Curso básico en exploración geotérmica para la integración regional. Edición 2016
MÓDULO 4 Exploración Geoquímica.
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Figura 1 Esquema general del tema de Isotopía en sistemas geotérmicos ISOTOPOS
1. DEFINICIONES •A. TIPOS DE ISOTOPOS •B. NOTACION •C. FRACCIONAMIENTO •D. FACTORES QUE MODIFICAN LA PROPORCION
2. APLICACIONES •A.CARACTERIZACION •B.TRAZADOR NATURAL
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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)
4 4 4
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. Otro concepto clave es el fraccionamiento isotópico, que es la redistribución de la proporción original de isotopos debido a procesos fisicoquímicos que lo alteran, de tal forma que si analizamos el fraccionamiento isotópico debido a ebullición o evaporación, el isotopo más pesado tiene tendencia a quedarse en el condensado y el más 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
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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 α x-y, donde ‘x’ corresponde al mineral y ‘y’ al agua: αx-y=
(
)
(
)
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Figura 2 Datos isotópicos de oxigeno 18 y deuterio respecto a la línea meteórica mundial
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
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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). La Figura 3 resume los factores que modifican la razones isotópicas,
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Figura 3 Factores que modifican las razones isotรณpicas
FACTORES QUE MODIFICAN LA PROPORCION ISOTOPICA
FISICOS
BIOLOGICOS
QUIMICOS
i.
ii.
TEMPERATURA
EVAPORACION
iii. REACCIONES QUIMICAS (CINETICA)
iv. EQUILIBRIO QUIMICO
Fuente: Amaya, 2016
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La Figura 4 muestra las aplicaciones isotรณpicas que son utilizadas para caracterizaciรณn del sistema. Figura 4 Aplicaciones de caracterizaciรณn
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
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La Figura 5 muestra otras aplicaciones isotรณpicas, ahora relacionadas a los isotopos como trazadores naturales. Figura 5 Aplicaciones isotรณpicas como trazador natural
APLICACIONES
TRAZADOR NATURAL
ORIGEN
i.
ii.
AGUAS:
ISOTOPOS DE 18O/O16, H2/H1 VS GEOINDICADORES QCOS COMO CLORUROS
EJEMPLO 18O/O16, H2/H1.
EXTENSION SUPERFICIAL DEL SISTEMA
MOVIMIENTO
iii. ANALISIS DE AGRUPAMIENTO EN CONTRASTE CON LOCALIZACION REAL DE SITIOS
iv. LOCALIZACION DE RECARGA Y DESCARGA DEL SISTEMA
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Existen otras relaciones isotópicas útiles en geotermia las cuales son: 3H / H: Se utiliza para la determinación de la edad de fluidos 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).
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Base teórica de la técnica de gases difusos en reservorios geotérmicos. Figura 6 Esquema general del tema de gases difusos GASES DIFUSOS
1. DEFINICIONES A. TIPOS DE GASES B. DIFUSION C. ADVECCION D. CONVECCION
2. APLICACIONES A. PERMEABILIDAD B. ZONAS DE ASCENSO DE FLUIDO C. BORDES DEL SISTEMA D. DELIMITACION DE ESTRUCTURAS Y FALLAS
Fuente: Amaya, 2016
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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
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Difusión
masas, especialmente en la interface de transferencia. La primera ley de Fick relaciona al flujo difusivo con 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
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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 propiedad conservada por el gas debido a su energía cinética o potencial. El gas contiene energía interna y en general, un gas transporta alguna cantidad de energía 2
Advección
conservada o material a través de movimiento. El movimiento del fluido se describe matemáticamente como un campo de 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
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Convección
agregados de moléculas dentro de los fluidos (para el caso, gases) por advección o por medio de difusión o como una
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combinación de los dos mecanismos de movimiento y transferencia de masa donde el movimiento 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)
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Tabla 2 Descripción de las características de gases difusos más utilizados en los sistemas geotérmicos N
GAS DIFUSO
DESCRIPCIÓN EN EL SISTEMA GEOTÉRMICO El origen de este gas en sistemas geotermales es debido a reacciones químicas que se dan con rocas carbonatadas, en algunos minerales, en rocas sedimentarias no carbonatadas, en la materia orgánica presente en sedimentos; o puede ser de origen magmático
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(éste
representa
la
mayor
cantidad
emitida)
Dióxido
(Fridriksson, Studies of diffuse CO2 degassing: Applications to
de
exploration and environmental monitoring in Iceland, 2009). El
carbono
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
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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 2
Radón y Torón
Radio. El hecho que se encuentren altas concentraciones de radón y torón en superficie, permite identificar regiones de alta permeabilidad, así como generar conclusiones sobre la velocidad de los flujos relacionados en esa misma región (puesto que la detección del torón está relacionado con flujos de alta velocidad
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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 3
Mercurio
volcánicas activas (Bagnato, Allard, Parello, Aiuppa, Calabrese, & Hammouya, 2009), por lo que proviene directamente de la desgasificación de magma saturado.
La desgasificación es
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entonces estudiada en superficie como una herramienta para la exploración de recursos geotérmicos, y la 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 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
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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 4
Helio
utilizados para inferir el origen del dióxido de carbono (CO 2) (Minissale, 2004). Se compara la 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 (CO 2) será mantélico (Shangguan, Bai, & Sun, 2000); (Minissale, 2004); pero si la
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proporción R/Ra es baja (valor cercano a cero) (Kulongoski, Hilton, & Izbicki, 2003), entonces el origen de la desgasificación de dióxido de carbono (CO2) será de la corteza terrestre (Shangguan, Bai, & Sun, 2000)
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Sulfuro de hidrógeno
Este gas puede ser de origen magmático, pero en muchos sistemas es producto de pirólisis a partir de las rocas. Está en un alto contenido en el vapor separado a alta temperatura. Fuente: (Grimaldi, 2011)
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Figura 7 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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Modelo geoquímico conceptual. Figura 8 Elementos del modelo geoquímico conceptual
ELEMENTOS DEL MODELO CONCEPTUAL
ORIGEN DE LA RECARGA HIDRICA AL SISTEMA
QUIMICA DEL RESERVORIO
ISOTOPOS DE 180-Y DEUTERIO 2H CLASIFICACION DE AGUAS Y GASES 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
Figura 9 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
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
CÁLCULOS EN EQUILIBRIO QUÍMICO Y MONITOREO DE POZOS
La consolidación de todos los elementos de la Figura 8 y la Figura 9, que han sido los productos de cada uno de los estudios y temas expuestos desde la unidades 1 del modulo 3 hasta lo estudiado en el Modulo 4, 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 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.