1t introducción a la geoquímica

5/21/2018 1T Introduccin a La Geoqumica

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1. INTRODUCCIN

Porqu aplicar geoqumica en La Exploracin de Hidrocarburos

Provee Respuestas:Carga: Calidad, Migracin, Conectividad en la historia

Volumen:Preservacin

Impacta directamente en la reduccin del riesgo exploratorio!!!

Sistemas petrolferosIncluye todos los elementos y procesos geolgicos esenciales para que existanacumulaciones de hidrocarburos.

Elementos esencialesRoca generadora, roca almacenadora, roca sello y roca de sobrecarga.

ProcesosFormacin de las trampas, generacin-migracin y acumulacin de hidrocarburos.

La figura 1.1, muestra algunos de los anlisis que se le hacen al petrleo paracaracterizarlo y compararlo con los anlisis que se hacen al bitumen para establecer laposible roca fuente.


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Fraccin C15-

en o once cru os

95 Terciario 12 Cretceo

CICLOHEXANO

2 METIL CICLOHEXANO3 METIL CICLOHEXANO

TOLUENO

1,1,3,TMCICLOHEPTANO+2,3 DIMETILHEXANO

2 METIL HEPTANO4 METILHEPTANO

3 METIL HEPTANO

1,4 DIMETILCICLOHEXANO

n-HEPTANOMETIL CICLOHEXANO

m-XILENO

o-XILENO

CromatogramaArena A

CromatogramaArena B

Los crudos tienen huellasdigitales que pueden

preservarse en los yacimientos

Fraccin C15-

en o once cru os

95 Terciario 12 Cretceo

CICLOHEXANO


TOLUENO



3 METIL HEPTANO



m-XILENO

o-XILENO

CICLOHEXANO


CICLOHEXANO


TOLUENO



3 METIL HEPTANO



m-XILENO

o-XILENO

TOLUENO



3 METIL HEPTANO



m-XILENO

o-XILENO

CromatogramaArena A

CromatogramaArena B

Los crudos tienen huellasdigitales que pueden

preservarse en los yacimientos

Modificado Rangel 2007 Figura 1.1. Algunos de los anlisis que se hacen al petrleo para caracterizarlo.

1.1. EVOLUCIN DE LA MATERIA ORGNICA SEDIMENTARIA 2.000 m.a.: algas verde azules. Devnico: Diversas formas de fitoplancton Devnico: Aparicin de Plantas terrestre

Silrico: Amplia distribucin de plantas terrestres

Cretcico Superior: Aparicin de las Plantas Superiores.

Terciario: Amplia distribucin de plantas Superiores.

La figura 1.2, presenta la evolucin de la materia orgnica a travs de la historia de latierra.


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Figura 1.2. Evolucin de las plantas a travs de la historia del planeta

1.2. FUENTES DE MATERIA ORGNICA

Alctona (derivados, detrticos, lavados) o autctona (producida en el ambiente dedepositacin).

1.2.1. Materia orgnica Alctona Plantas terrestres y detritos animales

Granos de polen y esporas (transportados por el viento o el agua)

Kergeno reciclado (viejo) proveniente de rocas sedimentarias

1.2.2. Materia orgnica autctona

Fitoplancton (algas, diatomeas, etc.) productores primarios de C por fotosntesis

Zooplancton (coppodos, foraminferos, etc.) Peces (necton)

Bentos (corales, esponjas, etc.)

Bacterias


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En la figura 1.3 A, B, y C, se aprecia como se pueden ver al microscopio los diferentescomponentes precursores de la materia orgnica proveniente de los tejidos vegetales.

Figura 1.3A. Corteza delgada de un tallo reciente. Luz reflejada normal y luz reflejadafluorescente 200x

Figura 1.3B. Corteza gruesa de un tallo reciente. Luz reflejada normal y luz reflejadafluorescente 200x


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Figura 1.3C. Corteza gruesa de un tallo reciente. Luz reflejada normal y luz reflejadafluorescente 200x

En la figura 1.4A y B, los tejidos vegetales han empezado a transformarse

Humocolinita

Megaespora?

Funginita

Humotelinita

Exsudados

Figura 1.4A. Tejidos vegetales en las primeras etapas de transformacin (lignito). Luz

reflejada normal y luz reflejada fluorescente 200x


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Cuticula

Cutinita

Resinita??

Figura 1.4B. Tejidos vegetales en las primeras etapas de transformacin (lignito). Luz

reflejada normal y luz reflejada fluorescente 200x.

La figura 1.5 muestra el ciclo de los nutrientes y la materia orgnica dentro de losocanos, la figura 1.6 la produccin primaria de materia orgnica en los ocanos delmundo, y la figura 1.7, los controles latitudinales en la temperatura superficial del mar enlos ocanos Atlntico, Pacfico e Indico, (Brenchley & Harper 1998).

Movimiento de la M.O

Senda de los nutrientes

Figura 1.5. El ciclo de los nutrientes y la materia orgnica dentro de los ocanos

(Brenchley & Harper 1998), modificado de Rangel 2007


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Figura 1.6. Produccin primaria de materia orgnica en los ocanos del mundo(Brenchley & Harper 1998), modificado de Rangel 2007

Figura 1.7. Variaciones latitudinales en la temperatura superficial del mar en los ocanosAtlntico, Pacfico e Indico, (Brenchley & Harper 1998), modificado de Rangel 2007.

La estratificacin trmica dentro de los ocanos se puede ver en la figura 1.8.


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Es tratificacin trmica dentro de los ocanosa) Ocano tropical b) Lati tudes medias termoclina en el veranoc) Ocanos de latitudes altas temperatura uniforme

Figura 1.8. La estratificacin trmica dentro de los ocanos, modificado de Rangel 2007.

1.3. Sistemas Petrolferos

Sistema petrolero: Es un sistema natural que incluye todos aquellos elementos yprocesos que son esenciales para la existencia de acumulaciones de petrleo y gas. Estetiene que correlacionar una roca madre con todas las acumulaciones de hidrocarburosgenerados, Figura 1.9A, B y C.

Elementos ProcesosRoca madre GeneracinVas de Migracin MigracinRoca yacimiento AcumulacinRoca sello PreservacinTrampa


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Teapot Owens

Cocina

R.M

maduraJust

Big Oil

Hardy Lucky

Lmite SistemaPetrolero

Roca Madreinmadura

Raven

Marginal

250 Ma

A A

Roca

Yacimie

nto

David

Teapot Owens

Cocina

R.M

maduraJust

Big Oil

Hardy Lucky

Lmite SistemaPetrolero

Roca Madreinmadura

Raven

Marginal

250 Ma

A A

Roca

Yacimie

nto

David

Figura 1.9A. Esquema que muestra la relacin de los parmetros asociados a un sistema

petrolfero, modificado de Rangel 2007.

Basemento

Extensin geogrfica del sistema petrolero

Presente

Extensin estratigrfica del

sistema petrolero

Acumulacin de petrleo

Tope ventana

Base ventana

Trampa TrampaTrampa

Sello

Reservorio

Roca

Madre

Sobrecarga

A A

Basemento

Extensin geogrfica del sistema petrolero

Presente

Extensin estratigrfica del

sistema petrolero

Acumulacin de petrleo

Tope ventana

Base ventana

Trampa TrampaTrampa Trampa TrampaTrampa

Sello

Reservorio

Roca

Madre

Sobrecarga

A A

Figura 1.9B. Esquema que muestra la extensin geogrfica de un sistema

petrolfero, modificado de Rangel 2007.


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400400 300300 200200 100100 Escala deEscala de

tiempotiempo

EventosEventos

FormacinFormacin

Roca madreRoca madre

ReservorioReservorio

SelloSello

Trampa OrigenTrampa Origen

SobrecargaSobrecarga

Gen/Migracin/Gen/Migracin/AcumAcum

PreservaciPreservacinn

Momento crticoMomento crtico

PaleozoicoPaleozoico MesozoicoMesozoico CenozoicoCenozoico

DD MM PP PP TTRR JJ KK PP NN

Elementos

Elementos

Procesos

Procesos

Ma oonMa oonandandDowDow Momento CrticoMomento Crtico

400400 300300 200200 100100 Escala deEscala de

tiempotiempo

EventosEventos

FormacinFormacin

Roca madreRoca madre

ReservorioReservorio

SelloSello

Trampa OrigenTrampa Origen

SobrecargaSobrecarga

Gen/Migracin/Gen/Migracin/AcumAcum

PreservaciPreservacinn

Momento crticoMomento crtico

PaleozoicoPaleozoico MesozoicoMesozoico CenozoicoCenozoico

DD MM PP PP TTRR JJ KK PP NN

Elementos

Elementos

Procesos

Procesos

Ma oonMa oonandandDowDow Momento CrticoMomento Crtico

Al tiempo de la expulsin y migracin(la trampa ya debe existir

Modificado Rangel 2007 Figura 1.9C. Esquema que muestra la relacin en el tiempo de los parmetros asociados a

un sistema petrolfero, modificado de Rangel 2007.

1.3.1. Momento crticoEs el periodo en el tiempo geolgico, durante el cual ocurri la expulsin,migracin y acumulacin de la mayor parte de los hidrocarburos en una cuenca.

1.3.2. Nombre del sistema petrolferoIncluye el nombre de la roca fuente, seguido por el nombre del almacenadorprincipal y el smbolo que expresa el nivel de certidumbre. Ejemplo:

Villeta-Caballos (!)

NIVEL DE CERTIDUMBRE SIMBOLO CRITERIO

CONOCIDO (!) Correlacin positivas crudo-roca o gasRoca

HIPOTETICO (.) Algunas evidencias indican el origende los hidrocarburos

ESPECULATIVO (?) Sin evidencias


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1.4. FUENTES DE CARBONO ORGNICO

Plancton (marino y lacustre):

Fitoplancton (vegetal)

Cocolitos, Diatomeas, Dinoflagelados

Zooplancton (animal) Foraminiferos, radiolarios

Bacterias

Necton (animales marinos y lacustres nadadores) Peces, cetaceos

Organismos Bnticos (vegetal, animal, bacterias)

Plantas Superiores

1.5. ACUMULACION DE MATERIA ORGNICA (MO) EN DIFERENTESAMBIENTES DEPOSITACIONALES

1.5.1. Desiertos (< 0.05% MO)

Materia orgnica cerosa Casi todo se convierte a CO2 y H2O Casi no hay rocas fuentes potenciales (pero las areniscas en el desierto pueden

tener alto potencial como roca reservorio).

1.5.2. Llanuras ocenicas abisales (< 0.1% MO)

Lodos y fangos pelgicos

Los fangos pueden ser calcreos (Ej., a partir de cocolitos, foraminferos) osilceos (Ej., a partir de diatomeas, radiolarios)

En la parte central, mas profunda del ocano, las aguas del fondo son insaturadascon respecto a CaCO3y slice amorfa as:

No se pueden formar los fangos (las conchas se disuelven); solamente se puedenacumular arcillas detrticas

Mucha de la MO que se produce, se consume o recicla en la columna de agua MO que se sedimenta a travs de la columna de agua para llegar al piso del

ocano, puede luego ser consumida por los organismos bnticos


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Los pelets fecales permiten el rpido desprendimiento de la materia orgnica en elpiso del mar

Los nutrientes no son abundantes en la parte central de los ocanos, as laproductividad primaria es muy baja

1.5.3. Costas de alta energa (0.20.5% OM)

Adecuada productividad los nutrientes con frecuencia provienen de la tierra;hay abundante oxgeno

Las olas y las corrientes pueden producir sedimentos gruesos

Alta oxigenacin de los sedimentos permeables, pueden producir la biodegradacintemprana (descomposicin biolgica de la materia orgnica a CO2y agua, figura 1.10.

Figura 1.10. Posibilidades de acumulacin de materia orgnica en costas de alta energa.

1.5.4. Costas de baja energa (0.55% MO)

Alta productividad Se depositan lodos o lodos de carbonato Si la tasa de descomposicin biognica de la materia orgnica no es muy alta, se

puede producir material fuente de buena calidad

1.5.5. Llanura de inundacin distal y deltas (0.5 > 10% MO)

Sedimentacin principalmente arcillosa La materia orgnica es principalmente terrestre (produce kergeno Tipo III y II) Produce mucho carbn y gas y muy posiblemente aceite

La figura 1.11, muestra un esquema del transporte de sedimentos en deltas dominadospor las mareas.


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Figura 1.11. Esquema del transporte de sedimentos en deltas dominados por las mareas.

1.5.6. Cuencas cerradas, mares cerrados

(< 2 > 10% MO)

Alta productividad Arcillas Frecuentemente anxicas Pueden producir rocas fuentes de muy buena calidad.

1.5.7. Lagos, lagunas costeras (< 1 - > 10%)

De buena calidad si hay: Bajo aporte de materiales clsticos Sedimentacin de arcillas Aguas estratificadas

En muchos casos no estn estratificadasPueden ser eutrficas (proliferacin de algas)

1.5.8. Pantanos costeros (10 100%)

Alta vegetacin; aguas estancadas Produce turba (carbn + metano e hidrocarburos lquidos)


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1.6. PRODUCCIN Y ACUMULACIN DE MATERIA ORGNICA

La mayor parte del petrleo es de origen biolgico y se deriva de la materia orgnicapresente en los sedimentos.

La materia orgnica marina se forma en la zona ftica por fitoplancton (productoresprimarios) que fijan el carbono a travs de la fotosntesis.

La mayor productividad se presenta en la parte superficial del ocano, declinando con laprofundidad a medida que la penetracin de la luz del sol disminuye, figura 1.12

Productividad Primaria en Ocanos

rea gr C/m2 /aoOcano Abierto 18 - 55Pacifico Ecuatorial 180Indico Ecuatorial 73 - 90Upwelling 180 - 3600Plataforma continental 50 - 120Artico 1Promedio total 50 370

Figura 1.12. Produccin y acumulacin de la materia orgnica en el ocano.

Mucho del carbono fijado por la fotosntesis en la superficie 100 150 m es reciclado enla columna de agua por el paso a travs de la cadena alimenticia, figura 1.13.


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Fitoplancton (diatomeas, algas: productores primarios de MO) se oxidan o son comidospor el zooplancton. Ambos tipos de plancton son luego consumidos por otros organismossuperiores. Ellos defecan, produciendo pelets que contienen las partes no digeribles de lamateria orgnica, figura 1.13.

Figura 1.13. Cadena alimenticia de los ocanos y preservacin de la materia orgnica

Los pelets se sedimentan rpidamente en el fondo, mientras el plancton se degrada en lacolumna de agua.

La materia orgnica que llega al piso del ocano (o lago), puede luego ser consumida porlos organismos bnticos.

Solamente un porcentaje bajo de la materia orgnica producida es enterrada en lossedimentos, especialmente en las partes ms profundas de los ocanos.

La alta productividad orgnica en los ocanos depende principalmente de la adecuada luzdel sol (para la fotosntesis) y la disponibilidad de nutrientes.

En las aguas superficiales, la luz del sol generalmente no es un factor limitante exceptoestacionalmente (invierno) en las altas latitudes.

Los nutrientes (principalmente N y P) tienen una distribucin muy heterognea en lasaguas marinas.


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Las mayores concentraciones se hallan comnmente en las regiones costeras, donde ellosvienen de la tierra (e.j., erosin del suelo con lavado por los ros), y en las zonas deupwelling, figura 1.14.

El Upwellings esta presente principalmente en las mrgenes occidentales y en las reasde divergencia ocenica como por ejemplo en el Pacfico ecuatorial.

Figura 1.14. Sedimentacin simplificada de un upwelling costero

En regiones polares, el oxigeno fro y las aguas ricas en nutrientes se sedimentan agrandes profundidades y fluyen lentamente hacia bajas latitudes. En reas dondeprevalecen los fuertes vientos terrestres, esa agua fra puede ascender a la superficie.

Los nutrientes estimulan el crecimiento del fitoplancton, a su vez sostiene abundantezooplancton, peces, etc. En tales localidades, cantidades de materia orgnica por encimadel promedio pueden llegar al piso del ocano.

Sobre el piso del ocano, la materia orgnica ser degradada por microorganismos(principalmente bacterias) y consumida por los organismos que viven en el piso delocano.

Los organismos reducen el contenido orgnico de los sedimentos porque mucha de lamateria orgnica es digerida.

La bioturbacin puede revolver los sedimentos y permite la exposicin al oxigeno quetienen las aguas del fondo.


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1.6.1. Condiciones Oxicas, figura 1.15A y B

Oxigeno > 0.5 ml O2 / lt agua

Saturacin de Oxigeno = 6 - 8.5 ml O2/lit agua Cantidad de oxigeno depende de:

Relacin sumininstro/consumo

Temperatura Salinidad

Resultado de condiciones Oxicas MO oxidada por bacterias

CH2O + O2 ---> CO2+ H2 Organismos benticos presentes

Consumen materia orgnica

Oxigenan sedimento Pobre preservacin de materia orgnica

0.2 - 0.4 % peso de MO Calidad de MO preservada es pobre (bajo H)

Reconocimiento de condiciones Oxicas Restos de fauna bentica (conchas) Madrigueras y bioturbacin del sedimento

Bajo contenido de MO

Petrografia orgnica (MO degradada) Composicin de MO (bajo H/C, alto O/C)

Si el agua es estancada, con poco (disaerobico o suboxico) o sin oxigeno (anaerbico),mucha ms materia orgnica se puede preservar en los continentes (e.j., offshore Per,Chile, Namibia, etc.)

En lodos anaerbicos, las bacterias sulfo-reductoras pueden usar mucha de la materiaorgnica y precipitar sulfuros (e.j. FeS2).

Si los sedimentos tienen poco hierro libre u otros metales, ms sulfuro ser incorporadoen la MO y eventualmente se enriquecer en el petrleo derivado de tales capas fuentes.Donde la columna de agua es estratificada, las aguas del fondo se pueden empobrecer en

oxigeno.

La MO que se sedimenta en las aguas anoxicas puede ser degradada solamente por lasbacterias anaerbicas: esas son menos eficientes que las bacterias aerbicas, figura 1.15Ay B.

Mucha de la MO sobrevive debido a la falta de actividad biognica. Esta se tiende aenriquecer en H y en lpidos, y se convierte en POTENCIAL DE PETRLEO.

La MO acumulada corresponde a lodos y lutitas negras laminadas (sin bioturbacin)


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La ESTRATIFICACION en las masas de agua se puede presentar por las siguientesrazones.

Las aguas de la superficie son generalmente ms clidas y menos densas que las aguasdel fondo, las cuales son ms fras, solamente por intercambio (e.j, cambio con las aguasdel fondo) cuando ellas se enfran a la misma temperatura (comnmente 4C: mximadensidad del agua).

Las aguas tropicales estn con frecuencia permanentemente estratificadas.

Figura 1.15A. Localizacin en la columna de agua de las condiciones oxicas y anoxicas.

Figura 1.15B. Efecto de la actividad biologica en el ocano de las condiciones oxicas yanoxicas.

Las aguas tambin pueden desarrollar una estratificacin qumica (meromixis), donde lasaguas menos salinas descansan sobre las ms densas y ms salinas, figura 1.16.

Esto puede suceder cuando la entrada de aguas dulces flota sobre el tope de las aguassaladas, pero no se mezclan con ellas a menos que ellas se evaporen para producir lamisma salinidad y densidad.


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Si la diferencia en densidad y salinidad es grande, esta condicin puede ser estable pormuy largos periodos. (> 10,000 aos).

Figura1.16. Estratificacin de las aguas en cuencas cerradas debido a las diferencias ensalinidad

El desarrollo de aguas de fondo anxicas, usualmente resulta de procesos biolgicos en lacolumna de agua y de sedimentos que disminuyen este del oxigeno, figura 1.15 A y B.

CH2O + O2= CO2+ H2O

Tales reacciones son rpidas cuando median las bacterias. Este proceso puede ocurrir enla columna de agua y sobre el piso del mar. En la medida que la materia orgnica sesedimenta, el oxigeno se consume, figura 1.15 A y B.

Si la circulacin del agua es baja, como resultado de la estratificacin de la columna de

agua, el oxigeno eventualmente se disminuye.

Una zona anoxica y empobrecida en oxigeno inducida biolgicamente es comn en aguasdel ocano a profundidades de unos pocos de cientos de metros a miles de metros.

Donde esta zona intercepta los continentes, los sedimentos sobre el piso del mar puedeinfrayacer aguas anoxicas, danto alto potencial de preservacin de la materia orgnica.

Durante periodos de alto nivel eusttico del mar, la zona de disminucin de oxigeno sepuede desplazar a mares superficiales cubriendo los continentes (e.j., mares epeiricos yepicontinentales).

Esto puede producir la depositacin de rocas fuentes favorables (e.j.. Devonian BakkenFormation shales in Saskatchewan).

Muchas pero no todas de las mejores rocas fuentes del mundo son de origen marino?.

El otro ambiente donde la estratificacin juega un importante papel es en las cuencas (e.j.Mar negro moderno) y lagos estratificados profundos (e.j., Lago Tanganyika, en E.Africa), figura 1.17 A y B.


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Ambiente simplificado del Mar

La haloclina marca el lmite entre las aguas oxigenadas normales y el las aguas del fondoanoxico, las cuales tienen una salinidad de cerca de 20 g/l TDS (total de slidosdisueltos).

El dique (Bosphorus) tiene 27 m bajo el nivel del mar.

Los sedimentos del piso del Mar Negro contienen mas del 15% de COT (Carbonoorgnico total), haciendo de ellos excelentes rocas fuentes de petrleo. Mucha de lamateria orgnica proviene del plancton, figura 1.17A.

1.6.2. Causas de condiciones Anoxicas, figura 1.15 A y B

Demanda alta de O2por alto suministro de MO

Upwelling Suministro deficiente de O2por circulacin restringida

Cuencas aisladas (requiere balance positivo de agua) Lagos

Resultado de condiciones Anxicas MO consumida por bacterias anaerbicas Reduccin de nitratos

Reduccin de sulfatos

H2S es txico a organismos aerbicos Buena preservacin de MO (1-25 % peso)

Buena calidad de la MO

Reconocimiento condiciones Anxicas Compuestos de azufre presentes (pirita) Sedimentos bien laminados

Ausencia de organismos de fondo

Petrografia orgnica Composicin de MO (alto H/C, bajo O/C)

Haloclina permanente (20 g/l)Sello(27 m)

Mar NegroCasos similares:

Mar BlticoLago de Maracaibo

SedimentosAnxicos: OM 2-15 %Oxicos: OM < 2.5 %

Tasa Sedim. 5-30 cm /1000 yr

250 km

Figura 1.17A. Ejemplo de cuenca con estratificacin del agua por diferencias en

salinidad


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Lago Tanganika SedimentosAnxicos: OM 7-11 %Oxicos: OM 1-2 %

Tasa Sedim. 5-50 cm / 1000 yr

525 km

Termoclina Permanente

Figura 1.17 B. Ejemplo de cuenca con estratificacin de agua por diferencias en

temperatura

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