Métodos Geoquímicos Asociados a la Exploración Geotérmica
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UPNFM
Métodos Geoquímicos Asociados a la Exploración Geotérmica
Luis Enrique Santos, Ph.D.
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2
Sistemas Geotérmicos
• Convectivos o hidrotermales
• Conductivos
• Acuíferos profundos
Energía Geotérmicas:
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3
Expresión superficial formada por la acción defluidos (agua líquida, vapor de agua o gasesdiversos) procedentes de algún “reservorio"caliente en profundidad (Urbani, 1992).
Manifestaciones Geotérmicas:
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Determinación de:• Conductividad• Salinidad• Temperatura Superficial• pH (acides y alcalinidad)• Contenido de Iones• Contenido de Gases• Isótopos de Interés• Minerales precipitados• Solidos disueltos
Parámetros Relevantes:
Para Predecir:
• Temperatura
Interna
• Composición del Reservorio
• Naturaleza y Origen del Acuífero
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• Espectrometría de Emisión• Espectrometría de Absorción• Espectrometría de Masas• Cromatografía de Gases• Potenciometría• Isotopía • Gravimetría• Volumetría• Turbidimetría• Reactividad Química Específica
Métodos AnalíticosG
eo
qu
ímica
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Espectroscopía de Absorción (EA)
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Cromatografía de Gases (CG)
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Solubilidad de Sales:
SAL: Compuesto Iónico formado por la unión de Cationes (+) y Aniones (-) en un arreglo eléctricamente neutro (usualmente sólido cristalino)
Cationes (+)Na +
K +
Ca 2+
Aniones (-)Cl -
S 2-
SO4 2-
SO3 2-
CO3 2-
HCO3 -
NaClNa2SNa2SO4
Na2SO3
Na2CO3
NaHCO3
CloruroSulfuroSulfatoSulfitoCarbonatoBicarbonato
Solvatación
Sal
Agua
SodioPotasioCalcio
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Solubilidad de Sales:
SAL: Compuesto Iónico formado por la unión de Cationes (+) y Aniones (-) en un arreglo eléctricamente neutro (usualmente sólido cristalino)
Sal = NaCl
20 oC 50 oC
Sal
Solubilidadg sal/100g agua
20oC 50oC
NaCl 36.0 37.0
KCl 34.0 42.9
NaNO3 88.0 114.0
KNO3 32.0 85.5
10g 35g 36g 37g
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Solubilidad de Sales:
SAL: Compuesto Iónico formado por la unión de Cationes (+) y Aniones (-) en un arreglo eléctricamente neutro (usualmente sólido cristalino)
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Solubilidad de gases:
PV = nRT
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Solubilidad de Sales:
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Evaluando el Potencial y Factibilidad de Explotación
de un Recurso Geotérmico
• ¿Cuál es la temperatura interna del acuífero?
• ¿Las aguas de una zona pertenecen al mismo acuífero?
• ¿Qué clase rocas y sedimentos atraviesa el acuífero?
Preguntas Complejas
R:// Geoquímica
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Caracterización Geoquímica:
1. Las aguas Hidrotermales suelen tener mas concentración de iones que las aguas subterráneas (Cl –, HCO3
– , SO42 – , F –, Br – , I – , Na+ , K + , Li + , Rb + , Cs + , Ca 2+ , Mg 2+,
Fe 2+, Fe 3+ y Mn 2+ )
2. Existe mayor interacción agua-roca en altas temperaturas.
3. La composición de los fluidos geotérmicos está controlada por reacciones químicas, que dependen principalmente de la temperatura de equilibrio entre el fluido geotérmico y los minerales a profundidad.
4. La concentración de iones depende de las diferencias fisicoquímicas y geológicas del sistema (temperatura, contenido de gases, fuente de calor, tipo de roca alojante, permeabilidad, edad del sistema, fuente del fluido, procesos de mezcla, etc.)
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Caracterización Geoquímica:
1. Flasheo: generación de una fase líquida y otra gaseosa2. Separación de fases en un fluido salino3. Condensación del vapor al contacto con aguas subterráneas o superficiales para producir aguas
sulfato-ácidas o aguas bicarbonatadas ricas en sodio o CO2.4. Mezcla de CO2 proveniente de fuentes profundas con aguas termales.5. Mezcla de fluidos termales con aguas superficiales de baja temperatura.
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Clasificación de las Aguas en Sistemas Hidrotermales
Clasificación de W. F. Giggenbach (1988):
I) Aguas cloruradas-sulfatadas altamente ácidas
II) Aguas cloruradas neutrales
III) Aguas bicarbonatadas
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I. Aguas cloruradas-sulfatadas altamente ácidas
• Absorción de gases magmáticos en el agua subterránea.
• pH bajo por presencias de HCl y/o HSO4 –
(HSO4 – a altas temperaturas pueden ser casi neutro)
• Disolución simultánea de las rocas.
• Aguas no-equilibradas o inmaduras de Giggenbach
Clasificación de las Aguas en Sistemas Hidrotermales
Cl -, SO42- y pH<<6Giggenbach (1988)
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* Aguas altamente ácidas sulfatadas y con bajo cloruro
• Mezclado de vapores procedentes de acuíferos profundos con aguas someras
frías (aguas vapor-calentadas).
• Oxidación de H2S en presencia de agua (HSO4 – ).
• No representan ambientes profundos en sistemas volcánicos.
• Residuo de sílice oquerosa, anatasa, azufre nativo, sulfuros, esmectita y caolinita.
Clasificación de las Aguas en Sistemas Hidrotermales
SO42- y pH<<6
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II. Aguas cloruradas neutrales
• Aguas bien equilibradas en las fuentes neutrales.
• Muy ricas en cloruros y propias de pozos geotérmicos profundos.
• Mayor zona de descarga y alto potencial para producir energía eléctrica (Ahuachapán en El Salvador).
Clasificación de las Aguas en Sistemas Hidrotermales
Cl - y pH ≈ 7Giggenbach (1988)
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III. Aguas bicarbonatadas
• Alta fugacidad del CO2
• Precipitación de calcita y grandes descargas de CO2
• Aguas vapor-calentadas
• Mezcla de fluidos primarios con aguas frías ricas en HCO3-
Clasificación de las Aguas en Sistemas Hidrotermales
HCO3- y pH ≈ 7
Giggenbach (1988)
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Fluidos Geotermales de Interés:
Sub-división de Giggenbach (1991) :
Fluidos Conservativos (trazadores):
• No reactivos y químicamente inertes.
• No se modifican al incorporarse al fluido.
• Proveen firmas químicas que permite trazar el origen de las aguas.
Fluidos Geoindicadores:
• Reactivos, responden a cambios en el ambiente de forma conocida.
• Forman parte de las interacciones termodependientes
• Proveen información acerca de las condiciones de equilibrio
agua-roca en el reservorio geotermal.
gases nobles He y ArCl, B, Li, Rb, Cs y N2
Na, K, Mg, Ca y SiO2, H2, H2S, CH4 y CO2
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Fluidos Geotermales de Interés:
División de Arnórsson (2007) :
Fluidos Primarios:
• Se encuentran en la base de la celda convectiva.
• Producto de la mezcla de volátiles magmáticos con diversos componentes fluidos, como aguas meteóricas, marinas y connatas.
Fluidos Secundarios:
• Formados durante el ascenso de los fluidos primarios que sufren procesos de separación y mezcla.
AGUAS:• Clorurados • Sulfato-ácido• Salmueras hipersalinas
AGUAS:• Sulfato-ácidas con
vapor calentado• Carbonatadas• Mezcladas
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relaciones de concentración química de especies de interés
La Geo, Modulo III PREG (Reed y Spycher, 1984; Pang y Reed, 1998)
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relaciones de concentración química de especies de interés
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Geotermómetros (agua)
¿Cuál es la temperatura interna del acuífero?
La Geo, Modulo III PREG (Reed y Spycher, 1984; Pang y Reed, 1998)
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Geotermómetros (gases)
¿Cuál es la temperatura interna del acuífero?
La Geo, Modulo III PREG (Reed y Spycher, 1984; Pang y Reed, 1998)
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Análisis de Gases
Tipo Temperatura
de descarga
Composición general
Gases naturales fría CO2, CH4, N2, H2S
Gases
hidrotermales/geotermales
70oC - 300oC CO2,H2S, CH4, N2, H2O
CO2,H2S, CH4, N2, H2O,
HCl
Gases
hidrotermales/magmáticos
Hasta 900oC CO2,H2S, SO2, CH4, N2,
H2O, HCl, HF
El orden de solubilidades en la fase líquida: NH3> H2S > CO2 > N2 > CH4> H2Los gases de placas convergentes tienen una relación N2 /Ar > 1500Los gases de placas divergentes tiene una relación N2 /Ar < 250
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Muestro de Gases
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Equilibrio Mineral:
Calcita
Cuarzo
CaCO3
SiO2
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Equilibrios Complejos
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¿Las aguas de una zona pertenecen al mismo acuífero?
Análisis del contenido de iones en agua
A) Diagramas de Schoeller-Berkaloff
B) Diagramas de Stiff modificados
C) Diagramas de Piper
D) Diagrama de Giggenbach
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Diagramas de Schoeller-Berkaloff
Diagrama de Schoeller-Berkaloff de los valores máximos, medios y mínimos en Andarax, Almería:
(A): Aguas superficiales(B): Acuífero Carbonatado del Alto Andarax (C): Acuífero Detrítico en el Medio Andarax
(Sánchez-Martos, 2005)
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Diagramas de Stiff Modificado
Diagramas de Stiff modificados de la composición iónica de las muestras de agua subterránea de los 74 puntos seleccionados del acuífero de Las Cañadas (Tenerife) y de las zonas adyacentes.
Curso de Interpretación de Datos Geoquímicos, Dina L. López, 2019
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Diagramas de PiperPorcentajes relativos de aniones y cationes
Diagramas de Piper
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Diagramas de PiperPorcentajes relativos de aniones y cationes
Diagramas de Piper
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Diagramas de Piper
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HatariChemDiagramas de Piper
Porcentajes relativos de aniones y cationes
Diagramas de Piper
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Otros diagramas triangulares
Diagrama de Giggenbach
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Muestreo de Campo
• Equipo para toma de muestras
• Herramientas (pala, cuerdas, cinta adhesiva, etc.)
• Frascos de muestreo adecuados (vidrio o polietileno)
• Etiquetas, Rotuladores y Protectores
• Equipo de medición campo (OD, pH, caudal, GPS, etc.)
• Material de protección (guantes, botas, overol, mascarillas, protector solar, etc.)
• Material para descontaminación
• Material para conservar las muestras
• Equipo comunicación y fotográfico
• Libreta de Campo
• Material primero auxilios
• Calculadora y Tablas
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Errores comunes en el muestreo
• Error al calibrar los instrumentos• Contaminación cruzada• No recolectar muestras de control de calidad• Mal embalaje u olvido de equipo • No usar los preservantes adecuados• Proceso de muestreo incorrecto• Lectura errónea de instrumentos• Mal etiquetado• Documentación insuficiente• Tiempo• Seguridad
X
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