Dra. Ruth Esther Villanueva EstradaInstituto de Geofísica, UNAMDepto. Recursos Naturales

WEBINARIO UNIÓN GEOFÍSICA MEXICANA

GEOQUÍMICA DE FLUIDOS COMO HERRAMIENTA PARA LA PROSPECCIÓN DE SITIOS GEOTÉRMICOS

GEOQUÍMICA DE FLUIDOS COMO HERRAMIENTA PARA LA PROSPECCIÓN DE SITIOS GEOTÉRMICOS

JUNIO DE 2016

INTRODUCCIÓN A LA GEOTERMIA

Ciencia que estudia los fenómenos relacionados con el calor interno de nuestro planeta

Procesos industriales que se usan para aprovecharlo.

DEFINICIÓN DE GEOTERMIA

CALOR INTERNO DE LA TIERRA

dT/dz: gradiente geotérmico (25-30°C/1000 m)

TRANSMISIÓN DE CALOR

Conducción

Celdas de convección

Núcleo externo

Manto

Fuentes de energía:Desintegración radioactivaCalor inicialMovimientos diferenciales

OCURRENCIA DE GEOTERMIA

Fuente: http://www.educarchile.cl/UserFiles/P0021/File/Ruz_FUNDACION%20CHILE.pdf

Fuente: Modificado de Bertani, R., 2005. World geothermal power generation in the period 2001-2005. Geothermics, 34: 651-690.

GEOTERMIA EN EL MUNDO

Australia< 1 MWe

Papua Guinea6 MWe

Indonesia797 MWe

Tailandia< 1 MWe

Filipinas1930 MWe

China (Tibet)28 MWe

Japón535 MWe

Rusia (Kamchatka)79 MWe

E.U.A.2564 MWe

Islandia202 MWe

Italia791 MWe Alemania

< 1 MWe

Austria1 MWe

Turquía20 MWe

Portugal (Azores)16 MWe

Etiopía7 MWe

Kenia129 MWe

Francia (Islas Guadalupe)15 MWe

Nicaragua 77MWeEl Salvador 151 MweCosta Rica 163 MweGuatemala 33 MWeMéxico 953 MWeNueva Zelanda 435 MWe

SISTEMA GEOTÉRMICO

• Existencia de un flujo de calor elevado• Presencia de una capa de alta permeabilidadque permita la acumulación y circulación delagua y/o vapor.• Una roca impermeable por encima delacuífero que actúe como una cubierta queimpida que el agua escape.

Cerro Prieto (720 MW)Los Azufres (188 MW)Los Humeros (35 MW)Tres Vírgenes (10 MW)Cerritos Colorado (prospecto, 75 MW)

En México, la producción de electricidad por geotérmica empezó en 1959 (37.5 MW). Actualmente, hay una potencia instalada de 953 MW, que supone el 3 % de la electricidad producida en el país.

GENERACIÓN DE ELECTRICIDAD EN MÉXICO

País Capacidad instalada (MWe)

1 Estados Unidos 3,151.5 2 Filipinas 1,904.0 3 Indonesia 1,197.3 4 México 985.0 5 Italia 882.5 6 Islandia 882.5 7 Nueva Zelanda 664.6 8 Japón 536.0 9 Costa Rica 207.1 10 El Salvador 204.4 11 Kenia 172.0 12 Nicaragua 123.5 13 Rusia 81.9 14 Turquía 76.8 15 Papúa- Nueva Guinea (Isla Lihir) 56.0 16 Guatemala 52.0 17 China (incluye Tíbet) 24.2 18 Portugal (Islas Azores) 23.0 19 Francia (Isla Guadalupe y Alsacia) 17.2 20 Etiopía 7.3 21 Alemania 6.6 22 Austria 1.4 23 Tailandia 0.3 24 Australia 0.1

Localidad Uso Temperatura de entrada

(°C) Aguascalientes Balneología 43.0 Chiapas Balneología 36.0 Chihuahua Balneología 39.3 Coahuila Balneología 32.0 Durango Balneología 52.5 Guanajuato Balneología 40.8 Hidalgo Balneología 41.5 Jalisco (incluye La Primavera) Balneología 37.8 – 48.0 México Balneología 35.1 Michoacán (incluye Los Azufres) Secado agrícola (granos,

frutas, vegetales) Balneología Invernaderos Calefacción

44.5 -110.0

Morelos Balneología 45.0 Nuevo León Balneología 38.0 Querétaro Balneología 31.8 San Luis Potosí Balneología 36.8 Sinaloa Balneología 72.5 Tlaxcala Balneología 35.0 Veracruz Balneología 65.0 Zacatecas Balneología 36.6

GEOTERMIA MUNDIAL Y EN MÉXICO

Fuente: Gutiérrez-Negrín y Quijano-León, 2010

Fuente: http://www.geotermia.org.mx/geotermia/?page_id=688)

APLICACIONES DE LA GEOTERMIA

Actualmente las energías renovablesson competitivas en:• Generación de electricidad• Usos directos

ENERGÍAS RENOVABLES: COMPETENCIA

IDENTIFICACIÓN Y EVALUACIÓN DEL RECURSO

•Tamaño del sistema•Forma del sistema•Estructura del sistema•Capacidad del sistema para

producir energía

1. Reconocimiento científico

2. Perforación de pozos de exploración

El objetivo de la exploración de sistemas geotérmicos es determinar el potencial. Por lo que es necesario evaluar:

• Procesamiento de imágenes satelitales

• Evaluación geológica• Evaluación Geofísica• Evaluación geoquímica• Evaluación hidrológica

GEOQUÍMICA APLICADA A LA GEOTERMIA

CLASIFICACIÓN DE LOS SISTEMAS TERMALES TEMPERATURA ESTADO FÍSICO ENTALPÍA

Sistemas de baja.-T< 150°C

Caracterizado por manantiales calientes.

Dominado por el líquido.-reservorios termales con

temperatura igual o por debajo del punto de ebullición del

agua.

Sistemas de baja.- Entalpía del fluido en el reservorio menor a 800 KJ/kg, correspondiente a una temperatura menor a los

190°C.

Sistemas de media.-150 °C >T< 200°C.

Dos fases.- reservorios termales donde vapor y agua co-existen.

Sistemas de alta.-T>200°C

Caracterizados por fumarolas, hervideros, pozas y suelo muy

alterado.

Dominado por el vapor.-sistemas donde la temperatura es mayor al punto de ebullición

y la fase de vapor controla la presión en el reservorio.

Sistemas de alta.- Entalpía del fluido en el reservorio mayor a

800 KJ/kg.

Referencias: Bodvarsson, 1964; Axelsson and Gunnlaugsson, 2000

ESTRUCTURA DE UN SISTEMA HIDROTERMAL

Fluidos recarga

• Agua meteórica• Agua connata• Agua metamórfica• Agua magmática

Fuente de calor

• Cámara magmática• Gradiente geotérmico

Depositación mineral•Ebullición

•Conducción

•Mezcla

Interacción roca-fluido

TemperaturaReacciones químicas:

óxido- reducción, ácido-base e intercambio iónico

EXPLORACIÓN GEOQUÍMICA•Composición de los fluidos calientes•Temperaturas del fluido sub-superficial•El origen de los fluidos calientes•La dirección del flujo en un área

determinada •Tiempo de residencia del agua en un

sistema•La depositación mineral del fluido•La posibilidad de acidez la cual causa

dificultades en la explotación•Constituyentes del fluido que pudieran

tener un valor económico

Agua de manantiales calientes, emisiones de gas y aguas frías superficiales

TIPOS DE AGUAS EN SISTEMAS GEOTÉRMICOS

Rango pH aprox.

Aniones principales

Aguas subterráneas 6.0 –7.5 Traza HCO3-

Aguas cloruradas 4.0 – 9.0 Cl-, menos HCO3-

Cloruradas-bicarbonatadas

7.0 – 8.5 Cl-, HCO3-

Calentadas por vapor

4.5 – 7.0 SO42-, HCO3

-, traza Cl-

Ácidas-sulfatadas-cloradas

1.0 – 5.0 SO42-, Cl-

Ácidas sulfatadas 1.0 – 3.0 SO42-, traza Cl-

Bicarbonato 5.0 – 7.0 HCO3-

Cloradas diluidas 6.5 –7.5 Cl-, menos HCO3-

DIAGRAMAS HIDROGEOQUÍMICOS

Diagramade Piper

Diagramade Stiff

Gráfica de Schoeller

Cationes: Na+, K+, Ca2+, Mg2+

Aniones: Cl-, CO32-, HCO3

-, SO42-, NO3

-Balance de electroneutralidad

ISOTOPÍA DE ELEMENTOS ESTABLES

Altas latitudes

TempladoTropical

δD = 8 δ18O + 10 𝐻2𝑂18(𝑔)+ 𝐻2𝑂16(𝑔) ↔ 𝐻2𝑂16(𝑔) + 𝐻2𝑂18(𝑙)

ISOTOPÍA EN GEOTERMIA

(tomado de Giggenbach, 1992)

Origen del agua Rango Descripciòn

Aguas magmáticas δ18O de +6 a +9 ‰δD de –40 a –80 ‰(White, 1974).

Las aguas magmáticas son aquellas que se han equilibrado con el magma, y son importantes en la génesis de rocas ígneas.

Aguas andesíticas δ18O de 7.8 a +11 δD de –10 y –30(Giggenbach, 1992)

Las aguas andesíticas representan la mezcla entre agua de mar y agua magmática y es esencialmente agua de mar reciclada. El agua de mar se introduce mediante zonas de subducción hasta llegar al manto. Esta agua subducida entra en contacto con corrientes de convección que la incorporan nuevamente al océano mediante sistemas hidrotermales con una señal isotópica diferente

Los constituyentes pueden ser solutos, gases o isótopos, los cuales se han reequilibrado muy lentamente a temperaturas más frías.

aA + bB↔ cC + dD

PRINCIPIO TERMODINÁMICO DE LOS GEOTERMÓMETROS

GEOINDICADOR NA-K-MG

Solutos

• SiO2• Na-K• Na-K-Ca• Na-K-Ca con

corrección de Mg• Na-Li• K-Mg

Gaseosos

• CO2• H2S• H2• CO2/H2• H2/H2S

Isotópicos

•Metano y dióxido de carbono:12CO2(g) + 13CH4(g) = 13CO2(g) + 12CH4(g)

•Hidrógeno gaseoso y metano: CH3D(g) + H2(g) = HD(g) + CH4(g)

•Hidrógeno gaseoso y agua: HD(g) + H2O(ac) = H2(g)+ HDO(ac)

•Isótopo de 18O en sulfatos solubles y agua: 18 δO (SO4)− 18 δO (H2O)

Karingithi, 2009

TIPOS DE GEOTERMÓMETROS

• Son una herramientaindispensable para laexploración de losrecursos geotérmicos,estimando lastemperaturas sub-superficiales usando lacomposición química eisotópica

• Son útiles para la fase deexplotación.

UTILIDAD DE LOS GEOTERMÓMETROS

MUESTREO GEOQUÍMICO: SALIDA DE CAMPO

•Identificación de sitios de intéres•Material a colectar (agua de pozo o de manantial, gases termales, roca, plantas, etc.)

•Preparación para la salida a campo•Plan de muestreo•Actividades de campo

ES IMPORTANTE QUE…..

•Lista con posiciones geográficas (UTM o latitud y longitud). Indicar la proyección y datum y la elevación

•Temperatura (°C) de la descarga y ambiental•Conductividad eléctrica y pH•Determinación de algunos analitos en campo•Flujo (L/s)•Presencia de burbujas•Presencia de olor a azufre (huevo podrido)•Presencia de precipitados alrededor de la descarga de los fluidos•Las muestras deben ser adecuadamente preservadas usando técnicas

estándar.

COLECTA DE FLUIDOS GEOTÉRMICOS

Colecta degasesdeunapozadelodo

ColectadegasesGiggenbach

Medicionesen campo

Gascondensado

Colectadegases

Colectadeaguatermal Muestreoen

pozos

INFRAESTRUCTURA

ANÁLISIS QUÍMICO: CONTROL DE CALIDAD

Blancos

Duplicados

Actividades de laboratorioQuality Control/Quality Assurance: replicas, % recobro, límite de detección, límite de cuantificación, linealidad, etc.

No detectable (ND)

Balance iónico

Analito

Aplicación

Límite de cuantificación

Costos

CONCLUSIONES

La exploración geotérmica es una herramienta indispensable para la explotación de recurso geotérmico.

Involucra una adecuada colecta de muestras, análisis químico de calidad y una interpretación correcta.

¡MUCHAS GRACIAS POR SU ATENCIÓN!