5_Clase_Prospecci_n_Geoqu_mica.pdf

Curso de Geotermia : A. Lahsen – J. Rojas
PROSPECCIÓN GEOQUÍMICA
(5ª Clase)
Curso GL 4009 : Principios de Geotermia
(Electivo de Licenciatura y Obligatorio para el Minor en Energías Renovables)
Curso GL 5004 : Geotermia
(Electivo de Licenciatura)
Departamento de Geología
Universidad de Chile

METEORICA
Agua que ha jugado un papel activo en el ciclo hidrológico, en tiempos
recientes; puede infiltrarse a grandes profundidades (2 a 3 km) y formar parte de un
sistema geotermal.
CONGENITA
Agua fósil atrapada en cuencas sedimentarias profundas. Ha sido ajena al
ciclo hidrológico durante tiempos recientes.
MAGMATICA
Proviene de un cuerpo intrusivo junto con algunos elementos gaseosos como Cl, S, N, C y
otros.
METAMORFICA
Es un caso particular de agua congénita. Se origina de la deshidratación de
los minerales por acción del metamorfismo.
Tipos genéricos de aguas

El agua, en estado líquido o en forma de vapor, es el fluido
más abundante.
Una cierta cantidad de moléculas de agua puede estar
incorporada a la estructura cristalina de los minerales
hidratados (micas).
Las aguas termales pueden ser de origen meteórico, magmático o
bien agua de mar (Islandia) o connata (Cerro Prieto México).
Los constituyentes disueltos pueden provenir de la disolución de
minerales petrográficos, del magma, de la disolución de rocas
evaporíticas e incluso de agua de mar.
ORIGEN DE LOS FLUIDOS Y SOLUTOS

Presentan temperaturas muy variables y pueden clasificarse en:
- Manantiales templados, su temperatura no excede los 45 ºC, estos
manantiales generalmente están asociados a sistemas de temperaturas
bajas o moderadas; presentan bajos contenidos de sales.
- Manantiales calientes, presentan temperaturas superiores a 45 ºC,
pero no alcanzan el punto de ebullición.
- Manantiales hirvientes, presentan temperaturas correspondientes al
punto de ebullición para la altura en que se encuentran, normalmente tienen
altas concentraciones de sales disueltas. Pueden corresponder a geysers,
vertientes o pozas de agua y de barro hirvientes.
Manantiales termales

Los GEYSERS son
manifestaciones termales
espectaculares y
corresponden a
manantiales hirvientes.
Un Geyser es un chorro
de agua y vapor a
presión, se manifiesta
periódicamente en
lapsos de tiempo
bastante definidos. Son
propios de sistema de
alta entalpía.
Manantiales termales

Manifestaciones termales
Se agrupan en tres tipos:
a) manantiales, pozas de
agua y barro calientes.
b) fumarolas, incluyen
vapor de agua y gases.
c) suelos alterados y
evaporantes.
En la etapa de perforación
exploratoria, el estudio de los fluidos
encontrados y de la mineralogía de
alteración hidrotermal es de gran
utilidad.

Soluciones geotérmicas en ebullición o enfriadas (Aguas de cloruro)
 Bastante comunes
 Generalmente restringido a partes bajas de campos geotérmicos
 Muy útil en geotermometría
 Entrega información sobre propiedades productivas
 Entrega información sobre el origen del fluido
 Caracterizado por la precipitación de minerales (Sílice o carbonato)
 Adición de masa y volumen a la superficie

Son descargas de reservorios
geotérmicos en forma de vapor y
gases.
Si el reservorio es del tipo líquido
dominante, la fumarola estará en
estado de saturación.
En caso de reservorios de vapor
dominante, la fumarola puede estar
sobrecalentada en unos cuantos
grados.
Las fumarolas volcánicas siempre
están sobrecalentadas, incluso
llegan a alcanzar temperaturas
superiores a 500 C.
Cuando en la descarga de una
fumarola se deposita azufre
elemental, se le denomina
SOLFATARA.
Fumarolas
Fumarola Cerro Apacheta

Fumarolas
Las rocas superficiales comúnmente se encuentran altamente alteradas
alrededor de las fumarolas
El H2S oxidado forma H2SO4
El ácido sulfúrico lixivia la mayoría de los elementos de la roca
Pérdida de masa y volumen de las rocas

Gas tot. CO2 SO2 H2S NH3 N2 Ar He HCl HF
NOMBRE T C
Por ciento en volumen
El Chiflador 91 3.71 98.1 --- 0.68 --- 0.74 0.003 --- --- ---
Tacaná 90 3.28 97.3 --- 0.89 --- 1.08 0.008 0.006 --- ---
White Island 600 --- 86.3 0.16 2.0 0.002 1.9 --- --- 0.91 0.01
Las fumarolas volcánicas, además de las altas temperaturas, contienen
cantidades apreciables de SO2, HCl y HF, por lo que son más corrosivas.
Las fumarolas se localizan en las partes altas de los campos geotérmicos
o en los cráteres volcánicos.
No deben confundirse con suelos evaporantes. En estos últimos, el vapor
emana de manera difusa y sin presión, en una superficie amplia y alterada
hidrotermalmente.
Fumarolas

Los elementos K, Ca y Mg son abundantes en las rocas e ingresan a los
fluidos termales por disolución de éstas. Sin embargo, estos cationes son
menos solubles que el Sodio, sobre todo el Calcio y el Magnesio.
Otros elementos como el Li, Rb, Cs y As también se originan
por alteración de minerales petrográficos.
El As es un elemento tóxico, de ahí la necesidad de considerarlo.
En las aguas termales de El Tatio el Li y el K son bastante abundantes por
lo que podrían tener un valor comercial.
Como regla general, la solubilidad de los cationes monovalentes
es directamente proporcional a la temperatura; mientras que, en
los cationes bivalentes, ésta es inversamente proporcional.

La solubilidad de un soluto está controlada por la formación
de minerales secundarios o minerales de alteración hidrotermal.
En ciertos casos, por ejemplo los iones Cl- y Na+ y el ácido
bórico (HBO3), la solubilidad es tan grande, que los solutos
no llegan a precipitar formando minerales secundarios.
A estos solutos se le denomina conservadores y son excelentes
trazadores naturales del sistema geotérmico.
El Litio puede también considerarse como trazador.

El Cl y el B pueden ser incorporados al agua antes, durante o
después de los procesos de lixiviación de las rocas.
A altas temperaturas (>250 ºC) el Cl se encuentra como HCl y el B
como H3BO3, ambos constituyentes son volátiles y pueden
movilizarse con vapor a altas temperaturas y facilitar los proceso de
disolución de minerales.
A menores temperaturas los ácidos de Cl reaccionan con las rocas y
se transforma en NaCl que se mantiene en solución, sin ser afectado
por procesos secundarios.
En cambio, el B se mantiene volátil y puede movilizarse incluso a
menores temperaturas (<200 ºC).

Los constituyentes químicos de los fluidos geotermales se pueden dividir en dos
grupos principales, de acuerdo con la información que pueden aportar:
1.- Constituyentes inertes o no reactivos (trazadores), que una vez
incorporados al fluido no cambian; pueden revelar su fuente de origen.
Corresponden a He, Ar, Cl, Li, B, Rb, Cs y N
2.- Constituyentes reactivos, interactúan con los Al-Silicatos de los
minerales petrográficos dependiendo de la temperatura. Corresponden a
Na, K, Mg, Ca, SiO2. Además de los gases H2, H2S, CH4, y CO2, que
participan en reacciones redox dependientes de la P y T y con los sistemas
redox del Fe de las rocas.
Los límites entre estos dos grupos no son rígidos; bajo ciertas condiciones, por
ej. el Cs a temperatura de mas de 250º C, es un constituyente inerte y a
temperaturas menores se incorpora en las zeolitas secundarias, siendo así un
elemento reactivo.
CONSTITUYENTES DE LOS FLUIDOS TERMALES

fumarolas
Agua superficial
Calentada con vapor
Soluciones mezcladas
Agua rica enCO2
Vapor ascendente
Capa freática
oxidación
Soluciones geotermicas
en ebullición
Fluido
profundo

La cristalización diferenciada de la cámara magmática aporta
una cantidad considerable de gases al sistema geotérmico.
Al disolverse, algunos de estos gases aportan iones hidrógeno
a la solución, aumentando su acidez.
•CO2, H2S, SO2, H2, NH3, N2,
•CH4 (y otros hidrocarburos),
•HCl, HF
•gases nobles en menor cantidad,
en particular Ar y 3He.
Los más importantes son:

HCl + H2O H*H2O+ + Cl-
SO2 + 4H2O 2H*H2O+ + SO4
2-+ H2
H2S + H2O H*H2O+ + HS-
CO2 + H2O H*H2O+ + HCO3
-
Los aniones SO3 y HCO3 se originan en los gases disueltos. Su
solubilidad es inversamente proporcional a la temperatura.
La concentración de bicarbonatos y carbonatos está
controlada por la precipitación de calcita (CaCO3), mientras
que la de los sulfatos por la precipitación de anhidrita
(CaSO4).

El Boro se encuentra en solución como ácido bórico (H3BO3).
Su constante de disociación es muy pequeña, por lo que sólo
una mínima cantidad se ioniza, cuando la concentración es alta:
H3BO3 + H2O H*H2O+ + H2BO3
-
Además, es necesario vigilar su comportamiento ya que es un
elemento tóxico para las plantas, en particular los árboles.
La mayor parte del ácido bórico proviene, probablemente, de
la desgasificación de la cámara magmática.
Por su alta solubilidad se considera un buen trazador natural.

El Silicio se encuentra disuelto como ácido silícico (H4SiO4).
Este elemento se encuentra en prácticamente todos los
minerales que forman las rocas ígneas y es uno de los más
abundantes en la corteza terrestre.
Su solubilidad está controlada por la formación de minerales
como el cuarzo y la calcedonia.
En las instalaciones geotérmicas se deposita en diferentes
formas amorfas y representa un problema de operación y
mantenimiento.
H4SiO4 2H2O + SiO2 (cristalino)

Depende del problema que se desea resolver o de los antecedentes
que se quieran obtener mediante el empleo de técnicas geoquímicas
y del estado de avance del programa de exploración.
En la etapa inicial se colectan diferentes muestras de aguas termales
en cuanto a temperatura y gasto; además de muestras de aguas no
termales (superficiales).
En una siguiente etapa se muestrea con el objeto de solucionar
problemas específicos, surgidos de los datos obtenidos en la etapa
inicial.
En esta etapa es necesario enfocarse en aquellas fuentes termales de
mayor temperatura y mayor gasto.
Muestreo de Aguas Termales

Para preservar algunos constituyentes y evitar reacciones posteriores
a la toma de la muestra se procede a filtrar y acidificar.
Filtrado mediante filtro de membrana de 0,45 μm, en aguas
de <90°C para prevenir crecimiento de algas que podrían extraer
del Mg, NH3 y SO4, como también bloquear los nebulizadores de
las espectrometrías (AA, ICP).
En aguas claras (sin arcillas) de >95° solo se requiere filtrar cuando
se analizará elementos trazas tales como Fe, Mn, Ni, Cu, etc,
seguidos de acidificación.
La acidificación es esencial para mantener el contenido de cationes
en aguas supersaturadas de alta temperatura y para prevenir la
precipitación de metales traza en aguas de menor temperatura.

Solamente se acidifican muestras previamente filtradas, agregando
10 ml de HNO3 4N (diluido 1:3) por 1 litro de muestra. La
precipitación de SiO2 de aguas sobresaturadas y la precipitación
de Al y otros elementos traza ocurre hasta con pH de 1,5.
Si la muestra se guarda por largo tiempo debe ser diluida con
Agua desmineralizada para llevar la sílice disuelta por debajo de
los 300 mg/kg.
La muestra filtrada y no acidificada se usa para determinar el pH y
los aniones.
Al momento de muestrear, los detalles de la muestra se deben
escribir en la botella de muestreo, como asimismo en la libreta de
terreno. Para mayor seguridad puede ser conveniente guardar
cada botella en una bolsa plástica.

Los datos que deben registrarse en la libreta son: fecha (año, mes día:
090413); ubicación (referencia a un mapa, coordenadas, número de
terma o nombre; descripción de la terma (tipo, tamaño, color, claridad,
grado de ebullición, costras salinas, etc.), temperatura en grados Celsius
y gasto en l/seg.
Para analizar el conjunto usual de constituyentes incluyendo pH, Li, Na,
K, Rb, Cs, Mg, Ca, Al, B, SiO2, NH3, Cl, HCO3, CO3 y SO4, bastarían 50 ml
de muestra pero para mayor seguridad es mejor tomar un mínimo de 100
ml ó 150 ml.
El análisis de B requiere unos 200 ml adicionales; el análisis de Br y I
mediante oxidación de hipoclorito otros 200 ml; para determinar el H2S
disuelto, otros 200 ml.
Si se analizan elementos traza la muestra usualmente debe ser
preconcentrada y debe estar filtrada y acidificada.
Para análisis isotópicos de D y 18O son suficientes unos 20 ml.

1.- Botella de muestras, de 100 a 1000 ml resistentes al agua hirviendo,
normalmente de polietileno o polipropileno de alta densidad.
2.- Termómetros para fuentes termales de O° a 120°-150°C (de alcohol o
mercurio). O bien termómetros digitales, para fumarolas volcánicas, que
pueden alcanzar hasta 500 °C.
3.- Guantes de goma para fuentes termales y guantes de asbesto para
fumarolas volcánicas.
4.- Plumones y lápices a prueba de agua, libreta y mapas.
5.- Vara de 1,5m de largo con dispositivo para sostener las botellas u otro
tiesto de muestreo y los termómetros.
6.- Equipo de filtrado: membrana filtro y embudo para ubicarla; jeringa
plástica para ejercer presión manual en la muestra.

Muestras de dos fases
recolectadas de acuerdo al
protocolo
Muestras “No-ideales”

Muestra T ºC pH SiO2 Li Na K Ca Mg HCO
3
SO4 Cl F B
Ju-1 66,0 7,6 53,0 2,0 300 14,0 304,0 1,0 58 1100 243,0 na 12,8
Su-2 82,5 8,1 157,0 8,2 1115 187,0 98,0 8,0 238 215 1780,0 na 46,9
Pu-98 86,0 6,9 258,0 12,3 1569 115,0 79,0 1,0 73 89 2744,0 2,5 101,9
Ta-226 83,0 7,0 260,0 47,0 4540 530,0 162,0 0,3 29 44 8233,0 2,4 186,0
Well-7 246,0 6,9 760,0 42,0 4900 800,0 239,0 0,16 31 32 8900,0 na 201,0
RB 41,0 6,9 33,0 0,1 328 5,2 652,0 54,0 74 2312
0
221,0 na 22
Pe-2 67,5 6,9 6,8 0,2 734 29,0 313,0 3,0 24 217 1564,0 na 4,1
Presentación de datos geoquímicos
Constituyentes en mgl-1
Para interpretaciones de carácter termodinámico el contenido de constituyentes
disueltos se expresa en moles. La conversión de la concentración de iones (ci) en mg/kg
de solución a concentración en moles (mi) en moles/kg de solución, es la siguiente:
mi = 1000 ci / (PM (106-Sci) )
donde PM es el peso molecular del constituyente i y Sci es la suma de todos las
constituyentes (iones) disueltos
na = No analizado

La composición química del agua de las fuentes termales, y la
composición química de los gases de las fumarolas
proporcionan información acerca de las condiciones
termodinámicas del reservorio.
En particular de la TEMPERATURA en el reservorio.
El uso de geotermómetros se basa en dos supuestos
fundamentales:
1.- Que los solutos o los gases son reactivos y están en
equilibrio o cuasiequilibrio con una fase mineral.
2.- La cinética de las reacciones de equilibrio a altas
temperaturas es rápida. En cambio al disminuir la temperatura
debido al ascenso de los fluidos hacia la superficie, la reacción
de equilibrio se torna mucho mas lenta.
GEOTERMÓMETROS.

El Silicio (Si) se encuentra disuelto en forma de ácido silícico
(H4SiO4). Una pequeña fracción puede estar ionizada (H3SiO4-),
sobre todo si el pH es básico.
Normalmente el ácido silícico se comporta como un reactivo y,
por tanto, su solubilidad depende de la temperatura. Las fases
sólidas (SiO2) que controlan la solubilidad pueden ser: cuarzo y
calcedonia (formas cristalinas), y sílice amorfa.
La relación para establecer esta transición de equilibrio con los
distintos minerales de sílice y su consiguiente temperatura está
dada por:
ts= [1000/(4,55 - log CSiO2)] – 273
La CSiO2 es en mg/kg
Geotermómetro de Sílice

Este geotermómetro debe usarse en manantiales calientes o
hirvientes del tipo clorurado-sódico, ya que éstos son descargas
directas del reservorio, diluidas en proporciones moderadas.
Los manantiales templados y fríos, sobre todo si son descargas
de acuíferos en rocas volcánicas, pueden presentar contenidos
relativamente altos de sílice. Sin embargo, en estos casos el
ácido silícico disuelto está controlado por la forma amorfa de la
sílice.
En los reservorios geotérmicos de alta temperatura (mayor de
150° C), el cuarzo y la calcedonia controlan la solubilidad del
ácido silícico.
Siempre la temperatura estimada por el geotermómetro de Sílice
es válida cuando se basa en el equilibrio con las fases cristalinas
(Cuarzo y Calcedonia)

La mayoría de las fórmulas propuestas para el cálculo de temperaturas a
partir del contenido de sílice, se basan en datos empíricos. Pero se
fundamentan en consideraciones teóricas de la interacción agua-roca. Las
fórmulas más usuales son las siguientes :
(Cuarzo, Fournier)
2
.
273
log
19
.
5
1309
)
(
2



SiO
C
t
2
.
273
log
69
.
4
1032
)
(
2



SiO
C
t (Calcedonia, Fournier)
2
.
273
log
55
.
4
1000
)
(
2



SiO
C
t (Giggenbach)
La concentración de SiO2 está en mg/l.

Los primeros geotermómetros utilizados son aquellos basados en
los contenidos de Na-K (Ellis y Mahon, 1967), de Na-K-Ca
(Fournier y Truesdell, 1973), y el K-Mg (Giggenbach, 1988) que
han permitido obtener temperaturas mínimas en subsuperficies, de
reservorios geotermales.
Estos geotermómetros son utilizables usualmente en muestras de
aguas cloruradas y de pH cercanamente neutras. Estos cationes
están relacionados con reacciones químicas dependientes de la
temperatura:
Kfeldespato + Na+ = Nafeldespato + K+
2,8 Kfeld.+1,6 H2O +Mg++=0,8Kmica.+0,2 clorita+5,4 silice+2K+
Geotermómetros catiónicos

2
.
273
47
.
2
06
.
2
log
log
1647
)
( 










Na
Ca
K
Na
C
t

Los cationes se expresan en mg/l.
3
4

 0
06
.
2
log 

Na
Ca
si y t(C)  100
3
1

 si o t(C)4/3  100
Sodio-Potasio-Calcio
0
06
.
2
log 

Na
Ca

2
.
273
483
.
1
log
1217
)
( 


K
Na
C
t
(Fournier)
2
.
273
log
75
.
1
1390
)
( 


Na
K
C
t
(Giggenbach)
Sodio-Potasio

Potasio-Magnesio
2
.
273
log
95
.
13
4410
)
( 2



Mg
K
C
t
La solubilidad del Mg decrece con el aumento de la temperatura
del agua. A altas temperaturas su solubilidad está controlada por
la formación de Clorita.
La solubilidad del K aumenta con la temperatura y está controlada
por la formación de Mica e Ilita.
(Giggenbach)

Diagrama triangular de Giggenbach
Una manera sencilla y clara de presentar las temperaturas
estimadas por geotermómetros es el diagrama triangular
ideado por Giggenbach.
Se grafica la concentración
(en mg/l) de Na+, K+ y Mg2+,
como porcentaje.
Con el objeto de que estas
cantidades sean similares,
la concentración de Na+ se
divide por 1000, la de K+ por
100 y al Mg2+, que es
divalente, se le aplica la raíz
cuadrada.
1000
Na
100
K
Mg

Además se indica una zona
correspondiente a aguas
geotérmicas mezcladas o
diluidas.
La parte inferior corresponde
a agua subterránea “normal”
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
9
0
%
8
0
%
7
0
%
6
0
%
5
0
%
4
0
%
3
0
%
2
0
%
1
0
%
1
0
%
2
0
%
3
0
%
4
0
%
5
0
%
6
0
%
7
0
%
8
0
%
9
0
%
Na
1000 Mg^.5
10 K
80
100
120
140
160
180
200
220
240
260
280
300
320
340
Aguas superficiales
Pozos Superficiales
Pozos Profundos
Mezcla de aguas
Linea de
Equilibrio
Aguas Inmaduras
Características geoquímicas de las manifestaciones termales y de los fluídos
erogados por los pozos en el campo geotérmico de El Tatio.
El diagrama incluye la línea
correspondiente al equilibrio
total (coincidencia de las
temperaturas calculadas con
los geotermómetros de Na-K
y K-Mg).

Análisis químicos de fuentes geotermales de diferentes países

10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
Na
1000 Mg^0.5
10 K
60
80
100
120
140
160
180
200
220
240
260
280
300
320
340
Granite
DioriteBasalt
Ultramafic Limestone
Sandstone
Shale
Seawater
WK
wk
NG
ng
ZU
zu
MV
mv
ra
rb
ar
ma
fn
pr
ya
ln
ws
mo
MU
wi
TA ta
NC
NC
ac
ac
bp
tc
za
Partial Equilibration
Immature Waters
Total Equilibration

SO4
Cl
HCO3
80
80
20
40
60
20 40 60
%Cl
% HCO3
steam heated waters
Clasificación de aguas geotermales basado en contenido de aniones
 Introducido por Giggenbach (1992)
 Ampliamente usado
 Términos que implican procesos
específicos son discutibles.
 Aguas volcánicas aplica en la región
del circumpacifico donde el SO2 es
el gas volcánico prominente
 Aguas superficiales calentadas por
vapor en la esquina del SO4
 Aguas profundas calentadas por
vapor en la esquina del HCO3
Aguas superficiales
calentadas por vapor
Aguas profundas
calentadas
por vapor

Tipo de fluido Principal aplicación
Vapor • Geotermometría
• Origen del fluido
Gas • Se puede usar para geotermometría
• Puede delinear fallas activas
Aguas Geotérmicas • Geotermometría
• Origen del fluido
• Propiedades productivas
Mezclas de aguas • Geotermometria si se puede definir la
mezcla
Aguas superficiales
calentadas con vapor
• Sin memoria del sistema geotermal
• Manifestación geotérmica
RESUMEN

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