Nuevos métodos geocientíficos para la exploración geotérmica

Autores: Kailasa Pandarinath y Edgar Santoyo
23/08/2022

La geotermia, como fuente renovable, es la energía térmica que se produce debajo de la superficie terrestre (Santoyo et al., 2012). La profundidad a la que puede manifestarse difiere de un lugar a otro. Las plantas de energía geotérmica utilizan el calor obtenido del subsuelo en forma de vapor para producir electricidad o agua caliente para aprovecharse en otros usos directos (Santoyo y Torres-Alvarado, 2010). El vapor es llevado a la superficie desde los reservorios de agua termales ubicados en la profundidad (~ 3 km) mediante pozos perforados a gran profundidad. Después de llegar a la superficie, el vapor es transportado hacia las plantas de energía geotérmica, donde hace girar una turbina que activa un generador para producir electricidad. Adicionalmente a este proceso, los fluidos termales pueden también alcanzar la superficie terrestre en forma natural a través de fallas, fracturas y grietas en las rocas, dando origen a manantiales termales, pozas de lodo, géiseres o fumarolas. La interacción de los fluidos geotérmicos con las rocas circundantes al reservorio suele producir alteraciones típicas en su composición o textura (Nicholson, 1993). El estudio y la distribución de estas rocas alteradas en la superficie proporciona información sobre el tamaño del sistema geotérmico y la temperatura del yacimiento (Reed y Spycher, 1984). Por lo tanto, la identificación de rocas alteradas hidrotermalmente y sus zonas de alteración son consideradas como herramientas geoquímicas claves y útiles para la exploración superficial y la estimación de los recursos energéticos almacenados. México ha sido privilegiado por la naturaleza al contar con un gran potencial geoenergético mediante un número importante de focos o sitios termales localizados a lo largo de su territorio. Actualmente cuenta con una capacidad de generación eléctrica instalada de aproximadamente 963 MW con el aprovechamiento de tan sólo cinco| campos geotérmicos (Cerro Prieto, B.C., Los Azufres, Mich., Los Humeros, Pue., Las Tres Vírgenes, B.C., y El Domo de San Pedro, Nay.), lo que le permite ocupar el sexto lugar a nivel mundial en la generación geotermoeléctrica (ThinkGeoEnergy Research, 2020).

La exploración geotérmica es concebida como una de las etapas claves y de mayor riesgo en el desarrollo de proyectos comerciales, razón por la cual demanda continuamente la propuesta de nuevos métodos geocientíficos para delimitar con mayor confiablidad los sitios más viables para una explotación comercial. Entre estos métodos de exploración, existen algunas técnicas tradicionales, confiables y establecidas (petrografía, mineralogía y geoquímica) para la identificación de rocas alteradas. Sin embargo, estas técnicas requieren el uso de equipos sofisticados y de alto costo, además de la aplicación de metodologías laboriosas de preparación de muestras y procesos que consumen mucho tiempo.

Dentro de este contexto y durante los últimos años, en el Instituto de Energías Renovables (IER) de la UNAM se ha trabajado en el desarrollo de nuevas herramientas de exploración no-convencionales para proponer y evaluar nuevos métodos geoquímicos confiables, simples, efectivos, rápidos y rentables para la identificación y seguimiento a la distribución de rocas alteradas en sistemas geotérmicos. Como resultado de este trabajo hemos propuesto, a la comunidad geocientífica mundial, dos métodos basados en la medición de: (1) propiedades de roca-magnéticas, como la susceptibilidad magnética (χ) y (2) los índices de meteorización química (CWI por su definición en inglés: Chemical Weathering Indices). Estos dos nuevos métodos tienen un alto potencial de aplicación para convertirse en herramientas adicionales confiables en la identificación de rocas frescas y alteradas de sistemas geotérmicos. La susceptibilidad magnética (χ) es una propiedad fácil, rápida y económica de medir, debido a que el equipo de medición requerido es mucho más económico que los equipos usados actualmente en la exploración geotérmica, el cual no necesita de ninguna metodología sofisticada de calibración para su operación ni para la preparación de muestras. En el caso del parámetro CWI, éste requiere como insumo solo datos de composición química de óxidos de elementos mayores, información que está siempre disponible en las tareas de exploración para realizar otros estudios básicos de rocas, incluyendo su clasificación.

En el contexto de exploración geotérmica, los autores de este artículo, investigadores del IER, hemos realizado recientemente algunos trabajos en donde se han aplicado exitosamente los nuevos métodos propuestos de χ y CWI. El primer método (χ) se aplicó por primera vez en el análisis de recortes de roca obtenidos de dos pozos geotérmicos perforados y profundos del Campo Geotérmico Los Azufres (Pandarinath et al., 2014). En este estudio, se validó con éxito los resultados obtenidos por el método χ mediante la comparación de los resultados obtenidos y los reportados por métodos tradicionales tediosos y de mayor costo (petrografía, mineralogía y geoquímica). Para comprobar la efectividad y confiabilidad de estas mediciones de χ, se analizaron exitosamente rocas superficiales y sub-superficiales (obtenidas de recortes de perforación de pozos de los campos geotérmicos Los Azufres, Acoculco y Los Humeros) para obtener la diferenciación y distribución espacial de rocas frescas y alteradas hidrotermalmente en estos campos (Pandarinath et al., 2014, 2019 y 2020; y Pandarinath, 2022). La aplicación de este novedoso método en los pozos geotérmicos permitió confirmar que a medida que aumenta la profundidad del pozo, aumenta la temperatura del yacimiento, la intensidad de la alteración hidrotermal, y disminuyen las concentraciones de minerales magnéticos (p. ej., ilmenita, silicatos de Fe-Mg y minerales opacos) y los valores de χ (ver Fig. A). En estos estudios, se observaron también cambios inducidos por alteraciones similares en rocas superficiales de estos campos geotérmicos con valores bajos de χ que son características típicas de rocas alteradas que contienen minerales hidrotermales (p. ej., pirita, hematita, etc.), mientras que los valores altos de χ son atribuidos a rocas frescas que exhiben minerales primarios (ilmenita, silicatos de Fe-Mg y otros opacos, etc.). Estas tendencias de distribución lateral de estos parámetros (en rocas superficiales) y en profundidad (en rocas sub-superficiales de pozos) sugieren la alteración hidrotermal de los minerales magnéticos (típicamente caracterizados por valores altos de χ y su conversión a pirita, hematita y otros minerales opacos (caracterizados con valores bajos de χ).

Estos estudios han revelado que en un área geotérmica, una lito-unidad homogénea (rocas del mismo tipo y edad) de gran extensión, una zona caracterizada por valores anormalmente bajos de χ indica una intensa alteración hidrotermal. Con base en estas observaciones se puede concluir que las mediciones de χ constituyen un nuevo método innovador, fácil y rápido de medir, confiable y una nueva herramienta importante para identificar rocas alteradas hidrotermalmente y zonas de alteración hidrotermal. Con respecto al segundo método propuesto basado en los cálculos de los CWI, existen algunas aplicaciones previas reportadas sobre estos parámetros para el estudio de la alteración de las rocas (Índice Químico de Alteración, CIA, Nesbit and Young, 1982; Ishikawa Alteración Index, IAI, Ishikawa et al., 1976 etc.). Sin embargo, no se han reportado aplicaciones en donde se integren otro tipo de CWI, ni estudios previos reportados en la literatura en donde se informe la validación de estos índices como indicadores confiables para estudiar la alteración hidrotermal de rocas volcánicas en áreas geotérmicas. En este contexto de originalidad, compilamos e integramos, por primera vez, 47 parámetros de CWI reportados en la literatura, los cuales fueron evaluados y validados en el estudio de rocas cuyo estado de alteración (alteradas/frescas) era previamente conocido con exactitud mediante el uso de otros métodos tradicionales basados en análisis petrográficos/mineralógicos/geoquímicos (Pandarinath, 2022). Los resultados obtenidos en el cálculo de mayoría de CWI son comparables con los obtenidos por las técnicas de petrografía, mineralogía y geoquímica. En la aplicación de estos parámetros de CWI, algunos estudios revelaron comparativamente bajas tasas de éxito, para lo cual identificamos las razones adecuadas y presentamos algunas condiciones críticas para un uso exitoso y consistente. A partir de este estudio se demostró claramente la aplicabilidad de los CWI en la identificación de rocas ígneas frescas y alteradas hidrotermalmente (Fig. B; Pandarinath, 2022).

La aplicación de los CWI al estudio de rocas sub-superficiales procedentes de tres pozos geotérmicos (Az-3, Az-26 y Az-52; Fig. C) indicaron que solo los recortes de roca obtenidos en profundidades menores a los 500 m del pozo Az-26 son rocas frescas, mientras que los recortes de roca restantes de estos tres pozos se vieron afectados significantemente en diversos grados de alteración hidrotermal. Estos resultados coinciden con las inferencias obtenidas de otros métodos químicos y mineralógicos alternativos.

Con estas evidencias de investigación, se demostró que los valores de χ y CWI se pueden aplicar confiablemente y con éxito a la diferenciación y distribución espacial de rocas frescas y alteradas hidrotermalmente en diferentes tipos de campos geotérmicos. La evaluación y efectividad de estos parámetros (χ y CWI) demostró que estos dos nuevos métodos innovados tienen la potencialidad de convertirse en herramientas adicionales confiables para el estudio de rocas en sistemas geotérmicos, y que muy probablemente serán adoptadas como herramientas fundamentales y de muy bajo costo para la exploración geotérmica futura.

Referencias

Gutiérrez-Negrín, L.C.A., Canchola, I.F., Romo-Jones, J.M., and Quijano-León, J.L., 2020. Geothermal energy in Mexico: update and perspectives. Proc. World Geothermal Congress, 2020, April 26 – May 2, Reykjavik, Iceland.

Ishikawa, Y., Sawaguchi, T., Iwaya, S-i., and Horiuchi, M., 1976, Delineation of prospecting targets for Kuroko deposits based on modes of volcanism of underlying dacite and alteration haloes. Mining Geology, 26, 105–117 (in Japanese). https://doi.org/10.11456/shigenchishitsu1951.26.105.

Nesbitt, H.W. and Young, G.M., 1982, Early Proterozoic climates and plate motions inferred from major element chemistry of lutites. Nature, 299, 715–717

Nicholson, K., 1993. Geothermal fluids—Chemistry and exploration techniques, Berlin, Germany: Springer-Verlag, p. 265.

Pandarinath, K., 2022. Application potential of chemical weathering indices in the identification of hydrothermally altered surface volcanic rocks from geothermal fields. Geosciences Journal, 26(3), 415-442.

Pandarinath, K., Shankar, R., Torres-Alvarado, I.S. and Anish Kumar Warrier, 2014. Magnetic susceptibility of volcanic rocks in geothermal areas: application potential in geothermal exploration studies for identification of rocks and zones of hydrothermal alteration. Arabian Journal of Geosciences, 7(7), 2851-2860.

Pandarinath, K., García-Soto, A.Y., Santoyo, E., Guevara, M., and Gonzalez-Partida, E., 2020. Mineralogical and geochemical changes due to hydrothermal alteration of the volcanic rocks at Acoculco geothermal system, Mexico. Geological Journal, 55(9), 6508-6526.

Pandarinath, K., Shankar, R., Santoyo, E., Shwetha, S., García-Soto, and Gonzalez-Partida, E., 2019. A rock magnetic fingerprint of hydrothermal alteration in volcanic rocks - An example from the Los Azufres Geothermal Field, Mexico. Journal of South American Earth Sciences, 91, 260-271.

Reed, M., Spycher, N., 1984. Calculation of pH and mineral equilibria in hydrothermal waters with application to geothermometry and studies of boiling and dilution. Geochem. Cosmochim. Acta 48, 1479–1492.

Santoyo, E., y Torres-Alvarado, I.S., 2010. Escenario futuro de explotación de la energía geotérmica: hacia un desarrollo sustentable. Revista Digital Universitaria [en línea]. 1 de octubre 2010, Vol. 11, No.10; Disponible en Internet: http://www.revista.unam.mx/vol.11/num10/art95/index.html ISSN: 1607-6079.

Santoyo, E., Almirudis-Echeverría, E., and Wong Loya, J.A., 2012. Geotermia: Energía de la Tierra. Editorial Terracota (ET), Colección Sello de Arena, ISBN 978-607-713-033-1, 80 p.

ThinkGeoEnergy Research. (2020, January 27). The Top 10 Geothermal Countries 2019 – based on installed generation capacity (MWe). Retrieved from Think Geo Energy: https://www.thinkgeoenergy.com/the-top-10-geothermal-countries-2019-based-oninstalled-generation-capacity-mwe/.

Verma, S.P., Pandarinath, K., Bhutani, R., Dash, J.K., 2018. Mineralogical, chemical, and Sr-Nd isotopic effects of hydrothermal alteration of near-surface rhyolite in the Los Azufres geothermal field, Mexico. Lithos, 322, 347-361.

Imagen de microscopia petrográfica de una roca alterada: Vena de cuarzo cortando una vena de clorita, indicando la ocurrencia de dos eventos diferentes de flujo de fluidos para procesos de alteración hidrotermal en el sistema geotérmico de Los Azufres, México.