierda) y la temperatura a 10 cm de profundidad (a la derecha) para la parte sur de la llanura Lakki, Grecia. .................................................................................. 49 Figura 19 Otras aplicaciones de gases difusos ............................ 49 Figura 20 Elementos del modelo geoquímico conceptual .............. 51 Figura 21 Aplicaciones geoquímicas utilizadas para la formulación del modelo geoquímico conceptual ................................................. 52 Figura 22 Construyendo un modelo conceptual ........................... 56 Figura 23 Otros elementos en un modelo conceptual ................... 57

Indice de Tablas Tabla 1 Mecanismos de transporte de gases difusos .................... 38 Tabla 2 Descripción de las características de gases difusos más utilizados en los sistemas geotérmicos ...................................... 41

5 5 5

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Glosario

ac

Acuoso

Al

Aluminio

Ar

Argon

B

Boro

Ca

Calcio

CH4

Metano

Cl

Cloro

CO2 CO3

Dioxido de carbono 2-

Ion carbonato

Cs

Capa sello

Cs

Cesio

etc.

Etcetera

F

Fluor

Fe

Hierro

g

Gas

H-2 (2H)

Isotopo de hidrogeno, deuterio

H2

Hidrogeno

H2O

Agua

H2S

Sulfuro de Hidrogeno

HCl HCO3

Acido clorhidrico -

Ion bicarbonato

HF

Acido fluorhidrico

Hl

Entalpia de liquido

Hm

Entalpia intantanea o medida

Hv

Entalpia de vapor

K

Potasio

Li

Litio

liq

Liquido

Mg

Magnesio

N2

Nitrogeno

Na

Sodio

NBS-14

Air National Bureu of Standards

NH3

Amoniaco

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O-18 (180)

Isotopo de oxigeno 18

O2

Oxigeno

P-T

Presion-Temperatura

Q

Calor

Qtz

Cuarzo

R

Reservorio

Rb

Rubidio

SiO2

Silice

SO2

Oxido de azufre

TDS

Solidos totales disueltos

Tm

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)

o

negativos

(aniones)

7 7 7

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I. Geoquímica Isotópica

Objetivos de aprendizaje Describir la aplicación de estudios isotópicos durante la etapa la exploración geotérmica.

I.1. Introducción a la unidad En esta unidad usted aprenderá a aplicar datos de geoquímica isotópica para estimación de la elevación del área de recarga del sistema geotérmico entre otras aplicaciones.

Además

relacionará

los

conceptos

isotópicos

con

otros

datos

geoquímicos a través de gráficos que le servirán para analizar agrupaciones y relacionarlos con su localización física y así entender el movimiento de fluidos en el sistema.

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Edición 2016

I.1.1. Conceptos generales sobre isotopos.

Figura 1 Esquema general del tema de Isotopía en sistemas geotérmicos ISOTOPOS

El tema de isotopos y su aplicación a sistemas naturales y geotérmicos, es en realidad muy apasionante y

1. DEFINICIONES •A. TIPOS DE ISOTOPOS •B. NOTACION •C. FRACCIONAMIENTO •D. FACTORES QUE MODIFICAN LA PROPORCION

extenso

en

la

rama

de

la

geoquímica, siendo esta unidad muy corta dentro de este programa nos enfocaremos en los subtemas

2. APLICACIONES •A.CARACTERIZACION •B.TRAZADOR NATURAL Fuente: Amaya, 2016

que se mencionan en la Figura 1.

Básicamente

subdividido

en

definiciones

importantes

y

principales

aplicaciones

en

geotermia.

Y aunque en esta unidad se mencionaran muchas aplicaciones nos enfocaremos en la aplicación del ítem (Trazador natural) para la estimación de la recarga, que será evaluado en un taller y foro, si los participantes están interesados en profundizar en esta temática pueden leer las referencias y citas del presente documento.

Isotopo son todos aquellos átomos del mismo tipo que tienen una ¿Qué es un isotopo?

cantidad diferente de neutrones en el núcleo, lo cual los hace más pesados o más ligeros que el átomo más abundante pero conservando

9 9 9

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Edición 2016

todas las propiedades (es similar a una persona que ha perdido peso y se ve diferente pero sigue siendo la misma persona).

En la naturaleza los isotopos ocurren por adición o perdida de neutrones, Si las diferencias

pero estos procesos no son muy usuales en los ambientes naturales en los neutrones

superficiales y subterráneos (a diferencia de lo usual que es la hacen que

transferencia, perdida, ganancia o compartimiento de electrones existan los

necesaria para las reacciones químicas), entonces básicamente los isotopos ¿Cuál es

neutrones no participan en las reacciones químicas y no se espera que la labor de los

hayan fisiones nucleares o actividad radioactiva inusual en la superficie neutrones?

de los sistemas geotérmicos donde estamos realizando actividades de exploración.

Es importante recordar que el átomo está compuesto por un núcleo con carga positiva (que aloja protones positivos y neutrones sin carga) y alrededor del núcleo una nube de electrones negativos encargados de los enlaces.

Los neutrones son importantes en reacciones de fisión nuclear y ¿Porque ocurre la formación de isotopos en la naturaleza?

también en las desintegraciones radioactivas (las cuales además de poder emitir radiaciones alfa, beta y gamma, también pueden emitir neutrones libres, transformando al átomo cuando decaen o fisionan) pero ya mencionamos que en sistemas geotérmicos no esperamos tener factores de este tipo que alteren nuestro análisis y en especial, en los isotopos de oxigeno e hidrogeno que serán de particular interés en esta unidad. Entonces la labor o utilidad que los neutrones tienen en

10 10 10

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nuestro análisis es que nos dan la posibilidad de diferenciar y distinguir átomos del mismo tipo: pesados y ligeros en distintas proporciones dependiendo de donde se encuentre la muestra.

Si los neutrones no participan en las reacciones químicas, que propiedad servirá para distinguirlos

La característica distinguible será la masa o peso, relacionado a su movilidad, los electrones son los encargados de ligar a los átomos en las reacciones químicas y tienen un peso despreciable mientras que los protones y los neutrones en el núcleo le dan el peso al átomo. Y debido a que la ausencia o ganancia de un neutrón en un átomo es perceptible y medible, los isotopos tendrán diferente movilidad lo que hará variar las proporciones originales respecto al lugar de muestreo, mientras que el resto de características se conservaran (cumpliendo todas las leyes físicas, químicas, de asociación de los elementos y conservación de la masa y energía).

Círculos celeste:

Los círculos rojos son más pequeños y más ligeros, el peso en los

Isotopo A.

isotopos puede hacerlos preferentes a moverse (reaccionar en

Círculos rojos:

compuestos con enlaces débiles, ebullir, difundirse, etc.). En los

Isotopo B

círculos rojos y celestes mostrados en la figura de al lado, ambos son

¿Porque se

átomos del mismo tipo, tienen la misma dirección, pero los más ligeros

mueven primero

tienen mayor potencial de moverse.

los círculos rojos?

11 11 11

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Figura 2 Tipos de isotopos

TIPOS DE ISOTOPOS

DEPENDIENDO DEL NUMERO DE NEUTRONES EN EL NUCLEOS

DEPENDIENDO DE SU VIDA MEDIA

i.

ii.

δ LIGEROS, MAS NEGATIVOS

δ PESADOS, MAS POSITIVOS

iii.

ESTABLES

iv.

INESTABLES (RADIOACTIVOS)

Fuente: Amaya, 2016

La Figura 2 muestra los diferentes tipos de isotopos que existen y cada subcategoría se define a continuación: i. Isotopos ligeros: Son átomos del mismo tipo con deficiencia de neutrones. En los gráficos de abundancia describen valores más negativos. ii. Isotopos pesados: Son átomos del mismo tipo con ganancia de neutrones. En los gráficos de abundancia describen valores más positivos. iii. Isotopos estables: Son átomos no radiactivos del mismo tipo con diferencias de neutrones que no producen desintegración nuclear. iv. Isotopos inestables o radiactivos: Son átomos radiactivos que producen decaimiento o desintegración nuclear medible.

12 12 12

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Edición 2016

Otro concepto clave es el fraccionamiento isotópico, que es la ¿Qué procesos

redistribución de la proporción original de isotopos debido a procesos

de

fisicoquímicos que lo alteran, de tal forma que si analizamos el

fraccionamiento

fraccionamiento isotópico debido a ebullición o evaporación, el isotopo

nos pueden

más pesado tiene tendencia a quedarse en el condensado y el más

interesar?

liviano en el vapor hasta que se consume todo, se aleja de la fuente, o se alcanza el equilibrio de fases.

Para el caso de una reacción química, el isotopo más pesado formara el producto más estable o menos móvil y gradualmente el isotopo liviano lo formara para quedar en una posición más fácil de reaccionar o escapar, luego de que el pesado se consuma, hasta que cese la reacción, o se llegue al equilibrio, lo que primero ocurra.

Otras definiciones necesarias son los principales isotopos que se utilizaran en el taller, para el caso Deuterio: Es un isotopo del hidrogeno con 2 neutrones en el núcleo en lugar de uno solo. El Isotopo de oxigeno18 (18O): Es el isotopo de oxigeno con 18 neutrones en lugar de 16.

El intercambio del isotopo 18O, entre un líquido geotérmico y un mineral dado está gobernado, en el equilibrio, por los factores de fraccionamiento αx-y, donde ‘x’ corresponde al mineral y ‘y’ al agua:

αx-y=

13 13 13

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De forma análoga, para la evaporación, ‘x’ correspondería a líquido y ‘y’ a vapor. Como puede inducirse en los ejemplos anteriores, la fase más pesada o el elemento más estable, se coloca siempre en el numerador del factor de fraccionamiento.

Para la evaporación instantánea este factor de fraccionamiento es inversamente proporcional a la temperatura, es decir, que a mayor temperatura menor factor de fraccionamiento y en otras palabras a mayor temperatura existe menor proporción isotópica de (átomos pesados sobre átomos ligeros) en el líquido que en el vapor. ¿Cómo se

Otro concepto importante es el de la notación de los isotopos pero

expresa la

previo a definirla es necesario comprender el concepto de estándares

reducción de la

de referencia específicos. Para algunos de los isotopos de nuestro

proporción

interés estos estándares se expresan como razones matemáticas

isotópica?

respecto a un patrón trazable o lugar de muestreo donde su variación es óptimamente mínima o casi constante:

¿Cuáles son las



deuterio respecto a hidrogeno (protio) en el océano equivalente a

referencias para

D/H=155.76x10-6, Referencia: Hagemann et al., 1970.

expresar las medidas isotópicas?

El Viena Standard Mean Ocean Water (VSMOW) es la razón de



El Viena Standard Mean Ocean Water (VSMOW) para oxigeno expresa la razón de 18O respecto a 16O (oxigeno) equivalente a 18O/16O=12005.2x10-6, Referencia: Baertschi, 1976.

14 14 14

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

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El Air (NBS-14) es el estándar para nitrógeno, y consiste en la razón de

15N

respecto

a

14N

(Nitrógeno)

equivalente

a

15N/14N=367.6x10-5, Referencia: Junk and Svec, 1958. 

El estándar para isotopos de azufre es el Canon Diablo Troilite, la razón

de

34S

respecto

a

32S

(Azufre)

es

equivalente

a

34S/32S=449.94x10-4, Referencia: Thode et al., 1961 Respecto a la nomenclatura isotópica, debido a que las cantidades porcentuales e incluso razones isotópicas tienen órdenes de magnitud En la práctica, ¿cómo se expresan las medidas isotópicas?

muy pequeñas, existen otras unidades que expresan mejor los resultados experimentales, y ellos involucran la diferencia ’per mil’ (x1000 %o) respecto a un estándar. La fórmula general se muestra a continuación, donde ‘x’ es el número de neutrones del isotopo más pesado, ‘y’ es el número de neutrones del isotopo más ligero y ‘Z’ es el átomo en análisis. δxZ %o=

*1000

Fuente: (IAEA, WMO, 1993)

En la Figura 3 se muestra la línea meteórica en ejes de abundancia isotópica de deuterio y oxigeno 18 respectivamente, además se muestran algunas flechas y líneas indicativas de procesos de fraccionamientos que pueden ocurrir en profundidad, o mezclas. Es importante notar también que la línea meteórica mundial ha sido construida con datos globales como se refleja en la Figura 4, pero para

15 15 15

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análisis más específicos en nuestros sistemas, los geocientíficos deben elaborar con el tiempo una línea meteórica local respectiva a sus campos geotérmicos.

Figura 3 Datos isotópicos de oxigeno 18 y deuterio respecto a la línea meteórica mundial

¿Cómo se distinguen procesos a través de medidas isotópicas?

Fuente: (Valenzuela, Ramirez, & Palomares, 2013)

La mezcla de diferentes aguas es otro tipo de proceso que afecta a la proporción isotópica del deuterio y 18O. Es decir, mezclas entre las aguas meteóricas locales y aguas de diferente origen, tales como: (1) aguas marinas (2) aguas con alta salinidad de cuencas sedimentarias (atribuibles por ejemplo a la lixiviación de rocas evaporitas); (3) o aguas magmáticas. (Instituto geologico y minero de Espana, 1985). La separación de vapor es otro proceso que ocurre cuando la presión del sistema de alta temperatura, excede la presión hidrostática causando un fraccionamiento isotópico y empobreciendo de isótopos pesados, la fase de vapor. (Instituto geologico y minero de Espana, 1985)

16 16 16

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Edición 2016

Cada punto en la Figura 4 representa un lugar en el planeta donde fueron

analizadas

muestras isotópicas

y

luego

correlacionadas

linealmente produciendo la ecuación empírica de la línea meteórica global: δ2H=8.13 δ18O+10.8 (IAEA, 1993) Figura 4 Línea meteórica global

Fuente: (IAEA, WMO, 1993)

Según (Ottlik, Galfi, Horvat, Korim, & Stegena, 1981) "El agua subterránea que proviene de la precipitación se inicia como aguas bicarbonatadas y cambia, durante su migración hacia zonas más profundas, a lo largo de una secuencia de ‘bicarbonato + cloruro’ a ‘cloruro + bicarbonato’ a ‘cloruro + sulfato’ o ‘sulfato + cloruro’ y finalmente a un agua predominantemente clorurada". Por lo tanto los análisis isotópicos de las aguas es un medio para distinguir el agua meteórica de las aguas profundas ya que las aguas meteóricas se

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Edición 2016

ubicaran próximas a la línea de composición del agua meteórica, mientras que las aguas más profundas tienen más interacción con las rocas, y puede que se haya precipitado bajo diferentes condiciones climatológicas (y por tanto hayan tenido una composición inicial diferente). La clasificación de aguas también da herramientas de distinción de aguas pero sin los isotopos no se puede determinar el origen y la altitud de la recarga.

La Figura 5 resume los factores que modifican la razones isotópicas, para comprender mejor la interacción, en este momento de la unidad detendremos la presentación de conceptos y nos enfocaremos en un ejemplo que aplique los elementos y factores que modifican dichas razones.

Figura 5 Factores que modifican las razones isotópicas

FACTORES QUE MODIFICAN LA PROPORCION ISOTOPICA

¿Cuáles son los factores que modifican

FISICOS

BIOLOGICOS

QUIMICOS

las medidas isotópicas? iii.

i.

ii.

TEMPERATURA

EVAPORACION

REACCIONES QUIMICAS (CINETICA)

iv.

EQUILIBRIO QUIMICO

Fuente: Amaya, 2016

18 18 18

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Edición 2016

A continuación se muestra un ejemplo hipotético inusual, pero ilustrativo y diseñado con la mejor intención, en especial para aquellos participantes que por primera vez estudian esta temática.

IV.1.1.1. Isótopos: Un ejemplo hipotético En este ejemplo descriptivo de una localidad ficticia, se ilustra la mayoría de elementos, procesos y conceptos que se utilizaran posteriormente en el taller sobre isotopos de deuterio y oxigeno-18 para estimación del área de recarga y movimiento de fluidos en sistemas geotérmicos.

Imagine que en una región existe una industria de helados con la capacidad de distribuirlo diariamente a todas las casas de las distintas subregiones de esa localidad.

A. Características del helado y la distribución.

Ejemplo

1. El helado está compuesto por 11%

de

vainilla

y

89%

de

chocolate. La porción de vainilla contiene

2%

de

chispas

de

galleta de vainilla, la porción de chocolate

contiene

20%

de

chispas de galleta de chocolate; estas proporciones son definidas y constantes.

Fuente: Amaya, 2016. Arte Argueta JPREG 2016

19 19 19

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Edición 2016

2. El helado es homogéneo y conservativo, es decir que este tiene la Características del helado original y transporte del mismo

misma proporción de vainilla y chocolate en el helado y galleta durante su elaboración e inicio de la distribución.

3. El helado se distribuye a todas las casas de la región.

4. Existe un procedimiento estandarizado en el que a todas las personas de la región se les debe de realizar chequeos periódicos para medirles la proporción de helado de vainilla y chocolate así como también la proporción de las galletas de vainilla y chocolate que han consumido (Se sabe que desde que las proporciones son ingeridas estas se mantienen constantes y trazables en la sangre).

5. Las porciones de helado pueden ser de diferentes tamaños pero conservan la misma proporción a menos que existan factores que cambien esa proporción como la temperatura, el tiempo de tránsito o en especial si la persona desea ingerir selectivamente solo galletas o solo la fase semisólida.

6. Se conoce la ubicación, elevación, estadísticas, censos y las características de la región relacionadas al consumo del helado.

B. Características de la región.

Características

1. Casas tipo I: Son casas localizadas en la costa, se sabe que debido a del sistema

la baja elevación, la temperatura es más alta, y se sabe que claramente las personas que viven allí tienen preferencia de consumir más las galletas y no consumen el helado semisólido pues este llega muy derretido a sus casas, además hay casas que son aún más cálidas que otras debido a que en ellas no tienen ventilación 20 20 20

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Edición 2016

artificial, todo esto favorece a la galletas de vainilla y chocolate más que

al

helado

semisólido

cambiando

significativamente

las

proporciones en el organismo de las personas en esta subregión (Sus

resultados

siempre

son

claramente

diferentes

al

comportamiento de las otras regiones).

Casas Tipo III

Heladería

Casas Tipo II Bodega fría

Casas Tipo I

Fuente: Amaya, 2016. Arte Argueta J., PREG 2016

2. Casas tipo II: Son casas localizadas en el valle, y poseen una elevación geográfica intermedia entre las casas de la costa y las casas de la montaña. Las temperaturas también son intermedias y las proporciones solo varían de las originales debido al derretimiento por las diferencias de temperatura, distancia y tiempo respecto a la fábrica.

21 21 21

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Edición 2016

3. Casas tipo III: Son casas localizadas en la montaña, tienen una elevación geográfica superior a las casas de la costa y del valle, y temperaturas levemente inferiores a las condiciones de elaboración.

C. Otras características especiales son:

Fuente: Amaya, 2016. Arte Argueta J., PREG 2016

La fábrica de helado está ubicada a una altura indeterminada, aunque Características

se cree que esta en la montaña, y desde su origen el helado se

de los procesos

transporta hacia casas en el valle, costa y montaña alta. Es claro que en su recorrido por efecto de factores externos, el helado sufre procesos de derretimiento, los factores que intervienen son medibles y conocidos: tiempo, distancia, elevación y temperatura.

1. En cada una de las 3 localidades existen muchas casas y la distribución del helado se lleva a cabo, ordenadamente empezando desde las casas más cercanas a la fábrica de manera radial.

2. Se actualizan estadísticas diariamente de todos los consumidores del helado y se sabe que en general a los adultos no les gusta el

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Edición 2016

helado, a los niños delgados les gustan poco y a los niños más robustos les encanta y lo consumen en mayor cantidad.

3. Hay un vecindario en el valle donde no hay electricidad y al no poder conservar helado en refrigeradoras propias, la fábrica planeo surtirlo a una pequeña bodega fría local ubicada entre el valle y la costa.

A continuación se definen los símiles en el ejemplo hipotético con Relaciones en

respecto a conceptos isotópicos:

el ejemplo que aclaran



Vainilla y chocolate: Es un símil del agua (H 2O), Específicamente la vainilla actúa como hidrogeno y el chocolate como oxígeno. Tanto la

conceptos

vainilla

como

el

(vainilla-semisólido

chocolate y

tienen

vainilla-galleta;

2

isotopos

cada

uno

chocolate-semisólido

y

chocolate -galleta). El porcentaje peso debido a las proporciones moleculares en el agua pura sería aproximadamente de 11% para el hidrogeno y 89% para el oxígeno. 

La vainilla en el helado semisólido: Es el hidrógeno “normal” o más abundante, llamado protio.



El chocolate en el helado semisólido: Es el oxígeno “normal” o más abundante llamado Oxigeno16 (16O).



La vainilla en la galleta: Es el isótopo de deuterio o Hidrogeno-2, en realidad el deuterio es menos abundante que el 2%. La abundancia real de deuterio en la naturaleza es de aproximadamente 0.0155% de deuterio respecto al hidrogeno total (Pero estas proporciones son diferentes en reservorios geotérmicos, en el mar, en las nubes o en

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el polo sur, de esta característica o huella se basa la utilidad de la isotopía para agrupar muestras o calcular la recarga). 

El chocolate en la galleta: Es el isótopo de oxigeno-18 (18O), en realidad es menos abundante que el 20%. La abundancia real de 18O en la naturaleza es de 0.204% de 18O respecto al oxigeno total (De igual forma que para el hidrogeno, estas proporciones promedio varían en sistemas geotérmicos, especialmente por procesos de evaporación y el agua superficial que circula más dinámicamente en ciclo hidrológico que el agua confinada en el reservorio geotérmico, por eso tienen huellas isotópicas distintas y se pueden trazar o ubicar).



La proporción de galletas de helado de vainilla y chocolate respecto al helado total: Son razones que se conocen como abundancia isotópica, usualmente los valores isotópicos se expresan a partir de mediciones

analíticas

que

se

hacen

por

conteo

electrónico

comparándolo contra un valor de referencia conocido, expresando su delta fraccional δ y luego per mil. Estos valores conocidos son valores referenciales que se mencionaran posteriormente. 

Las proporciones del helado son definidas y constantes: Esta afirmación hace referencia a que los isotopos pueden ser utilizados como trazadores naturales del origen de las aguas en el sistema geotérmico, y para comprender su movimiento en el sistema.



Las casas en la costa: Es el reservorio geotérmico.

24 24 24

Curso básico en exploración geotérmica para la integración regional



-

Edición 2016

Las casas en el valle: Es un acuífero somero que bien puede tener mezcla de fluidos superficiales y/o profundos.



Las casas en la montaña: Son aguas de manantiales o fuentes.



La fábrica: Es la ubicación del área de recarga.



El contenido del helado en la fábrica o contenido inicial: Son las condiciones de la línea meteórica local.



La bodega fría ubicada entre el valle y la costa: Es una posible ruta de infiltración de agua somera a fluidos profundos (No siempre existe en sistemas geotérmicos, y cuando existe muchas veces puede ser perjudicial para el enfriamiento del mismo si la carga hidráulica de transferencia de masa es elevada).



El calor que derrite la vainilla y el chocolate tanto líquido como galleta: Pueden ser procesos de evaporación y yo fraccionamiento isotópico.



Sorbete semilíquido: Son los isótopos ligeros.



Sorbete semisólido o galletas: Son los isótopos pesados.



La elevación de las casas: Son medidas de la profundidad en el reservorio.



Las cantidades en las porciones distribuidas a las casas de cada localidad pueden tener diferentes tamaños: Esta afirmación conlleva a reconocer la dinámica del ciclo hidrológico pero que en edades geológicas alcanza un régimen.



Al afirmar que se distribuirá el helado a todas las casas de todas las localidades y que luego se medirán las proporciones en las personas 25 25 25

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Edición 2016

que lo consumieron: Hace referencia a que se tendrán datos isotópicos de todas las localizaciones posibles en el sistema geotérmico (fuentes, manantiales, pozos someros y dependiendo de la etapa se pueden tener datos de posibles descargas profundas o datos con certeza de fluidos profundos en pozos geotérmicos). 

Las casas de la costa que son aún más cálidas debido a que en ellas no existe ventilación artificial: Manifiesta la heterogeneidad del reservorio y condiciones térmicas, y que estas tiene implicaciones en las concentraciones isotópicas del reservorio por procesos de evaporación (Pero también existen otras reacciones químicas que utilizan preferentemente isotopos de un tipo y cuando se consumen estos si no se ha alcanzado el equilibrio siguen las reacciones con el resto de isotopos), actualmente se sabe que los isotopos más pesados reaccionan para dar lugar al producto más estable de la reacción, según la regla de Bigeleisen (1965), para dar lugar al producto que tiene los enlaces más fuertes.



Las personas que tienen preferencia en consumir más la galleta del helado que el semilíquido del mismo: Son los procesos físicos y reacciones químicas que favorecen el fraccionamiento isotópico especialmente en el reservorio geotérmico.



Las personas que tienen preferencia en consumir las galletas de chocolate: Son minerales en rocas que a condiciones de alta temperatura prefieren reaccionar con el isótopo del oxígeno 18 previo a O16, en reacciones de interacción agua-roca, que al hacer el 26 26 26

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análisis global producen un shift geotérmico en la línea isotópica de aguas geotérmicas en comparación a la pendiente de la línea meteórica local. 

El tiempo de derretimiento entre las fábricas y las casas de las diferentes localidades: Es el tiempo de tránsito que diferencia a las aguas juveniles profundas de las superficiales que participan más activamente en el ciclo hidrológico.



La distancia entre la fábrica y las localidades: Son las líneas con diferentes pendientes que se interceptan en la línea meteórica.



La fábrica: Es la localización de la recarga en el sistema geotérmico.



La ubicación de las casas: Es la ubicación de los sitios de muestreo



Las estadísticas y censos del comportamiento de las personas que consumen helado: Son los conocimientos sobre reacciones y procesos que ocurren en el reservorio, agua subterránea, agua somera superficial y los datos que ya se conocen del sistema (la clasificación de agua y gases, geotermometría, etc.)



Los adultos a los que no les gusta el sorbete: Son rocas impermeables.



Los niños robustos: Son factores que favorecen el fraccionamiento isotópico.

La Figura 6 muestra las aplicaciones isotópicas que son utilizadas para caracterización del sistema, entre ellas se distinguen geotermómetros isotópicos,

clasificación

de

fluidos,

determinación

de

sistemas

27 27 27

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geotérmicos de líquido o vapor dominante y datacion de aguas, algunos de ellos no pueden utilizarse en etapas de exploración ya que se necesitarían fluidos directos del reservorio o específicamente de pozos geotérmicos.

Figura 6 Aplicaciones de caracterización

APLICACIONES DE CARACTERIZACION

TEMPERATURA

ii. i.

GEOTERMOMETRO, EJEMPLO: S34/S32

DATACION:

CLASIFICACION

TIPOS DE FLUIDOS: SUPERFICIALES, SOMEROS, JUVENILESMADUROS, MAGMATICOS, ETC

iii.

iv.

TIPOS DE SISTEMAS: LIQUIDO DOMINANTE, VAPOR DOMINANTE

EDADES DE AGUAS SUBTERRANEAS, EJEMPLO: H3/H1

Fuente: Amaya, 2016

Aplicaciones isotópicas de clasificación en sistemas geotérmicos

La Figura 7 muestra otras aplicaciones isotópicas, ahora relacionadas a los isotopos como trazadores naturales, para comprender mejor definiremos que es un trazador.

Trazador es todo aquello que nos permite rastrear algo, por lo que se requiere 3 momentos importantes: una inyección u origen, una detección o medición y una interpretación del movimiento. Para el caso de sistemas geotérmicos utilizando deuterio y oxigeno18 como trazadores naturales estos permiten determinar el origen o la recarga (elevación específica y luego una estimación respecto a la precipitación 28 28 28

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e infiltración en dichas altitudes), Movimiento de los fluidos a través de gráficos de dispersión de isotopos vs cloruros, relacionándolo con el mapa real de los sitios de muestreo en el sistema, y análisis de agrupamiento de elementos químicos respecto a isotopos para verificar ese movimiento de grandes cantidades de masas, esa información se puede relacionar muy bien con los datos geológicos previamente conocidos como fallas inferidas así como también con datos difusos que también pueden determinar fallamiento profundo y permeabilidad subsuperficial. Finalmente al determinar la descarga y recarga tenemos limites superficiales del sistema y en conjunto con análisis de gases difusos y/o geofísica local se pueden determinar las fronteras del mismo lo cual es muy importante en etapas posteriores que involucran la planificación de la expansión del campo geotérmico.

Figura 7 Aplicaciones isotópicas como trazador natural

APLICACIONES TRAZADOR NATURAL

ORIGEN

iii.

i.

ii.

AGUAS:

ISOTOPOS DE 18O/O16, H2/H1 VS GEOINDICADORES QCOS COMO CLORUROS

EJEMPLO 18O/O16, H2/H1.

EXTENSION SUPERFICIAL DEL SISTEMA

MOVIMIENTO

ANALISIS DE AGRUPAMIENTO EN CONTRASTE CON LOCALIZACION REAL DE SITIOS

iv.

LOCALIZACION DE RECARGA Y DESCARGA DEL SISTEMA

Fuente: Amaya, 2016

29 29 29

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Como ya se analizó anteriormente, el uso de la isotopía en geotermia se basa en el hecho que, dentro del mismo sistema existen zonas muy diferentes a otras en cuanto a propiedades fisicoquímicas (Temperatura, altitud, profundidad, etc.), así por ejemplo unas aguas por su cercanía a la atmosfera tienen más dinamismo en el ciclo hidrológico, otras aguas están confinadas y otras no, por lo que todas ellas tienen diferentes tiempos de retención en el sistema y diferentes grados de interacción de agua y roca en comparación a aguas subterráneas someras, etc. Esas características hacen que los contenidos isotópicos sean diferentes y por lo tanto sea posible determinar el origen de los mismos y como estos se mueven en el sistema. Sin embargo existen otras relaciones isotópicas útiles en geotermia las cuales son: 3H / H: Se utiliza para la determinación de la edad de fluidos Otros usos de datos isotópicos en sistemas geotérmicos

34S / 32S en SO4 : Se utiliza para trazar el origen de S y también puede ser utilizado como geotermómetro 3He / 4He: Se utiliza para determinar el origen de la fase de gas (manto).

La Figura 8 muestra además de la linera meteórica global de referencia (Gigenbach, 1992), otras líneas paralelas y porcentuales que indican zonas de aguas primarias de origen magmático (o aguas andesiticas muy antiguas), también otros puntos de aguas de descargas geotérmicas (círculos negros), agua de mar (cuadrado blanco), aguas

30 30 30

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subterráneas (círculos blancos), vapor de agua condensada de gases volcánicos (cuadrados oscuros), entre otros tipos de agua.

Figura 8 Composición isotópica de línea meteórica, aguas geotérmicas, descargas de aguas volcánicas y aguas subterráneas asociadas locales

Fuente: (Gigenbach, 1992)

(Gigenbach, 1992) estudió isotópicamente al hidrógeno en un gran número de sistemas geotérmicos y encontró cambios significativos de las descargas de fluidos de los volcanes respecto a los valores del agua meteórica local por lo que denomino a esa agua: agua andesitica y sugirió que ella se originó como agua de mar que se alteró durante la diagénesis y subducción.

Interacción agua roca: Otros usos y aplicaciones de isotopos son a través del análisis de los mismos en reacciones de intercambio entre minerales y agua. En donde la disminución de la temperatura provoca también una disminución rápida en la cinética de intercambio. Por ello, el enriquecimiento de 18O, sodio y cloruros en líquidos geotérmicos con

31 31 31

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respecto a las aguas meteóricas, se consideran indicadores de altas Pre taller de estimación de

temperaturas en los reservorios. (Instituto geologico y minero de Espana, 1985).

la recarga

IV.1.2. Procesamiento y cálculos isotópico.

Análisis propuesto en base al ejemplo hipotético de esta unidad: Con los datos del ejemplo hipotético es posible calcular la elevación y ubicación geográfica de la fábrica de helados, ya que se tienen todos los datos de proporciones de derretimiento de helado de vainilla y chocolate a diferentes temperaturas, a diferentes distancias, a diferentes elevaciones y se sabe que por su localización los helados llegaron

en

diferentes

tiempos

y

estados

de

derretimiento

(concentración de galletas en los habitantes).

Además se conoce perfectamente la ubicación espacial y elevación de todas las casas de la región incluyendo información reconocible de aquellas ubicadas en la costa, donde sabemos que prefieren la galleta sobre el helado semisólido y que son fácilmente distinguibles de los resultados de proporciones de consumo con respecto al resto de casas, entonces luego de estudiar esta unidad y realizar el taller vera que si los datos (puntos de muestreo) son suficientes y se han localizados los sitios adecuados si es posible estimar la elevación de dónde procedió el helado que consumieron las personas que prefieren la galleta (La recarga del reservorio geotérmico).

32 32 32

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Figura 9 Ejemplo de estimacion de Ch y Cv

Fuente: Amaya, 2016. (Arte Argueta, J. PREG 2016)

Figura 10 Determinación de altura de recarga hipotética

Fuente: Amaya, 2016. (Arte Argueta, J. PREG 2016)

33 33 33

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En el taller de este módulo, por razones de tiempo, solo se abordara la temática de las aplicaciones de los isótopos de oxígeno 18 y deuterio para la estimación de la recarga y origen de las aguas de sistemas geotérmicos así como también para el análisis de agrupamiento de estos datos isotópicos con respecto a otros datos geoquímicos para obtener un modelo teórico acerca del movimiento de las aguas dentro del sistema.

Figura 11 Grafico de isotopo de deuterio y 18O Ref.

DIAGRAMA GEOQUÍMICO

DESCRIPCIÓN DEL GRAFICO Este es un gráfico de dispersión estándar de los isótopos estables de agua (δ18O - δdeuterio).

Incluye la línea de tendencia Meteórica Mundial, el rango de agua andesítica según lo propuesto

0 -20

Hoja

Delta Deuterium - per mil

-40 -60

MVTG 280 C mv 260CCC 300 COH 240 tg Water 220 WK 200 C oh wk 180 160 CC 140 C 120 C 100 C Steam ZU zu

Andesitic Water

por (Gigenbach, 1992) y un agrupamiento que muestra

-80

fraccionamiento

de

equilibrio

vapor-líquido y elementos extremos a diferentes

-100

iso

-120

temperaturas sobre la base de datos de (Henley,

-140 -160 -22 -20 -18 -16 -14 -12 -10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 Delta Oxygen 18 - per mil

Grafico Deuterio vs 18O

6

8 10

Truesdell,

Barton,

&

Whitney,

1984).

Las

posiciones de la etiqueta de la línea de tendencia meteórica y el grupo de fraccionamiento pueden ser modificados en celdas por encima de las columnas de entrada de datos de isótopos en la hoja de entrada. La interpretación es a veces

34 34 34

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compleja, ya que pequeñas cantidades de evaporación,

ebullición,

o

reacciones

de

intercambio con la roca, pueden estar envueltos.

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/db/IGAstandard/record_detail.php?id=5646 Spreadsheets URL: http://repository.stategeothermaldata.org/metadata/record/9e15e1a59b768b330d029e86dc023a37/file/ liquid_analysis_v3_powell-cumming_2010_stanfordgw.xlsx http://repository.stategeothermaldata.org/metadata/record/9e15e1a59b768b330d029e86dc023a37/file/ gas_analysis_v2_powell-cumming-2010-stanfordgw.xlsx

Síntesis de la unidad Los isotopos son muy útiles en sistemas geotérmicos para muchos aspectos tales como clasificación de tipos de fluidos: superficiales, someros, juveniles-maduros, magmáticos, etc. así como también para la clasificación del tipo de sistema presente (líquido dominante o vapor dominante). También han sido utilizados en datacion de edades de aguas subterráneas (3H/1H), por su puesto que son útiles para determinar el origen de las aguas o su recarga (18O/16O, 2H/1H). Así como también movimiento de fluidos (18O/16O, 2H/1H vs geoindicadores químicos como cloruros), análisis de agrupamiento en contraste con localización real de sitios, etc.

Los isotopos han sido útiles además para la determinación de la extensión superficial del sistema y su descarga. Y para definir interacción agua roca, y geotermometría isotópica, entre otras.

35 35 35

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5. Prospección geoquímica a través de gases difusos en la exploración geotérmica.

Objetivos de aprendizaje

Describir la aplicación de técnicas de medición e interpretación de gases difusos durante la etapa la exploración geotérmica.

V.1. Introducción a la unidad

En esta unidad usted aprenderá a analizar datos de prospección geoquímica a través de gases difusos en la exploración geotérmica y será capaz de aplicar los conocimientos para determinar anomalías geotérmicas, fallas y zonas de ascenso de gases.

Además relacionará

el significado que cada gas difuso tiene en el

sistema para interpretar isocontornos específicos de cada gas.

36

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Edición 2016

V.1.1. Base teórica de la técnica de gases difusos en reservorios geotérmicos.

Figura 12 Esquema general del tema de gases difusos

GASES DIFUSOS

El esquema de la Figura 12 muestra los temas principales de esta unidad, básicamente

definiciones

y

aplicaciones prácticas del uso de 1. DEFINICIONES A. TIPOS DE GASES B. DIFUSION C. ADVECCION D. CONVECCION

gases

difusos

Fuente: Amaya, 2016

sistemas

geotérmicos. Para iniciar esta unidad pensemos ¿Qué pasaría si no hay suficientes

2. APLICACIONES A. PERMEABILIDAD B. ZONAS DE ASCENSO DE FLUIDO C. BORDES DEL SISTEMA D. DELIMITACION DE ESTRUCTURAS Y FALLAS

en

manifestaciones

superficiales en el sistema, que nos permitan guiar nuestra exploración?

Algunas técnicas geofísicas tienen un costo muy elevado para realizarlas en una grid regional.

Hasta el momento, la geoquímica de exploración nos ha sido de utilidad para conocer el sistema y estimación de parámetros importantes: clasificación de tipos de fluidos presentes, origen de las aguas (recarga), Como se transportan los gases a través del subsuelo?

temperatura, caracterización inicial de los procesos en reservorio, entre otros, pero existe otro tópico geoquímico de utilidad en geotermia y que cada vez está siendo más utilizado por las ventajas e información que provee, el análisis de gases difusos a través de la medición superficial en suelo.

37 37 37

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Edición 2016

Antes de describir las características de cada gas, es necesario definir los 3 tipos de mecanismos que estos utilizan para su transporte los cuales se mencionan en la Tabla 1.

Tabla 1 Mecanismos de transporte de gases difusos No

MECANISMO

DESCRIPCIÓN La difusión es el movimiento neto de moléculas o átomos de una región de alta concentración (o alto potencial químico) a una región de baja concentración (o bajo potencial químico). Esto también se conoce como el movimiento de una sustancia por un gradiente de concentración. Un distintivo característica de la difusión es que resulta en la mezcla o el transporte de masas, especialmente en la interface de transferencia. La primera ley de Fick relaciona al flujo difusivo con

1

Difusión

la concentración asumiendo estado estacionario. Esta ley postula que el flujo va desde una región de alta concentración a las regiones de baja concentración, con una magnitud que es proporcional al gradiente de concentración, o en términos más simples el concepto de que el soluto se moverá desde una región de alta concentración a una de baja concentración atravesando un gradiente de concentración. La segunda ley de Fick predice la forma en que la difusión causa que la concentración cambie con el tiempo. la advección es un mecanismo de transporte de una sustancia o de

2

Advección propiedad conservada por el gas debido a su energía cinética o

38 38 38

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Edición 2016

potencial. El gas contiene energía interna y en general, un gas transporta alguna cantidad de energía conservada o material a través de

movimiento.

matemáticamente

El

movimiento

del

como un campo de

fluido

se

describe

vector, y el material

transportado es descrito por un campo escalar que muestra su distribución en el espacio. Advección requiere corrientes en el fluido, y por lo que no puede suceder en los sólidos rígidos.

La convección es el movimiento concertado de grupos o agregados de moléculas dentro de los fluidos (para el caso, gases) por advección o por medio de difusión o como una combinación de los dos mecanismos de movimiento y transferencia de masa donde el movimiento 3

Convección

browniano al azar de las partículas individuales debe considerarse. La convección puede ser calificado en términos de ser natural, forzada, gravitacional, granular, o termo magnético. Advección a veces se confunde con el proceso más abarcador de la convección, que es la combinación de transporte advectivo y transporte difusivo.

Fuente: (Programa regional de entrenamiento geotermico (PREG, El Salvador), 2013-2015)

En el magma las condiciones de presión y temperatura son tales que cualquier disminución de la presión genera burbujas que liberan gases y los mecanismos de transporte intervienen para dirigir al gas hacia zonas menos concentradas (difusión) y hacia condiciones que minimicen su energía interna, en este caso a sitios con menor presión (advección) o fugas, y considerando además la aleatoriedad y

39 39 39

Curso básico en exploración geotérmica para la integración regional

anisotropía

del

recorrido

así

-

como

Edición 2016

también

características

y

propiedades propias de cada gas (convección).

De acuerdo a (Barelli, Celati, & Manetti, 1978) gases ricos en CO2 se liberan hacia la superficie incluso a través de las capas relativamente impermeables, parte de estos gases se disuelven en aguas poco profundas, y otra parte llega a la atmósfera principalmente a través de desgasificación difusa del suelo. Por lo tanto, los valores altos de CO 2 en las aguas subterráneas son indicadores de la presencia de depósitos geotérmicos en profundidad y se pueden utilizar para mapear su extensión.

Figura 13 Esquema básico de transporte de CO2 en sistemas geotermales

Fuente: (Marini L. , 2004) basado en (Barelli, Celati, & Manetti, 1978)

Subsecuentes investigaciones analizando CO2 y otros gases han demostrado la utilidad de estas técnicas geoquímicas en la exploración

40 40 40

Curso básico en exploración geotérmica para la integración regional

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Edición 2016

geotérmica, a continuación se detalla más información sobre los gases más comúnmente utilizados para dicho propósito.

V.1.2. Tipos de gases a medir y características.

Figura 14 Tipos de gases con aplicaciones geotérmicas

La Figura 14 muestra los gases que usualmente son utilizados en los

TIPOS DE GASES DIFUSOS

sistemas geotérmicos para definir anomalías geotérmicas, fallamiento,

1. DIOXIDO DE CARBONO

zonas

de

ascenso

de

fluidos

o

permeabilidad, las propiedades de

2.RADON Y TORON

estos gases y sus características de movimiento

3.VAPOR DE MERCURIO

proveen

de

valiosa

información para el sistema. La Tabla 2

4. HELIO

muestra

un

resumen

de

las

características que los gases difusos 5.SULFURO DE HIDROGENO

brindan par el conocimiento del sistema por el cual se transportan.

Fuente: Amaya, 2016

Tabla 2 Descripción de las características de gases difusos más utilizados en los sistemas geotérmicos No

GAS DIFUSO

DESCRIPCIÓN EN EL SISTEMA GEOTÉRMICO

Dióxido de

El origen de este gas en sistemas geotermales es debido a reacciones

carbono

químicas que se dan con rocas carbonatadas, en algunos minerales, en

1

41 41 41

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Edición 2016

rocas sedimentarias no carbonatadas, en la materia orgánica presente en sedimentos; o puede ser de origen magmático (éste representa la mayor cantidad emitida) (Fridriksson, Studies of diffuse CO2 degassing: Applications to exploration and environmental monitoring in Iceland, 2009). El dióxido de carbono es el gas más abundante (hasta un 95%), en vapor seco a alta temperatura, y es utilizado de forma efectiva como un trazador de degasificación del magma debido a su baja solubilidad en fundidos de silicatos (Gutierrez, 2008). Según (Fridriksson, Ármannsson, Margrétardóttir, Ólafsdóttir, & Chiodini, 2006), la medición de la concentración de dióxido de carbono en el vapor liberado, permite cuantificar directamente el flujo de vapor y el flujo de calor, a partir de los flujos de dióxido de carbono medidos en el sistema hidrotermal. De acuerdo a (Padron, Lopez, Magana, Perez, & Marrero, 2003), (Magaña, López, Barrios, Perez, Padrón, & Henriquez, 2004) y (López, Random, Pérez, Hernández, & Monterrosa, 2004), el dióxido de carbono emitido en sistemas hidrotermales sirve para identificar zonas donde se presentan anomalías, que usualmente coinciden con zonas donde hay una gran permeabilidad vertical.

El Radón es un elemento gaseoso radioactivo por ocurrencia natural, que se produce continuamente debido al decaimiento del Radio. El hecho que Radón y 2

se encuentren altas concentraciones de radón y torón en superficie, Torón permite identificar regiones de alta permeabilidad, así como generar conclusiones sobre la velocidad de los flujos relacionados en esa misma

42 42 42

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región (puesto que la detección del torón está relacionado con flujos de alta velocidad debido a su corta vida media). El grado de emanación de este elemento en las formaciones geológicas depende de varios factores, entre ellos, la distribución espacial en el suelo; el área superficial expuesta al decaimiento (las partículas de radón interactúan con el suelo generando partículas alfa); y, el grado de porosidad del suelo así como el tipo de geofluidos que portan al gas (Stoker & Kruger, 1975); (Rodríguez, Torres, Chavarría, & Molina, 2003). Altas concentraciones de Radón en sistemas volcánicos o hidrotermales, indican un transporte de flujos de tipo convectivo; mientras que altas concentraciones de torón, en el mismo tipo de sistemas, indican un transporte de flujos de tipo advectivo (Gutierrez, 2008).

El mercurio es un gas magmático asociado con estructuras volcánicas activas (Bagnato, Allard, Parello, Aiuppa, Calabrese, & Hammouya, 2009), por lo que proviene directamente de la desgasificación de magma saturado. La desgasificación es entonces estudiada en superficie como una herramienta para la exploración de recursos geotérmicos, y la 3

Mercurio

identificación de sistemas hidrotermales (Varekamp & Buseck, 1983), sugirieron que el estudio de zonas con alto contenido de mercurio en superficie da informaciones sobre la posible existencia de patrones de circulación hidrotermal, esto quiere decir, que tales anomalías ocurren cuando los fluidos geotermales escapan desde un reservorio profundo hacia la superficie. Los altos valores de mercurio, en conjunto con datos

43 43 43

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geológicos, permiten definir los bordes de un reservorio (para su explotación geotérmica), y permiten dar una imagen general sobre la geometría del campo geotérmico. El mercurio se vaporiza en profundidad, y su emisión se genera desde sistemas geotérmicos activos de alta temperatura hacia la superficie, por medio de difusión, a través de regiones

permeables

(Murray,

1996).

El

mercurio

es

entonces

inmovilizado por las arcillas y material orgánico en el suelo, por encima del sistema geotermal, pudiendo ser detectado al analizar el material presente en superficie (Van Kooten, 1984).

(Padron, Lopez, Magana, Perez, & Marrero, 2003) estimaron que los gases nobles se desplazan hacia la superficie a través de zonas donde existe permeabilidad vertical, por lo que si se pueden desplazar fácilmente por tales zonas, esto sugiere que provienen de fuentes profundas. La relación de 3He/4He es un buen trazador de los procesos mantélicos, por lo que los isótopos de helio son utilizados para inferir el origen del dióxido de carbono (CO2) (Minissale, 2004). Se compara la 4

Helio relación isotópica en la muestra R (R = 3He/4He de la muestra), con la relación isotópica helio en el aire Ra (Ra =3He/4He en el aire).

Generalmente, se ha aceptado que si la proporción R/Ra es alta (valor cercano a uno) (Kulongoski, Hilton, & Izbicki, 2003), entonces el origen de la desgasificación de dióxido de carbono (CO2) será mantélico (Shangguan, Bai, & Sun, 2000); (Minissale, 2004); pero si la proporción R/Ra es baja (valor cercano a cero) (Kulongoski, Hilton, & Izbicki, 2003),

44 44 44

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Edición 2016

entonces el origen de la desgasificación de dióxido de carbono (CO 2) será de la corteza terrestre (Shangguan, Bai, & Sun, 2000) Este gas puede ser de origen magmático, pero en muchos sistemas es Sulfuro de 5

producto de pirólisis a partir de las rocas. Está en un alto contenido en el hidrógeno vapor separado a alta temperatura.

Fuente: (Grimaldi, 2011)

V.1.3. Cálculos e interpretación de datos. 

Las actividades de medición en campo requieren primero la planificación de una grid de puntos de medición de gases difusos.

Propiamente en campo, es importante medir las concentraciones de los gases difusos pero también, si es posible y se cuenta con el equipo necesario, es de mucha utilidad para el análisis, medir el flujo de CO2 respecto al tiempo. La Figura 15 muestra un mapa de flujo de CO2 para 50 g m-2 d-1 y la Figura 16 concentración de CO2 para isotopos de C13 (Este tipo de discriminación isotópica de datos es de particular interés para determinar la intensidad en las poblaciones de CO2 biogénico, biológico e hidrotermal), de igual forma la concentración total es importante como se detalló en la Tabla 2.



Es importante determinar los gases difusos que sean posibles de acuerdo a lo sugerido en el esquema de la Figura 14.



También de ser posible pueden muestrearse gases utilizando tubos concéntricos que puedan ser enterrados a cierta profundidad (sepos), y a través de ellos introducir jeringas especiales que nos

45 45 45

Curso básico en exploración geotérmica para la integración regional

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Edición 2016

permitan colectar muestras puntuales de otros gases para análisis posterior en laboratorio, en frascos sellados al vacío (análisis por espectroscopia de masas, por ejemplo determinaciones de oxígeno y nitrógeno que nos permitan comparar con las concentraciones atmosféricas, etc.)

Figura 15 Flujo de CO2 con corte de 50 g m-2 d-1, medido en caldera Campo Flegrei, Italia.

Figura

16

Mapa

de

distribución

isotópica de flujo de CO2(g), 13C

Fuente: (Haizlip, 2014) Fuente: (Haizlip, 2014)



Cuando ya se tienen todos los datos de la grid lo primero que se requiere hacer para el análisis de los datos y en especial para aquellos gases que pueden provenir de más de un origen, como el CO2, es la determinación del background que consiste en realizar un ajuste del vector de datos al de la probabilidad normal acumulada basado en (Sinclair, 1991) para visualizar si existe más de una población en los datos (datos de fondo y valores anómalos que indiquen

actividad

geotermal

profunda)

los

cuales

tendrán 46 46 46

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Edición 2016

diferentes direcciones en el gráfico de probabilidad, tal como se muestra en la Figura 17, (es importante mencionar que 2 condiciones importantes para realizar este análisis son: haber muestreado suficientes puntos en la grid y no haber pre filtrado datos o sitios durante el muestreo).

Figura 17 Análisis de distribuciones de probabilidad de datos CO2 (g) medidos en superficie

Fuente: (Haizlip, 2014)

Otras aplicaciones que han estudiado la desgasificación de CO 2 que se difunde a través del suelo evidencian que los flujos de CO2 junto con las mediciones de temperatura en 10 cm de profundidad tienen correlación directa, en la Figura 18 se muestran mapas de contorno de registro CO2

47 47 47

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(izquierda) y la temperatura a 10 cm de profundidad (a la derecha) para la parte sur de la llanura Lakki, la isla de Nisyros, Grecia. Esto sugiere que ambos flujos ascendente de fluidos (Gases y vapor) en el subsuelo son responsables de las anomalías térmicas de superficie y que este transporte de gases difusos es el mecanismo de disipación de energía que utilizan los fluidos hidrotermales. En Nisyros, un flujo total hidrotérmico de CO2 de aproximadamente 68 toneladas por día fue estimada en una superficie de 1,3 km2 (1997). Suponiendo que el gas difuso se deriva de fluidos hidrotermales que tienen la misma composición química de los vertidos por fumarolas cercanas y que su química no está sesgada por la condensación del vapor, resulta que este CO2 hidrotermal está acompañado por un flujo de vapor de agua de 2,200 toneladas por día, que correspondería a un flujo de calor de 58 MW. El flujo de calor también se calculó a partir de mediciones de gradiente térmico en el suelo (0-40 cm), suponiendo un valor razonable para la conductividad térmica del suelo. Los flujos de energía térmica de CO2 concuerdan con los obtenidos a partir de mediciones de gradiente térmico, apoyando el modelo conceptual propuesto como hipótesis.

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Figura 18 Mapas de contorno de CO2 (izquierda) y la temperatura a 10 cm de profundidad (a la derecha) para la parte sur de la llanura Lakki, Grecia.

Fuente: (Marini L. , 2004) basado en (Brombach, 2000)

Síntesis de la unidad Para sintetizar la aplicación de gases difusos, se presenta el esquema de la Figura 19.

Figura 19 Otras aplicaciones de gases difusos OTRAS APLICACIONES PRACTICAS DE GASES DIFUSOS

LOCALIZACION DE ”FUGAS” DE LOS SISTEMAS GEOTERMICOS CIEGOS (SIN MUCHAS MANIFESTACIONES SUPERFICIALES)

LOS SISTEMAS DE CORTINAS NO TIENEN MANIFESTACIONES SUPERFICIALES, PERO PUEDEN DEJAR ESCAPAR LOS GASESLOS CUALES PUEDEN SER DETERMINADOS CON ESTE PROPOSITO DERMINACION DE CALOR LIBERADO (FLUJO DE CALOR) O COMPARACION CON OTRAS METODOLOGIAS CON ESTE MISMO PROPOSITO GASES TENDRAN FUGAS EN ZONAS DE PERMEABILIDAD, POR LO QUE SE UTILIZAN PARA LOCALIZAR ZONAS DE ASCENSO DE FLUIDOS Y PERMEABILIDAD VERTICAL LOCALIZACION DE FALLAS O VERIFICACION DE FALLAS INDUCIDAS

Fuente: Amaya, 2016

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VI. Modelo geoquímico conceptual

Objetivos de aprendizaje Desarrollar un modelo geoquímico conceptual a partir de resultados de estudios geoquímicos.

VI.1. Introducción a la unidad En esta unidad usted aprenderá a aplicar la información geoquímica necesaria en la elaboración e integración del modelo geoquímico conceptual en un campo geotérmico.

Podrá analizar e integrar los elementos provistos por la disciplina geoquímica para luego unirlos al modelo conceptual integrado del campo geotérmico.

VI.1.1. Modelo geoquímico conceptual.

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Edición 2016

La unidad 6 de este módulo trata acerca de la elaboración del modelo geoquímico conceptual. Durante todo el módulo 3 se han estudiado los diferentes elementos del sistema geotérmico a los cuales la geoquímica exploratoria aporta en su entendimiento, estos se muestran de manera general en la Figura 20. Por lo tanto esta unidad es como la conclusión o síntesis de todos los estudios específicos que se revisan en las unidades anteriores de los modulos 3 y 4.

ELEMENTOS DEL MODELO CONCEPTUAL

Figura 20 Elementos del modelo geoquímico conceptual ORIGEN DE LA RECARGA HIDRICA AL SISTEMA

ISOTOPOS DE 180-Y DEUTERIO 2H CLASIFICACION DE AGUAS Y GASES

QUIMICA DEL RESERVORIO PROCESOS FISICOQUIMICOS Y REACCIONES

CALOR EN EL SISTEMA

ORIGENDEL CALOR: ANALISIS DE GASES DIFUSOS

MOVIMIENTO DE FLUIDOS

MAPAS DE ISOCONTORNOS Y BIVARIANTES

DESCARGA DEL SISTEMA

CARACTERIZACION QUIMICA DE FLUIDOS

PERMEABILIDAD, FALLAS, FRONTERAS

PROSPECCIONES DE GASES DIFUSOS

Fuente: Amaya, 2016

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Curso básico en exploración geotérmica para la integración regional

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Edición 2016

VI.1.2. Identificación de anomalías geoquímicas y elementos del modelo.

Desde una perspectiva temática, la Figura 21 resume las aplicaciones revisadas en todo el modulo y otras aplicaciones geoquímicas de explotación que posteriormente el proyecto requerirá para seguir comprendiendo la interacción y dinamismo del sistema, pero que no se han revisado por no ser parte de los objetivos del módulo (orientados a la etapa de exploración y factibilidad del recurso geotérmico).

Figura 21 Aplicaciones geoquímicas utilizadas para la formulación del modelo geoquímico conceptual

APLICACIONES GEOQUIMICAS

CLASIFICACIÓN DE AGUAS A PARTIR DE CATIONES Y ANIONES MAYORITARIOS.

GEOTERMOMETRÍA

ISOTOPIA

GASES DIFUSOS

CÁLCULOS EN EQUILIBRIO QUÍMICO Y MONITOREO DE POZOS

1.DIAGRAMAS TRIANGULARES

1.GEOTERMÓMETROS DE GASES.

1. ESTIMACION DE RECARGA DEL SISTEMA

1. DELIMITACION DE ESTRUCTURAS Y BORDES EN EL SISTEMA

1.CÁLCULO Y UBICACIÓN DE MUESTRAS EN DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO.

2.DIAGRAMAS BIVARIANTES.

2.GEOTERMÓMETROS DE FASE LÍQUIDA.

2. PROCESOS FISICOQUIMICOS EN RESERVORIO

2. PERMEABILIDAD, FALLAS Y ZONAS DE ASCENSO DE FLUIDO

2.ESTIMACIÓN DEL PH DEL FLUIDO DEL RESERVORIO. Y MONITOREO DE POZOS PARA EVITAR OBSTRUCCIONES

3.DIAGRAMAS DE INDICADORES GEOQUIMICOS.

3. GEOTERMOMETRIA ISOTOPICA

3. PROCESOS CINETICOS EN RESERVORIOS

3. ISOCONTORNOS DE ANOMALIAS, Y OTRAS ESTIMACIONES COMO FLUJO DE CALOR

3. ESTIMACION DE ENTALPIA DEL SISTEMA Y ANALISIS CON DATOS DE PRODUCCION DE POZOS

Fuente: Amaya, 2016

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Edición 2016

Con todos los elementos y aplicaciones que se han revisado, lo que ahora se requiere es una metodología lógica, ordenada y estructural para unir, fusionar, concatenar, ligar y generalizar los resultados y plasmarlo en un esquema.

A continuación se describe una metodología para realizar dicha Metodología

integración. Es importante mencionar que usualmente en esta etapa de para

la exploración geoquímica los elementos y aplicaciones son variados construcción

pero también se sabe que es muy difícil o poco probable que estos sean del esquema

elementos validados o comprobados (hecho que ocurre únicamente del modelo

cuando el sistema tiene al menos un pozo exploratorio o productivo, por geoquímico

lo cual en esta etapa todo el modelo a construir es una hipótesis a conceptual

demostrar).

Se inicia el esquema con un mapa superficial que contenga la mayor cantidad de elementos estructurales y hallazgos geoquímicos del sistema antes mencionados (También ya se pueden mapear en superficie las fumarolas, aguas termales previamente clasificadas con sus temperaturas reales y geotermométricas derivadas, así como también condiciones de pH, salinidad y otros datos que generalicen más al sistema o datos atípicos que expliquen fenómenos de importancia en superficie, también localización de fallas estructurales observadas en las etapas de muestreo y exploración geológica), de esa forma al ubicar todos los elementos representativos se deben de seleccionar los cortes

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Edición 2016

transversales que puedan brindar mayor información lateral. Los cortes seleccionados deberán de mostrar los espacios propicios para mostrar la mayor cantidad de elementos y hallazgos geoquímicos. También uno de los elementos más fáciles de mapear luego haber realizado los análisis isotópicos de la unidad 1 de este modulo es la ubicación del origen meteórico de los fluidos (área de recarga), de igual forma y considerando las características químicas y de clasificación de fluidos del sistema (estudiados en la unidad 2 del modulo 3) se puede ubicar la descarga

del

sistema,

también

para

considerar

los

límites

y

dependiendo de la grid de datos que pudo realizarse se puede utilizar la prospección de datos difusos de vapor de mercurio (unidad 2 de este modulo) para definir las fronteras del sistema.

Recordemos también que 18O / 16O y 2H / H en agua: Se utilizan comúnmente para determinar el origen de diferentes fuentes, procesos de mezcla, evaporación, etc. que también podemos recordar a la hora de seleccionar los cortes o vistas transversales a seleccionar.

Respecto a la temperatura, algunos autores como (Cumming, 2009) en la etapa de la elaboración del modelo conceptual integrado afirman que incluso sin pozos, isotermas en mapas transversales puede ser presentadas mediante la geotermometría de las manifestaciones superficiales

(considerando

además

caracterizaciones

de

la

permeabilidad con la resistividad y otros métodos). Por lo que si se hace uso únicamente de los datos geoquímicos la forma de las isotermas se

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Curso básico en exploración geotérmica para la integración regional

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Edición 2016

puede caracterizar sobre la base de la permeabilidad o zonas de anomalías encontradas por las prospecciones de gases difusos, apoyando el diseño a un gradiente de temperaturas lógicas que puedan coincidir aproximadamente con las del flujo de calor que se halla medido directamente o en base proporcional al flujo de CO2 difuso medido en superficie. Una ventaja de utilizar este enfoque de modelo conceptual (aunque arriesgado) es que la propuesta desde el inicio está enfocada a la fusión posterior con los otros modelos conceptuales y orientada

a

los

objetivos

de

perforación.

En

términos

de

comportamiento del reservorio: temperatura, presión y permeabilidad son siempre parámetros importantes así como la porosidad, la geoquímica del agua, manifestaciones de gases y mapeo de alteración superficial activa. Interpretado de (Cumming, 2009).

También es importante concebir de manera lógica los elementos teóricos estudiados en la unidad 1 delmodulo 3, tal como el origen del calor, la ubicación hipotética de la zona termo metamórfica, las zonas que conformarían las capas de nuestro reservorio geotérmico (zona propilitica y/o argilitica), capa sello o rocas afectadas por alteraciones argíliticas y filiticas (Aunque en esta etapa está claro que en especial las profundidades serán hipótesis que se asumirán en base a la geología y los posibles casos de sistemas geotérmicos locales o regionales más cercanos). La Figura 22 es un mapa transversal que muestra características típicas de muchos sistemas volcánicos de relativa alta

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Curso básico en exploración geotérmica para la integración regional

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temperatura donde la permeabilidad del reservorio relevante estaría dada por fracturas. (Cumming, 2009).

Figura 22 Construyendo un modelo conceptual

Fuente: (Cumming, 2009)

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Figura 23 Otros elementos en un modelo conceptual

Fuente: (Cumming, 2009)

La Figura 23 muestra un sistema hipotético que tiene un flujo ascendente en una zona de falla. El flujo ascendente intersecta una formación con una permeabilidad primaria significativa y se convierte en un flujo de salida. (Cumming, 2009).

Ubicación y forma de las isotermas en las secciones transversales: El patrón de las isotermas debe de estar estrechamente correlacionado con los elementos permeables e impermeables que los datos geoquímicos puedan aportar sobre este aspecto. (Cumming, 2009).

Flujo Ascendente (UPFLOW) y de salida (OUTFLOW) En los sistemas geotérmicos, el gradiente térmico y presiones hace que el agua fluya hacia

arriba

(contra

la

gravedad),

en

las

rocas

permeables

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Edición 2016

(metafóricamente) arrastrando las isotermas con el sentido del flujo.

Por lo tanto, el patrón de las isotermas ilustra el patrón de flujo en rocas permeables. La zona de flujo ascendente es la zona del reservorio en la cual el flujo es predominantemente vertical y la temperatura aumenta generalmente

con

la

profundidad.

En

la

salida,

el

flujo

es

predominantemente horizontal como en el lado derecho del flujo ascendente en la Figura 23. A temperaturas superiores a 100 ° C, la salida sigue estando impulsada por la fuerza ascensional y por lo tanto, la disminución de la temperatura con la profundidad por debajo de la salida se denomina comúnmente una reversión de la temperatura.

(Cumming, 2009).

Patrones de isotermas El límite superior en los valores de las isotermas a cualquier profundidad particular debería ser el punto de ebullición del agua en función de la profundidad o presión en dicho punto, por lo que datos de gradiente térmico y datos termodinámicos de tablas de vapor de agua pueden ser de utilidad. (Cumming, 2009).

Zonas permeables Zonas permeables tendrán menores gradientes de temperatura, como se ilustra por la separación del contorno de 250 con 300°C en la Figura 22 y el espaciamiento de contorno 150 a 200°C en la Figura 23. Los dos modelos ilustran dos tipos comunes de distribución de la permeabilidad. (Cumming, 2009).

58 58 58

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Edición 2016

Zonas impermeables Cuando las isotermas son regulares y más estrechamente

espaciadas

esto

implicaría

un

gradiente

lineal

relativamente alto y permeabilidad relativamente baja. Esto no implica que

no

haya

movimiento

de

fluidos

pero

implicaría

que

es

probablemente menor que en las zonas donde isotermas son más ampliamente espaciadas. El efecto de las variaciones de permeabilidad en los patrones de temperatura en los reservorios geotérmicos fracturados es tan grande que las variaciones en la conductividad térmica de la roca tienden a ser ignorado en la interpretación visual de la temperatura dentro de e inmediatamente adyacente al reservorio.

(Cumming, 2009).

Zonas permeables e impermeables Yuxtapuestas Cuando las isotermas están muy poco espaciadas, lo que implica un gradiente de temperatura muy alta, la permeabilidad es también muy baja, como en la capa de arcilla de color amarillo en la Figura 22 y Figura 23. Tal alto gradiente también implica que existen zonas permeables a cada lado de la zona impermeable. En la capa de arcilla impermeable en la Figura 22, un acuífero meteórico fresco enfría la parte superior mientras que el flujo ascendente y en salida del reservorio permeable calienta la parte inferior. (Cumming, 2009).

Síntesis de la unidad

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Edición 2016

La consolidación de todos los elementos de la Figura 20 y la Figura 21, que han sido los productos de cada uno de los estudios y temas expuestos en las unidades 1, 2 y 3 del modulo 3 y unidades 1 y 2 de este módulo, es una tarea que tendrá diferentes caminos para los sistemas geotérmicos específicos pues todos tendrán diferentes y a veces inesperados resultados en lo que se refiere al entendimiento de uno, todos o interacción de los componentes del sistema geotérmico. La guía propuesta específicamente en esta unidad, es para finalmente, mostrar el esquema que resuma estos elementos (El dibujo), sin embargo el modelo geoquímico conceptual del campo geotérmico es más que eso y se deberá de actualizar a medida que haya más conocimiento del campo geotérmico, es decir en cada una de las etapas del proyecto, especialmente cuando existan pozos geotérmicos, e incluso podría cambiar cuando ya existan series temporales de datos de explotación y las condiciones del sistema cambien debido a la producción, por lo tanto es importante considerar que aunque a nivel geocientifico el conocimiento del sistema es el objetivo profundo, para la etapa de exploración el enfoque debe ser el de tratar de localizar factibilidad y condiciones apropiadas para la explotación del recurso (Ubicación de pozos) por lo que el esquema debe de orientarse hacia esa tarea específica, y tratar de considerar todas las bases geoquímicas, fisicoquímicas y termodinámicas posibles para aportar más datos y elementos al modelo geotérmico integrado final. Particularmente pienso que el análisis geo estadístico es realmente útil para la 60 60 60

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integración sistematizada de la información en cada uno de los submodelos y del modelo geotérmico integrado pero como se ha repetido en algunas ideas en este curso, el tiempo es la limitante en casi todos los procesos y este curso no es la excepción así que inclusive proponer técnicas de este tipo seria no adecuado, por lo que queda abierta la propuesta de investigar más sobre ello en cuanto se tengan datos propios para ello, puedo asegurar que el participante invertirá muy bien su tiempo al hacerlo.

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