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MASTER EN ENERGÍAS Y COMBUSTIBLES PARA EL FUTURO
PROYECTO FIN DE MASTER
“ESTUDIO DE POSIBILIDADES GEOTÉRMICAS EN EL AREA DE PAPALLACTA - CALDERA CHACANA – ECUADOR”
Tutor UAM: D. Fernando López Vera
Tutor IGME: D. Celestino García de la Noceda
Alfonso Meza Oleas
Junio 2012
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ÍNDICE
1 INTRODUCCION 3
1.1 Antecedentes y Justificativos 3
1.2 Objetivos 5
1.3 Metodología y Alcance 5
1.4 Area de Estudio 5
1.5 Aspectos Conceptuales 6
1.6 Estudios previos 6
2 EVIDENCIA GEOTERMICA 9
2.1 Evaluación de la información relativa existente 10
2.2 Geología Regional 10
2.3 Geología Local 12
2.4 Climatología, Hidrología e Hidrogeología de la zona 14
2.5 Estudios Geoquímicos 14
2.6 Reservorio Geotérmico 18
2.7 Conclusión de evidencia geotérmica 18
3. PROSPECCIÓN DEL RECURSO GEOTÉRMICO 21
3.1. Técnicas Geológicas 21
3.2. Técnicas Geoquímicas 21
3.3 Geotermometría química. 22
3.4 Técnicas geofísicas. 22
3.5. Estudios a realizar. 28
3.6 Análisis de Costos 32
4. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 35
BIBLIOGRAFÍA 37
ANEXOS
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1.- INTRODUCCIÓN
El presente estudio está orientado a estructurar el aprovechamiento del potencial geotérmico que dispone Ecuador en la caldera Chacana, para la generación de energía eléctrica.
1.1. Antecedentes y Justificativos
La energía geotérmica es aquella que subyace en las entrañas de la Tierra, la cual mediante técnicas de perforación e intercambio de calor puede aprovecharse para la producción de energía eléctrica cuando se dispone de temperaturas superiores a 150 ªC, con temperaturas más bajas puede ser aprovechada para la industria, calefacción y refrigeración de ambientes.
El Servicio Geológico de los Estados Unidos de Norteamérica (U.S. GEOLOGICAL SURVEY, página WEB), considera que el potencial de esta energía limpia supera en 50,000 veces la energía combinada de todos los recursos de petróleo y gas del mundo.
Un recurso geotérmico es aquella parte de la energía geotérmica que puede ser utilizada por el hombre, con las técnicas actuales de perforación y extracción.
Para que esta energía pueda ser aprovechada para la generación eléctrica, debe encontrarse un yacimiento geotérmico, el cual debe contar con las siguientes condiciones geológicas:
Fuente: Galardi Luis, IAE
Existencia de un foco de calor elevado capaz de calentar suficientemente los fluidos.
La presencia de una capa de alta porosidad y permeabilidad (acuífero) a una profundidad razonable que permita la acumulación o circulación de agua o vapor. Como el agua generalmente procede de la lluvia (meteórica) se necesita una buena conexión entre al acuífero y al superficie con el fin de asegurar una recarga abundante.
Una roca impermeable por encima del acuífero que actúe como capa cobertera e impida que los fluidos geotérmicos escapen.
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Ecuador se encuentra situado en la parte noroeste de América del Sur, forma parte del Cinturón de Fuego del Pacífico, caracterizado por concentrar algunas de las zonas de subducción más importantes del mundo, lo que ocasiona una intensa actividad sísmica y volcánica debido a la colisión de las placas oceánicas de Nazca y Sudamericana, lo que le convierte en poseedor de un gran recurso geotérmico.
Ecuador continental, está atravesado de norte a sur por dos ramales importantes de la Cordillera de los Andes (Occidental y Real u Oriental), donde se han contabilizado 27 volcanes potencialmente activos. De ellos, siete volcanes continentales y siete volcanes de las islas Galápagos han tenido erupciones desde el año 1532.
En 1986 el Banco Mundial resaltaba que el Ecuador dispone de tres principales fuentes económicas de energía primaria para fines de generación eléctrica: hidro-energía, gas natural y geotermia.1, lastimosamente hasta la fecha no se ha aprovechado dicho potencial.
Estudios geotérmicos en Ecuador
Los estudios orientados a encontrar recursos geotérmicos, iniciaron en 1979, fue INECEL (Instituto Ecuatoriano de Electrificación que en la actualidad ya no existe) hoy CONELEC (Consejo Nacional de Electricidad), en convenio con la Organización Latinoamericana de Energía (OLADE) y el asesoramiento de AQUATER de Italia, BRGM de Francia y el Instituto de investigaciones Eléctricas de México, quienes iniciaron con el “Estudio de Reconocimiento Geotérmico Nacional”.
De acuerdo a datos proporcionados por SIEE (Sistema de información y Estadísticas Energéticas de la OLADE) se estima el potencial Geotérmico de Ecuador en alrededor de 534 MW.
En el año 2008 el CONELEC, contrató un estudio de consultoría para determinar el “Perfil del Proyecto Geotérmico Chalupas y Resumen de Otras Áreas Geotérmicas en el Ecuador”, como resultado de éste se obtiene la Tabla 1, que identifica a 22 áreas de interés geotérmico:
1 Aguilera Ortiz Eduardo, Artículo de Corporación para la Investigación Energética
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1.2. Objetivos
1.2.1. Objetivo General
Promover el aprovechamiento de los Recursos Geotérmicos que dispone el país, desarrollando tecnologías de generación eléctrica a través de energías renovables y no contaminantes, minimizando de esta manera la importación de combustibles fósiles orientados a la generación de energía eléctrica.
1.2.2. Objetivos Específicos
Investigar la información de los estudios existentes sobre la zona de interés.
Analizar los datos obtenidos y determinar las diferentes características del yacimiento.
Determinar y recomendar la secuencia de estudios a realizar en base a técnicas actuales.
1.3. Metodología y Alcance
La metodología a seguir y su alcance, buscan cumplir con cada uno de los objetivos específicos, para lo cual se ha dividido el estudio en las etapas siguientes:
1.3.1. Etapa 1
Investigar y recopilar información existente relacionada con el estudio a realizar, valiéndose de los siguientes medios: libros, publicaciones científicas, Informes técnicos, mapas, fotografías y páginas web.
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1.3.2. Etapa 2
Procesar los datos obtenidos de los diferentes medios y analizar sus resultados.
1.3.3. Etapa 3
Identificar y recomendar los estudios que deberían realizarse para determinar la viabilidad de emprender con el proyecto de generación eléctrica.
1.4. Área de Estudio
De las diferentes áreas identificadas como potenciales centros de aprovechamiento geotérmico, se ha escogido a la Caldera Chacana, considerando que existen estudios preliminares sobre la zona, cuenta con una infraestructura vial adecuada y por otro lado, la empresa EPPETROECUADOR, dispone de una estación de bombeo del Oleoducto Transecuatoriano en ese sector.
1.4.1. Ubicación
La caldera Chacana se encuentra ubicada a 60 Km al este de la ciudad de Quito, localizada en la parte superior de la cordillera Real en alturas sobre los 4500 msnm, en la Provincia de Napo.
En base a los diferentes estudios realizados, en la parte sur de la caldera se han identificado dos áreas con gran potencial geotérmico, denominadas: Cachiyacu (voz quechua que significa “agua salada”) en la parte suroeste y Jamanco al noroeste.
Al encontrarse la Estación de Bombeo dentro del área de Jamanco, este estudio centrará toda su atención en ella.
1.4.2. Rasgos característicos
Chacana es una enorme y erosionada caldera volcánica existente desde el Plioceno y es uno de los mayores centros volcánicos de los Andes del norte. Dispone de una longitud en sentido N-S de 32 Km y en sentido E–O entre 18 y 24 Km (Hall & Mothes, 2001), dando un área total aproximada de 672 Km2.
Chacana se formó con grandes erupciones durante tres ciclos de volcanismo, de tipo andesítico a riolítico, desde aproximadamente 240.000 años. Flujos de lava dacítica hicieron erupción por las fisuras del piso de la caldera hace 30.000 y 21.000 años. Numerosos domos de lava se formaron dentro de la caldera los que han sido fuente de erupciones y flujos de lava durante el siglo XVIII.
El volcán Chacana continua activo, a lo largo del tiempo enormes erupciones han dado forma a su cuenca, domos y conos de escoria se levantaron y colapsaron durante milenios, grandes glaciares alteraron las formaciones volcánicas al interior, erupciones subglaciares habrían inundado valles enteros, flujos de lava recientes cambiaron cursos de ríos y formaron las actuales lagunas de Papallacta, Muertepungo, Tumiguina y Secas, entre otras.2
2 Ecuador Ciencia http://www.ecuadorciencia.org
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1.5. Aspectos conceptuales
Caldera Volcánica
Una caldera volcánica es una gran depresión (pero no es un cráter), causada por diferentes eventos, como el hundimiento de una cámara magmática o por deslizamientos. inestable y desplomándose a favor de la gravedad.
Se originan cuando un edificio volcánico aumenta mucho su altura respecto a su base, volviéndose una estructura plana, aproximadamente circular, con un fondo más o menos extenso y paredes verticales muy parecidas a los cráteres, pero de grandes dimensiones.
Calderas Riolíticas
Las calderas riolíticas complejas son las más explosivas de la Tierra. Sin embargo, su aspecto no suele ser el de un volcán. Generalmente son tan explosivas, que cuando entran en erupción, terminan colapsándose sobre sí mismas. Esto también les hace llamarse volcanes inversos. Sus cámaras de magma son enormes extensiones que pueden llegar a medir miles de kilómetros cuadrados en todas direcciones. También pueden dar lugar a explosiones más pequeñas durante el tiempo de reposo existente entre las etapas activas de su existencia. En cuanto a su origen, poco se sabe al respecto. Los ejemplos más conocidos de calderas riolíticas complejas (también llamadas supervolcanes) son las de Yellowstone, Toba y Taupa.
La caldera Chacana se encuentra en el centro riolítico más grande del Ecuador, por lo que se estima tiene un gran potencial geotérmico para generar electricidad.
1.6. Estudios previos3
De la investigación realizada se han encontrado varios estudios relacionados con el tema, de los cuales destacamos los de mayor interés para el presente trabajo:
Wolf (1892) describe como volcánicas las lomas entre el Antisana y el Valle de los Chillos. Señala que las bases del Antisana son andesitas cuarzosas con textura macroporfídica y que en la zona existen cráteres que perdieron sus formas.
Stübell (1897) describe a la zona de estudio como una cúpula con centros eruptivos sobre ella, a la que agrupa como Macizo Chacana. Sugiere que los flujos recientes de Antisanilla (Pinantura), Cuscungo y Potrerillos (Papallacta) tienen una comunicación con el centro principal de erupción del Chacana.
Reiss (1929) sugiere que los centros Chacana y Chusalongo (voz quechua que significa duende) son centros de erupción independientes.
Pozo (1982) describe una secuencia de tobas, andesitas, vitrófiros, dacitas y materiales piroclásticos pertenecientes a un volcanismo comprendido entre el Plio-Pleistoceno y el reciente localizado al SE de Pifo. La parte más joven
3 Villares Jibaja, 2010 Estudio Geovulcanológico de la zona sur de la caldera Chacana
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está representada por flujos de lava andesítica y dacítica encausados en valles. Las rocas muestran una tendencia a ser más ácidas en el tiempo. Los flujos de lava más jóvenes son post-formación de los valles actuales, post-fallamiento y principalmente post cangahua (voz quechua que significa Tierra estéril) y glaciación
Carrasco (1987) señala que la margen occidental de Chacana está constituida por terrenos volcánicos del Terciario superior y del Cuaternario, que se asientan presumiblemente sobre rocas metamórficas de la Cordillera Real. La secuencia lito-estratigráfica de la zona consiste de 3 series ácidas y 3 series básicas alternadas. Los productos volcánicos muestran un amplio rango de diferenciación desde andesitas basálticas hasta riolitas, no aflora el metamórfico. El volcanismo joven está asociado con estructuras tectónicas de orientación NNW-SSE en el borde occidental de la Cordillera Real.
La Caldera Chacana fue propuesta por Hall & Beate (1991) y fue incluida en el mapa geológico del Ecuador 1:1.000.000 (Litherland et al., 1993).
Hall & Mothes (2001) señalan que Chacana es la caldera más grande de los Andes del Norte. El edificio fue construido con los productos de al menos tres ciclos magmáticos, cada uno caracterizado por andesitas, seguido por dacitas y luego riolitas; su edad se estima entre 1 y 1.7 Ma. La caldera se formó de la gran emisión de magma riolítico, creando la estructura denominada “Los Tablones” de edad entre 0.75-0.98 Ma. Después de un largo período de reposo se tiene actividad en el cerro Potrerillos, en los flancos suroccidentales del edificio, en el centro Yarangala y numerosos flujos lávicos de dacita que salieron de fisuras distribuidas dentro de la caldera. Flujos de lava del siglo XVIII y fuentes termales con temperaturas de hasta 65 ºC sugieren que el centro Chacana aun está activo.
Hall & Mothes (2008) proponen que la Caldera Chacana es de edad pleistocénica, asentada sobre un basamento metamórfico y está constituida por cuatro grupos litológicos. El primero es un cinturón de diques y brechas que constituyen el borde estructural en su margen oriental. El segundo grupo corresponde a una secuencia de más de 1250 metros de espesor que forma el flanco exterior de la caldera. El tercer grupo corresponde a tres tipos de roca del relleno de la caldera: a) tobas y brechas alteradas; b) lavas andesíticas porfiríticas negras; c) sedimentos de origen fluvial, que actualmente representan el área de resurgencia del piso caldérico. d) el cuarto grupo es representado por emisiones de flujos de lava de composición de andesitas ácidas a dacitas.
Villares Jibaja(2010) realiza un estudio geoquímico de los manantiales de agua caliente del sector de Jamanco y Cachiyacu, estima que la temperatura del reservorio es de 230ºC y 270ºC respectivamente.
2.- EVIDENCIA GEOTÉRMICA
Siguiendo el esquema presentado por OLADE en su documento “Metodología de Exploración Geotérmica” (OLADE 1978), se pueden distinguir cuatro fases en la investigación de un yacimiento de alta temperatura:
Reconocimiento.
Prefactibilidad.
Factibilidad.
Desarrollo y Explotación
En la fase de reconocimiento se cuenta con un recurso netamente especulativo y el explorador o investigador debe buscar la presencia de manifestaciones termales en la
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superficie con una actividad volcánica asociada a ellas y tiene como finalidad la selección de las regiones con mejores perspectivas (al menos 20 Km2 para cada prospecto), así como la proposición de programas de investigación que se debe realizar en cada región.
Con el fin de facilitar su compresión, a la fase de prefactibilidad se la divide en dos: inicial y avanzada, a su vez, la inicial, al comienzo cuenta con un recurso hipotético, es decir, un recurso que aun no se encuentra identificado, en esta etapa se aplican técnicas más generales que, aunque son resolutivas, también conllevan menor coste por unidad de superficie, que entre otras son: estudio geológico, que nos permite obtener la estructura geológica, la definición del almacén y cobertera; estudio hidrogeológico y geoquímica con los cuales se identifica el quimismo de las aguas, las condiciones del equilibrio agua-roca, el proceso de los fluidos de recarga y de circulación y una estimación de la temperatura del reservorio; estudios geofísicos estructurales permiten información detallada de la estructura geológica regional, convirtiendo de esta manera al recurso hipotético en reserva posible. Por otro lado, la prefactibilidad avanzada permite determinar reservas probables, para lo cual a medida que se restringen las áreas de posibilidades, se van aplicando técnicas más resolutivas y por lo tanto de mayor coste por superficie, estas técnicas principalmente son: estudios geofísicos de detalle, para identificar y delimitar anomalías geotérmicas, calcular el potencial geotérmico y seleccionar puntos para la prospección profunda mediante sondeo, en los lugares de mayor anomalía. Se diseña el primer modelo del yacimiento. Se realizan sondeos exploratorios profundos, generalmente de pequeño diámetro, cuya misión fundamental es reconocer las distintas formaciones geológicas que pueden constituir la cobertera y el almacén así como caracterizarlos adecuadamente.
Al final de la fase de factibilidad se contará con reservas probadas, confirmando el modelo del yacimiento, evaluando las características del almacén y fijando cantidades de extracción, además se define el tratamiento del fluido, los procesos de conversión, etc., para esto se requiere la realización de sondeos exploratorios de mayor diámetro, a los que también se les denomina de pre-explotación, ya que pueden utilizarse posteriormente en producción. En estos sondeos se llevan a cabo diagrafías que sirven para completar el conocimiento adquirido del yacimiento así como ensayos de producción de larga duración. Con los datos obtenidos, se diseña el modelo de explotación del yacimiento, definiendo las características básicas de dicha explotación: caudales de extracción, dimensionado de las obras de captación, tratamiento de fluidos geotérmicos, procesos de conversión en energía eléctrica, gestión de fluidos residuales, evaluación o estimación de la evolución en el tiempo de las características del yacimiento, etc.
En la fase de desarrollo y explotación permanece continuamente la actividad investigadora, tendiente a: buscar otros puntos de perforación para nuevos sondeos de producción, perfeccionar el conocimiento que se tiene del almacén y fluido geotérmico, analizar la variación de sus características con la extracción de energía, con lo cual es posible predecir la vida del yacimiento, investigar sobre problemas de explotación, etc. Todos éstos son factores importantes en el resultado final de la explotación.
Desde la primera fase la investigación de un posible yacimiento geotérmico involucra el trabajo conjunto de varias ramas de la tecnología: geología, geoquímica, geofísica e ingenierías que permitan ubicar y posteriormente determinar las características del yacimiento.
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2.1. Evaluación de la información relativa existente
Considerando que el estudio tiene una parte netamente geológica, el análisis de la información, se lo ha dividido en un estudio regional, para luego ir centrándose en la geología local de la caldera Chacana.
2.2 Geología regional
La cordillera de los Andes es una cadena de
montañosa de América del Sur comprendida entre los 11° de latitud N y los 56° de latitud S, que atraviesa Argentina, Chile, Bolivia, Perú, Ecuador, Colombia y parte de Venezuela. La
altura media alcanza los 4000 metros, con numerosos puntos que llegan y superan los 6000 msnm.
El volcanismo en los Andes ecuatorianos es el resultado de la subducción de la placa oceánica de Nazca bajo la placa continental de América del Sur. La placa oceánica de Nazca tiene una edad de entre 12 y 20 millones de años (Ma) e incluye a la Cordillera submarina de Carnegie. Esta cordillera de origen volcánico, es producto de la actividad del punto caliente de Galápagos sobre la placa de Nazca.
El arco volcánico ecuatoriano se caracteriza por ser muy ancho (100-120 km) y presentar varias filas paralelas de volcanes. De acuerdo con la clasificación que hace Hall & Beate (1991), los volcanes ecuatorianos, están definidos por cuatro filas según el tipo de basamento que los subyace: Cordillera Occidental, el Valle Interandino, la Cordillera Real y el Oriente.
El presente estudio se centrará en la cordillera Real que es la que alberga a la caldera Chacana.
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2.2.1 CORDILLERA REAL
Es el núcleo más antiguo de los Andes Ecuatorianos y está ubicada al este de la depresión interandina, contiene la tercera fila de estratovolcanes, que a diferencia de la cordillera Occidental, donde los edificios volcánicos se encuentran formando prácticamente una línea recta, aquí, están dispersos sin ninguna organización. La longitud de esta franja alcanza unos 350 km con una anchura de hasta 30 km. Su rumbo es paralelo a la fila volcánica de la Cordillera Occidental. Los principales volcanes que definen este lineamiento son (de Norte a Sur): El Soche, Cayambe, Pambamarca, la caldera Chacana, Antisana, Sincholagua, Cotopaxi, caldera de Chalupas-Quilindaña, Tungurahua, El Altar y Sangay.
Estos edificios se caracterizan por ser grandes y espectaculares estrato-volcanes, con diámetros entre 10-20 km y alturas de hasta 5900 msnm, varios han sido muy activos en tiempos históricos, como por ejemplo el Cotopaxi, Tungurahua o Sangay. En cuanto al tipo de magmas, estos estratovolcanes son bastante uniformes, las rocas más comunes son las andesitas básicas y las andesitas. Excepcionales en este sentido son los volcanes Cayambe, Soche y Cotopaxi cuyas erupciones recientes han producido comúnmente dacitas y riolitas. Merece especial atención la existencia de dos grandes sistemas magmáticos en la Cordillera Real: las calderas: Chacana y Chalupas, caracterizadas por gigantescas erupciones riolíticas durante el Pleistoceno tardío.
Con el transcurso del tiempo, estos volcanes han sufrido repetidas etapas de construcción y destrucción parcial de sus respectivos edificios, dando lugar a morfologías e historias volcánicas complejas. Los estudios volcanológicos y las dataciones de carbono 14 han permitido establecer que los conos más jóvenes de estos edificios fueron construidos durante el Holoceno, como son los casos del Cotopaxi, Tungurahua, Cayambe, Sangay y probablemente del Antisana.4
Durante el proyecto “Cordillera Real” de la British Geological Survey (BGS) Litherland et al. (1994) la describe valiéndose de una nomenclatura por “divisiones” o “terrenos” separados por mega-fallas y grandes zonas de cizalla, cada una compuesta de subdivisiones que muestran un grado de coherencia litotectónica, consistente de rocas metamórficas del Paleozóico al Cretácico Inferior que fueron intruidas por granitos tipo I y S, además de extensos depósitos volcánicos terciarios y cuaternarios.
Esta cartografía fue presentada y basada en edades isotópicas, siendo la secuencia de las divisiones de Este a Oeste:
Zamora
Salado
Loja
Alao y
Guamote
Los límites tectónicos entre las divisiones son:
Falla Cosanga Méndez,
Falla Llanganates
Falla Frente Baños y
4 http://www.igepn.edu.ec/index.php/volcanes/volcanismo-en-ecuador.html?start=3
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Falla Peltetec (Vaca et al 2005)5
Información detallada de las divisiones señaladas se encuentra en el Anexo 1 GEOLOGIA
DE LA CORDILLERA REAL.
2.3 Geología local
La Caldera Chacana es el centro volcánico riolítico cuaternario más grande del Ecuador.
Las características morfológicas iniciales de formación de la caldera son ahora casi irreconocibles en el terreno. En la parte norte el borde topográfico es fácilmente reconocible (cotas 4000 – 4300 m); el resto es un gran conjunto de lomas, ríos, montes y valles, lagunas y pantanos, la mayoría a una altura entre 3300 y 4200 msnm.
La Caldera está construida sobre un basamento metamórfico en su zona central y oriental, mientras que el basamento de los flancos occidentales estaría reposando sobre rocas oceánicas no expuestas del terreno Pallatanga de edad Cretácica, acrecionadas al continente hace aproximadamente 75 Ma. En la Cordillera Real, existe un gran hiato deposicional hasta aproximadamente 8 – 6 Ma cuando se depositó la formación Pisayambo, la cual es de rocas volcánicas de composición esencialmente basáltica y andesítica. Posterior a estos depósitos se asume la presencia de un campo volcánico andesítico, el cual representaría la fase inicial y poco evolucionada de numerosas cámaras magmáticas cercanas entre sí y que posteriormente darán lugar a la Caldera Chacana.
La caldera se construye sobre una zona estructuralmente controlada por fallas regionales
5 Guadalupe Alcocer Rolando, Análisis del uso del método GIN en el proyecto hidroeléctrico Mazar, 2011
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aproximadamente N-S y N-NE correspondientes a la falla Peltetec al oeste y a una prolongación de la falla Chingual al este, las cuales presentan cizallamiento dextral, que facilitaría la alimentación magmática a través de la corteza superior y la consecuente formación de la caldera por colapso. Se estima que el complejo Chacana inició su actividad hace aproximadamente 2,7 Ma (Hall y Mothes, 2008) con la construcción de la serie Tablones, la misma que está constituida por al menos tres secuencias de andesitas, dacitas y riolitas, cuya formación terminó hace 0,8 Ma.
Las secuencias volcánicas que forman el flanco exterior de la caldera se extienden afuera de la zona de estudio casi de manera radial tanto hacia el oeste como al norte; hacia el este se la observa parcialmente como remanentes erosionados, mientras que al sur estas secuencias están cubiertas por volcánicos más recientes.
Varios diques anulares dacíticos se encuentran en la zona de Papallacta y en el valle Carihuaycu; estos representarían las estructuras y fallas que limitan el hundimiento de la caldera, es decir el borde estructural.
A fin de facilitar este estudio y considerando que se distinguen tres rasgos geomorfológicos importantes, a continuación se detallan las características de cada uno de ellos 6 :
El borde topográfico occidental de la caldera,
Se caracteriza por tener un escarpe hacia el este bastante abrupto, con una inclinación cercana a la vertical y un espesor aflorante que alcanza hasta los 450 m. La pared interna occidental de la caldera tiene una disposición NNE-SSO, está constituida por varias secuencias volcánicas levemente buzantes hacia el oeste; gran parte de esta pared en la zona de estudio es conocida como Quincharrumi (voz quechua que significa “Corral de Piedra”). El flanco exterior de la caldera se caracteriza por presentar buzamientos leves hacia el occidente, formando la superficie conocida como Tablones y constituyéndose en las estribaciones de la Cordillera Real. El leve buzamiento del flanco exterior de la caldera es perturbado por varios valles profundos en forma de U. Los valles glaciares tienen grandes escarpes que alcanzan hasta los 400 metros.
La región Sur de la caldera.
En la región suroccidental de la caldera existen dos cuerpos volcánicos (Plaza de Armas y Tabla Rumi). El Plaza de Armas, alcanza una altura de 4600 msnm, presenta domos y flujos de lava que se distribuyen hacia los cuatro puntos cardinales. Pocos kilómetros al Sur del Plaza de Armas está el Tabla Rumi, con una altura de 4600 msnm.
La zona sur del área de estudio presenta rasgos morfológicos sobresalientes, el rasgo más notorio es la presencia del estrato-volcán Antisana, que alcanza una altura de 5758 msnm. A pocos kilómetros hacia el Oeste de este volcán se encuentra el volcán Chusalongo, que tiene una forma de herradura con escarpes internos abruptos resultado del colapso de su estructura. El punto más alto de este volcan corresponde a un domo ubicado en su margen oeste, alcanzando una altura de 4800 msnm. En la base de estos volcanes, la zona presenta una morfología bastante plana, suavizada por
6 Villares Jibaja, 2010, Estudio Geovulcanológico de la zona sur de la caldera Chacana.
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depósitos de caída y por lahares. La topografía plana es perturbada por flujos del Antisana. Los flujos que salen hacia el oeste son desviados hacia el sur al contrastar con la morfología del Chusalongo, los que salen en dirección norte son desviados hacia el este al chocar con el flanco exterior de la caldera Chacana.
Hacia el SE de la zona de estudio, en el sector Chimbaurco, se diferencia el borde topográfico de la caldera, el cual hacia el oeste es tapado por flujos de lava. En esta zona existe un domo colada, que corta el flanco exterior de la caldera.
El relleno de la caldera. El relleno se compone de materiales tanto volcánicos como sedimentarios. Existen sedimentos de relleno, que se encuentran en el sector de La Virgen, en la cumbre de una montaña alargada que funciona como divorcio intercontinental de aguas y separa los valles Carihuaycu y Río Sucus. Hacia el sur se prolonga hasta el sector norte de Singunay y hacia el este hasta el río Sucus. Los productos volcánicos visibles corresponden tanto a domos como flujos de lava intracaldera. Los domos presentan formas redondeadas algo irregulares, perturbadas por las glaciaciones y por meteorización, presentan espesores entre 200 y 400 m y alcanzan hasta una altura de 4135 msnm. Los flujos de lava intracaldera presentes en la zona son: Flujo Tumiguina, Sucus, Papallacta, dos pequeños flujos ubicados en el intercambiador de Papallacta y la estructura volcánica conocida como Singunay.
2.4 Climatología, Hidrología e Hidrogeología de la zona
La zona presenta un clima frío y húmedo con una temperatura media anual de 9,4 °C, su temperatura ambiental promedio máxima es de 19 °C y el promedio mínimo de 1 °C (SEPAES 1987). La temperatura en la zona es variable, sin embargo se han identificado temporales de bajas temperaturas en los meses de junio, julio y agosto. (FUNAN, 1994).
Esta es una zona de altas precipitaciones, con un promedio anual de 1290 mm y una humedad relativa del 89%, forma parte de la zona lluviosa del páramo de Papallacta.
Los principales ríos de la región son el Quijos, Papallacta, Tambo y el Jatuntinahua.
Río Quijos: Es el principal de la zona, por ser un río de montaña cuenta con muchos rápidos y saltos en su recorrido. Su longitud aproximada es de 44.5 Km. Cuenta con numerosos afluentes como: Cambuyacu, Papallacta, Jatuntinahua, Zizaplaya, Guagrayacu, Machángara y otros.
Río Papallacta: nace en la cordillera de los Andes. Su caudal se encuentra actualmente muy afectado debido al proyecto Papallacta de la Empresa Municipal de Agua Potable Quito, que canaliza sus aguas hacia esa ciudad. Existen numerosas lagunas, que forman un sistema lacustre de al menos 60 de ellas de diversa extensión, siendo las más representativas: Papallacta, Tumiguino, Sucus y Santa Lucía. 7
7 GOBIERNO MUNICIPAL DE QUIJOS, Plan de Desarrollo Estratégico Cantonal de Quijos.
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Mapa del sistema lacustre de Papallacta
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2.5 Estudios Geoquímicos
Las técnicas geoquímicas son baratas y han sido consideradas como una herramienta poderosa para la evaluación de los distintos parámetros del yacimiento, como son: temperatura, presión, estado de interacción roca-agua, potencial de deposición de minerales, flujo de calor, patrón de flujo, zona de recarga y descarga, permeabilidad y tamaño del yacimiento, entre otros. Para obtener estos parámetros, el primer paso es la determinación de la composición del fluido profundo, separando el agua del vapor obtenido de los pozos perforados y de las manifestaciones naturales, usando los principios de conservación de masa y energía. 9
La información del análisis geoquímico que se presenta en este capítulo, ha sido tomada de Villares Jibaja 2010 y, los datos para el análisis de Beate et al., 2009.
2.5.1 Geoquímica de las rocas de Chacana.
Con el fin de realizar el análisis estratigráfico y la petrografía de las rocas, el estudio antes mencionado (Villares Jibaja 2010) divide a la zona en unidades y las clasifica en base a los rasgos geomorfológicos de la caldera, esto es:
Basamento
Secuencias volcánicas del flanco exterior y
Rocas de actividad post colapso (relleno de la caldera)
Según la clasificación que hace Peccerillo y Taylor (1976) las rocas de la caldera tienen un amplio rango posicional que va desde andesitas basálticas hasta riolitas (54,9 – 72,8 wt. % SiO2), esta variación composicional se observa tanto en las rocas que
8 GUTIERREZ, W. Quijos “La Ruta del Agua”, Actualización de atractivos turísticos del cantón Quijos. Fundación Rumicocha. Quito -
2005 9 Verma Pal Mahendra, Boletín IIE, México, septiembre 1999
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forman el flanco exterior de la caldera, como en aquellas que forman el relleno de la misma y en los edificios construidos en los márgenes de la caldera.
En el Anexo 2, se presenta la composición detallada de las rocas tomando en cuenta su ubicación dentro de la estructura de la caldera.
En el grupo de rocas andesíticas (SiO2 menor a 63%) de la Caldera Chacana, se observa que las rocas más antiguas de cada serie presentan una composición de medio-K mientras que las rocas más recientes de cada serie presentan composiciones de alto-K. El alto-K se relaciona también con el incremento de SiO2.
Elementos mayoritarios
La siguiente tabla muestra en resumen los rangos composicionales para los elementos mayoritarios de las rocas de Chacana, normalizados al 100% en una base libre de agua.
Óxido Contenido
mínimo Contenido
máximo
SiO2 54,96 72,81
Al2O3 15,18 18,01
MgO 0,396 4,86
Fe2O3 1,7 8,27
TiO2 0,33 1,05
Na2O 3,13 4,6
CaO 1,3 7,6
K2O 1,17 5
P2O5 0,05 0,4
2.5.2 Geoquímica de los fluidos geotérmicos de Chacana
Los análisis químicos e isotópicos de los elementos encontrados en los fluidos geotérmicos, permiten entre otros aspectos evaluar la temperatura de la fuente en profundidad. Los principios básicos son:
Que existía equilibrio químico e isotópico entre los elementos de una determinada reacción, dependiente de la temperatura en las condiciones del depósito geotérmico en profundidad.
Que el restablecimiento del equilibrio no ocurre después que el fluido ha salido del depósito hasta el momento de efectuar el muestreo.
La mezcla de fluidos de características distintas y la mezcla de los mismos con aguas subterráneas poco profundas puede complicar la evaluación de la temperatura. Sin embargo, utilizando más de un geotermómetro, se puede determinar la mezcla y por consiguiente idear modelos correctos de los sistemas geotérmicos.
De los estudios previamente realizados y en base a las muestras tomadas en las diferentes fuentes hidrotermales de la zona, a continuación se destacan aquellos resultados que son significativos y permitirán evidenciar la existencia de potencial geotérmico:
Los datos físico-químicos de las aguas muestreadas presentan un amplio rango de valores; así:
17
Temperatura de descarga tiene valores entre 7.5 y 64.6 ºC
El pH varía entre 5.99 y 7.95, y
La conductividad eléctrica va desde 100 hasta 7250 microSiemens/cm.
Estos valores sugieren procesos significativos de interacción agua/roca y agua/gas, de hecho el pH más bajo indica una posible interacción con gases ácidos, mientras que la alta salinidad sería indicativa de procesos de disolución de la roca encajante en el acuífero.
Se determina la existencia de las siguientes familias de aguas:
Fuente: Villares Jibaja
La primera familia es alcalino-terrea-bicarbonatada. Estas aguas son de río, caracterizadas por una salinidad muy baja y representan la recarga del sistema geotérmico de Chacana. La salinidad total disuelta de esta agua no excede de 100 mg/litro.
La segunda familia está constituida por aguas alcalino-cloruro-sulfatadas (Cl-SO4), caracterizadas por una alta salinidad de hasta 5000 mg/litro.
La tercera familia de aguas es alcalino-bicarbonatada, caracterizada por una salinidad media a alta de hasta 4000 mg/litro.
2.5.2.1. Geotermómetros
Un geotermómetro es un modelo matemático que relaciona la temperatura del yacimiento con la composición química de los fluidos que afloran de manera natural o por medio de pozos a la superficie. Existen diversos tipos de geotermómetros dependiendo de la naturaleza de los componentes seleccionados, entre ellos: químicos, de gases e isotópicos. 10
Los geotermómetros químicos son herramientas de bajo costo que se usan, tanto para predecir las temperaturas de equilibrio de los sistemas geotérmicos, como para dilucidar los principales procesos geoquímicos que ocurren en el interior de los
10
Estudio hidrogeologico Silao, Romita, México 1998
18
yacimientos (El-Naqa y Abu Zeid,1993; Torres et al., 1993; Arnórsson, 2000b, 2000c).
En el cuadro siguiente, se presentan los geotermómetros aplicados a las muestras de aguas tomadas en Cachiyacu y Jamanco de la caldera Chacana.
Fuente: Villares Jibaja
Para estimar la temperatura del reservorio, se consideran los geotermómetros Na-K, Na-K-Ca y Na-Li, en base a las siguientes características:
Geotermómetro Na-K. (Ellis y Mahon, 1967)
Los autores demostraron que la interacción del agua caliente con rocas volcánicas determina relaciones de Na/K en solución estrechamente relacionados con la temperatura y asimismo en acuerdo con las relaciones observadas en aguas termales a temperatura conocida, además el geotermómetro del Na/K es más fiable en cuanto a valorar la temperatura profunda, reportando valores superiores a los del geotermómetro de la sílice.
Geotermómetro Na-K-Ca (Fournier y Truesdell 1973)
Las temperaturas geotermométricas pueden verse afectadas por procesos de ebullición, procesos de mezcla con agua fría, y contenidos elevados en Mg y CO2. El efecto de los procesos de ebullición es fundamentalmente la reducción del contenido de Ca en los fluidos mediante la precipitación de calcita. En este caso las temperaturas calculadas serán demasiado elevadas. El efecto de dilución será pequeño si la salinidad del agua a temperatura elevada es mucho mayor que la del agua fría con la que se mezcla. Los efectos de la dilución aumentan a medida que aumenta la cantidad de agua fría. Dado que es muy difícil evaluar la extensión de los procesos de mezcla, las temperaturas geotermométricas deben ser utilizadas con extremada precaución.
En general, el método Na-K-Ca proporciona mejores resultados que el método Na/K, sobre todo cuando se aplica a medios de circulación en ambientes muy ricos en calcio que no han sufrido procesos de precipitación de carbonato
19
cálcico.
Geotermómetro Na-Li (Fouillac y Michard 1981)
Este método se basa en una correlación derivada empíricamente entre el
y la temperatura, siendo menos sensitivo a los procesos de reequilibrio
que los geotermómetros Na/K o Na-K-Ca.
Los resultados obtenidos mediante la aplicación de este geotermómetro sobre datos analíticos de aguas correspondientes a manifestaciones termales y pozos de campos geotérmicos conocidos, ponen en evidencia que el geotermómetro Na/Li proporciona temperaturas estimadas de mayor fiabilidad que las obtenidas por los geotermómetros clásicos.
Del análisis de los geotermómetros mencionados, se estima una temperatura de equilibrio en profundidad de alrededor de 200ºC para las muestras del área de Jamanco.
Por otro lado, el estudio de la geoquímica de gases fue realizado a muestras de gases burbujeantes, encontrándose que el contenido de CO2 es superior al de las aguas en equilibrio con la atmósfera, así como los valores de las presiones parciales de He y CO2 lo que indica que existe interacción entre gases volcánicos y aguas subterráneas (Capasso and Inguaggiato, 1998).
Aplicando geotermómetros a gases se estimó una temperatura de la fuente de 230 ºC, lo cual es coherente con el dato obtenido por la aplicación de geotermómetros al agua.
2.6 Reservorio Geotérmico
El reservorio geotérmico de Jamanco está constituido por conductos, diques, domos y criptodomos que intruyen a la brecha Mogotes y, en menor proporción por flujos de lava, tobas y brechas del relleno inicial de la caldera. En base al estudio de las rocas del reservorio, se estima que el mismo tiene una geometría irregular y que podría alcanzar aproximadamente un kilómetro de espesor.11
En esta zona existen fallas en sentido NE, E-O y N-O, que dan permeabilidad a las rocas y facilitan la circulación del fluido. La recarga del reservorio de Jamanco, se da por aguas lluvia y escorrentía superficial a través de los sistemas de estas fallas, al tener en la zona de Papallacta una precipitación media de 1290 mm, se considera que se puede garantizar la recarga del sistema.
La brecha freatomagmática Mogotes, constituye una excelente capa sello que rodea lateralmente al reservorio, las rocas de los domos, diques y conductos, así como las andesitas – dacitas negras son auto selladas por el efecto de la circulación de los fluidos hidrotermales, que causan una alteración propilítica e incremento en el contenido de arcillas.
11
Villares Jibaja (2010), Estudio geovulcanológivo de la zona sur de la caldera Chacana
20
2.7 Conclusión de evidencia geotérmica.
La caldera Chacana forma parte de la provincia riolítica del Ecuador (Hall & Mothes, 2008), presenta productos con composiciones entre andesitas y riolitas y con una actividad volcánica persistente durante todo el Cuaternario; la última erupción tuvo lugar hace apenas 240 años. Todos estos productos indican potenciales fuentes de calor someras que alimentan sistemas geotérmicos de tipo hidrotermal
Tomando en cuenta las características geológicas, así como la distribución de las zonas de alteración hidrotermal, fallas y manifestaciones termales en superficie, se consideraron dos zonas de interés geotérmico individuales dentro de la caldera, las cuales son llamadas Cachiyacu (A1) y Jamanco (A 2) (Ver figura).
Para Cachiyacu las zonas de alteración se encuentran en la serie Tablones, Plaza de Armas, domo San Clemente y Yanaurco. Para Jamanco las zonas de alteración se encuentran en el cerro Cojanco y la Loma Baños. Se presenta también la posibilidad de una tercera zona considerando que tanto A1 como A2 corresponden a un mismo sistema geotérmico, el cual estaría limitado por los dos grandes lineamientos (fallas) del Río Tambo y Río Tumiguina, pues entre estos dos lineamientos están todas las zonas de alteración y fuentes termales, además incluye a A1 y A2, como se puede apreciar en la siguiente figura.
Fuente: CELEC
21
Como se mencionó anteriormente en el análisis geoquímico a través de la utilización de los geotermómetros se ha llegado a estimar que la temperatura de la fuente termal de Jamanco está entre 200 y 230 ºC.
Las diferentes características de la caldera, analizadas anteriormente, aparentemente son equivalentes con las aquellas requeridas por un yacimiento geotérmico, por lo que al momento se puede definir un primer modelo hipotético del reservorio, el cual se muestra a continuación.
22
3. PROSPECCIÓN DEL RECURSO GEOTÉRMICO
En este capítulo se propone la realización de estudios con mayor capacidad de resolución, que permitan definir el potencial de explotación del yacimiento geotérmico, así como su viabilidad técnica y económica.
El estudio se centrará en la descripción de los estudios necesarios para la determinación de los parámetros de producción básicos de un yacimiento geotérmico, de acuerdo al detalle siguiente:i
Profundidad y dimensiones del acuífero.
Geometría de las rocas encajantes, principalmente de los tramos impermeables.
Temperatura y calidad química del agua, tipo de fase.
Productividad del acuífero (caudal), y
Costes.
Para lograr este objetivo, se cuenta con varias técnicas: geológicas, geoquímicas, geofísicas y los sondeos de exploración.
3.1. Técnicas Geológicas
Una vez realizado el estudio regional e identificada una zona con potencial geotérmico, se debe continuar con la fase de exploración a escala local, que consiste en un trabajo de campo con reconocimiento geológico de detalle, ubicar nuevas manifestaciones superficiales, si las hubiere y recoger muestras para su análisis correspondiente.
En el capítulo 2 se realizó el análisis de los estudios geológicos de la zona, estudios que involucraron la estratigrafía y tectónica, mineralogía, volcanismo e hidrogeología así como el estudio de las fallas activas de la zona.
El análisis citado, se lo ha realizado mediante observaciones y toma de muestras superficiales, con el fin de poder inferir una estructura aproximada del subsuelo; es necesario considerar que todas estas estimaciones están sujetas a cierto grado de ambigüedad y serán conocidas con exactitud solamente cuando se haya perforado un pozo.
3.2. Técnicas Geoquímicas
Estas técnicas permiten estimar las diferentes formaciones por las que ha circulado el agua, considerando que por la temperatura del agua y en su camino hacia la superficie, interactúa con las rocas produciéndo reacciones químicas y provocando que:
Algún mineral de la roca se disuelva y pase al agua.
Se produzca un intercambio iónico entre agua y roca.
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Por lo tanto, un examen químico exhaustivo de las rocas, aguas y gases permitirá identificar:
La localización del sistema geotérmico.
Estimar la temperatura del acuífero.
Determinar si el agua está en estado líquido o predomina la fase vapor.
La calidad de agua y,
el origen de la recarga del acuífero.
El estudio Geoquímico realizado a las aguas subterráneas del sector, involucró la ejecución de análisis químicos, análisis de elementos volátiles y análisis isotópicos, obteniéndose:
El tipo y cantidad de sales disueltas.
Los iones presentes.
La acidez del agua (pH).
Finalmente, el estudio de los gases no condensables ha permitido identificar aquellos que están presentes en las aguas del sector. Todos los valores aquí mencionados están descritos a lo largo del capítulo 2.
3.3. Geotermometría química.
La geotermometría, en base a los minerales disueltos en las aguas y a su concentración, permite estimar la temperatura del acuífero, en vista que al aumentar la temperatura el agua disuelve de mejor manera el cuarzo (SiO2), por el contrario disuelve menos la calcita (CaCO3); por lo tanto en aguas con alto contenido de cuarzo es probable que la temperatura de la roca en equilibrio con este fluido sea elevada, mientras si la concentración de calcita es superior, la temperatura será baja.
En el capítulo 2 se presentó una explicación de los geotermómetros utilizados que permitieron determinar un aproximado de la temperatura del acuífero en la zona de estudio.
Por lo expuesto, no se requieren estudios geológicos superficiales, geoquímicos y geotermométricos adicionales, a no ser que los resultados de los estudios geofísicos, demanden la realización de alguno de ellos a una escala con mayor detalle.
3.4. Técnicas geofísicas.
Los estudios geofísicos proporcionan datos adicionales relacionados con la disposición de las rocas debajo de la superficie. Estos estudios incluyen medidas de los campos gravitacional y magnético de la Tierra, porque éstos son afectados por el tipo y distribución de las rocas de la corteza terrestre.
3.4.1 Propiedades físicas asociadas a los sistemas geotérmicos
En general, se cumple que cuanto mayor sea la temperatura de los fluidos termales, mayores serán los cambios que pueden ocurrir en las propiedades físicas. Los fluidos de más alta temperatura calientan las rocas en mayor extensión y, lo que es más importante, son en general más reactivos químicamente. Por el contrario, los fluidos termales con temperaturas inferiores son mucho más similares a las aguas subterráneas normales, y
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producen o pueden producir solamente pequeños cambios en las propiedades físicas del subsuelo.
Por esta razón, en igualdad de condiciones, los fluidos geotermales de baja temperatura (menos que 100°C), son en general más difíciles de detectar desde la superficie mediante el empleo de técnicas geofísicas, que los de alta temperatura, aunque dicha dificultad también está influenciada por la extensión y características específicas del sistema. Para que se produzcan cambios lo suficientemente importantes para afectar a !as medidas geofísicas de superficie, se requiere generalmente fluidos de alta entalpia, una matriz rocosa reactiva, y un periodo de tiempo lo suficientemente largo para que se produzca la interacción fluido-roca.
3.4.1.1 Densidad
La densidad de la roca depende de su composición mineralógica, del grado de litificación, porosidad y compresividad.
Por norma general, las rocas sedimentarias son más densas cuanto mayor sea su edad de formación. La mayoría de las rocas plutónicas y metamórficas presentan menores cambios en densidad que las rocas volcánicas y sedimentarias. Las rocas ígneas ácidas son en general menos densas que las rocas ígneas básicas. Las rocas volcánicas a menudo presentan importantes variaciones en densidad debido a los cambios de porosidad de unos puntos a otros de las rocas. Cambios en densidad mayores que el 25% de la densidad promedio cortical, 2.67 gm/cm3, son raros en las rocas próximas a las superficies.
3.4.1.2 Susceptibilidad Magnética
Para el objeto de este proyecto tres son los principales puntos de interés a discutir en relación con el magnetismo de las rocas.
Primero, las rocas y minerales magnéticos tienen una componente de magnetización, a menudo la principal, directamente inducida por el campo magnético de la Tierra. Esta componente es la respuesta de los minerales magnéticos al campo de la Tierra, y es proporcional en intensidad a la fuerza del campo terrestre; su dirección es paralela a la dirección de dicho campo. La constante de proporcionalidad se denomina susceptibilidad magnética.
Una segunda forma de magnetización denominada remanente o permanente, esta a menudo presente y se superpone a la magnetización inducida. La magnetización remanente puede ser el resultado de varios procesos como el enfriamiento de una masa rocosa ígnea, metamorfismo, cambios químicos o ser debida a otras causas. La componente remanente de la magnetización puede ser más débil o más fuerte que la componente inducida y no necesariamente tiene siempre la misma dirección que aquella. La componente remanente del campo magnético dificulta la interpretación. Las rocas con minerales de grano fino tienen en general una componente remanente mayor que las
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rocas de mayor tamaño de grano, dado que la estabilidad de la magnetización remanente está relacionada con el tamaño de grano.
Tercero, por encima de la temperatura de Curie, el campo magnético cambia y, a efectos de exploración, las rocas dejan de ser magnéticas. La temperatura de Curie para la magnetita pura es 580 °C, pero la presencia de impurezas puede cambiar este valor ubicando el margen de variación entre 400 °C-600 °C. Esta temperatura se consigue en la corteza terrestre a una profundidad teórica de 25 kilómetros, aunque la isoterma del punto de Curie se piensa que es mucho menos profunda en algunas zonas, tales como, en áreas de gran flujo de calor y extensa actividad geotérmica.
Solamente unos pocos minerales son lo suficientemente magnéticos como para dar lugar a cambios medibles en el campo magnético de la Tierra. La magnetita es corrientemente el mineral magnético que se considera a efectos de exploración.
Susceptibilidad magnética de rocas y minerales
ROCAS Y
MINERALES
SUSCEPTIBILIDAD MAGNETICA
(X10-6
cgs)
Promedio aproximado
Promedio Típico
Rocas Sedimentarias
0-2,000 200
Rocas Igneas Acidas
600-6,000 2500
Rocas Igneas Básicas
1000-20000 5000
Magnetita 300000-800000 500000
Pirrotina ------- 125000
La producción de amplias zonas de roca alterada y la consiguiente destrucción de la magnetita esta probablemente restringida a sistemas geotérmicos de alta entalpia que han estado activos durante miles de años.
3.4.1.3 Propiedades Eléctricas
3.4.1.3.1 Resistividad Eléctrica
El cambio más importante en !as propiedades físicas de las rocas, debido a la presencia de un sistema geotérmico, aparte de la temperatura y el flujo de calor en si mismo, quizás sea el cambio en la resistividad eléctrica del conjunto roca-fluido. La conductividad eléctrica de las rocas de la corteza se realiza principalmente a través del movimiento de los iones contenidos en el agua, aunque la semiconducción en minerales como los sulfuros y el grafito también contribuye en algunos casos de forma importante.
La conducción iónica en las rocas aumenta proporcionalmente al incremento de la porosidad, incremento de la salinidad, o incremento en las cantidades de minerales con potencial de intercambiar cationes. Un aumento de temperatura incrementa la movilidad iónica hasta cierto punto y por tanto incrementa la conductividad.
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Varios procedimientos geofísicos de investigación tienen como fundamento el conocimiento de la resistividad eléctrica de la Tierra, se usan de forma rutinaria y con buenos resultados en la exploración geotérmica. A profundidades por debajo de los 5 a 10 Km, predomina la semiconducción mineral sobre la conducción electrolítica acuosa (Ward y Sill, 1984); igualmente el magma y las rocas parcialmente fundidas son mucho más conductivas que la roca encajante. El método magneto telúrico posibilita la detección de rocas parcialmente fundidas a esas profundidades y puede, por tanto, conducir al descubrimiento de áreas con gradiente térmico anómalo y por tanto de sistemas geotérmicos ocultos.
3.4.1.4 Temperatura y Conductividad Térmica
La temperatura es la propiedad fundamental explorada en los recursos geotérmicos y su medida es relativamente sencilla. La interpretación de las medidas de la temperatura y la evaluación del potencial de un yacimiento en base a dichas medidas, puede sin embargo ser compleja.
Entre los distintos parámetros que influyen sobre !as propiedades térmicas de las rocas, quizás la porosidad sea la más importante.
3.4.1.5 Velocidad Sísmica
Las ondas sísmicas se transmiten a través de la Tierra en forma de vibraciones u ondas que transitan a diferentes velocidades, estas velocidades están influenciadas por: la litología, profundidad, porosidad del material, compactación, litificación, contenido de fluidos, entre otros. Estas velocidades dependen del modulo elástico y de la densidad. Tales parámetros son importantes para el análisis de la velocidad en la interpretación de datos sísmicos. Las rocas ígneas, en general, tienen velocidades mayores que las rocas sedimentarias. Comúnmente, para un mismo tipo de roca, las velocidades aumentan con la edad geológica y para una misma roca y edad aumentan por la profundidad.12
En general, la velocidad disminuye con el aumento de temperatura, probablemente debido a la expansión de las fracturas existentes y a la propagación de nuevas fracturas debido a esfuerzos térmicos.
Existe una gran variedad de estudios geofísicos, pero en geotermia para conseguir lo requerido se lo realiza mediante las siguientes técnicas: sensores remotos, gravimetría, magnetometría, termometría, sismología y métodos eléctricos, electromagnéticos y magnetotelúricos.
Gravimetría y magnetometría.- La determinación de las anomalías en los campos gravitacional y magnético de la Tierra, localizados dentro del prospecto geotérmico, permite identificar las principales estructuras geológicas de la zona por el contraste en sus propiedades (densidad de las rocas del subsuelo y susceptibilidad magnética), por ejemplo: fallas, intrusiones, deformaciones, etc. Además, en el caso de la gravimetría también es posible determinar si existe una precipitación de minerales hidrotermales con un contraste de densidad respecto a las rocas del yacimiento; y la magnetometría puede ayudar a localizar algunas zonas donde la roca original ha sido desmagnetizada por la acción de los fluidos termales.
12
(http://www.wikiteka.com/trabajos/velocidad-sismica-de-las-rocas/)
27
Métodos sísmicos.- Se caracterizan por su alto costo, tanto en los trabajos de campo como en la interpretación de los datos obtenidos. Se basan en el estudio de la propagación de ondas elásticas en el subsuelo, provocadas mediante explosiones o impactos de masas sobre la superficie del terreno. Las ondas elásticas generadas se registran en geófonos colocados estratégicamente a cierta distancia del punto de impacto. Entre las ondas generadas por las explosiones o impactos, las hay que viajan directamente a los geófonos y otras que lo hacen tras reflexiones y/o refracciones en
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las discontinuidades del subsuelo. El análisis de las referencias en los tiempos de recorrido de las diversas ondas permite identificar horizontes litológicos y determinar la distribución de velocidades de propagación del subsuelo. A partir de las velocidades se identifica el tipo de roca.
En algunos casos como en la exploración petrolera estos métodos son casi indispensables para la localización de los mantos petrolíferos; en su aplicación a la exploración geotérmica se tiene la desventaja del alto nivel de ruido sísmico existente, ya sea por los cambios de fase o por el movimiento subterráneo de los fluidos termales.
Durante la explotación del campo geotérmico, los métodos geofísicos son útiles para mantener un sistema de monitoreo con el objeto de detectar fenómenos de subsidencia (hundimiento) y de aumento en la actividad sísmica. Por otra parte, puesto que los campos geotérmicos se encuentran localizados generalmente en zonas de actividad tectónica, la observación de la actividad sísmica es importante para tener un control de las fallas activas en las cercanías del campo. Las observaciones repetidas de la actividad micro-sísmica son útiles también para indicar los cambios en el campo de esfuerzos provocados por las variaciones de presión que resultan de la explotación del campo, ya sea por extracción o reinyección de los fluidos termales.
Métodos Eléctricos.- Se utilizan para determinar la resistividad eléctrica de la roca a distintas profundidades, mediante la creación de un potencial eléctrico al hacer pasar una corriente eléctrica continua a través del subsuelo, mediante dos electrodos conectados a una fuente de alimentación de tensión constante.
Existen diferentes dispositivos electródicos que permiten realizar este trabajo, éstos se diferencian entre sí porque utilizan diferentes modalidades en la distribución geométrica de los electrodos. Los más utilizados son:
Dispositivo Schlumberger.
29
Dispositivo Wenner y El dispositivo dipolo – dipolo
Métodos Electromagnéticos.- En base a la aplicación de radiación electromagnética, se determina la resistividad eléctrica de las rocas, Existe una gran variedad de técnicas según la fuente de emisión utilizada y la magnitud que se mide en el receptor, por ejemplo mediante la utilización de dos bobinas, una de emisión con un oscilador de frecuencia seleccionable y otra de recepción, en el receptor se mide la señal emitida por el emisor que habrá sido modificada por las corrientes inducidas en el subsuelo. Generalmente las frecuencias que se utilizan están comprendidas entre los 100 Hz y 5 KHz. La profundidad de penetración es escasa y depende de la distancia entre el emisor y el receptor que no suele ser superior a 50 metros.
Los métodos eléctricos como los electromagnéticos, son muy adecuados para la investigación de aguas subterráneas debido a que normalmente los acuíferos son formaciones que presentan un buen contraste de resistividad con respecto a las formaciones impermeables encajantes. En el caso de sistemas geotérmicos, estos métodos son especialmente interesantes dado que, en general, la solubilidad y por tanto, el contenido en sales en el agua aumentan con la temperatura, lo cual tiene el efecto de disminuir notablemente la resistividad de las rocas que conforman el acuífero y aumentar el contraste con las rocas impermeable encajantes. Este efecto no se cumple en el caso de vapor seco.
Método Termométrico.- Esta técnica es muy útil para la evaluación del tamaño y capacidad del sistema geotérmico, permite medir el gradiente de temperatura y flujo de calor, se mide la temperatura del suelo mediante termografías aéreas, para lo cual se utilizan radiómetros y scaners que detectan la radiación electromagnética en la banda del infrarrojo térmico que emite la superficie según la temperatura a la que se encuentra.
Método Magnetotelúrico (MT).- Consiste en la medición de la Resistividad Eléctrica terrestre con el propósito de determinar la distribución de la conductividad eléctrica de las rocas bajo la superficie. En este caso la medición de la resistividad se efectúa usando las corrientes telúricas que fluyen de manera natural en la corteza terrestre, producto del campo electromagnético generado en la Ionosfera, debido a la interacción del campo geomagnético y el viento solar. El amplio espectro de frecuencia de las corrientes telúricas hace de esta técnica una herramienta muy poderosa con rangos de observación que van desde decenas de metros a estudios de gran profundidad. La determinación de la Resistividad eléctrica en función de la profundidad, requiere de la medición del campo magnético y campo eléctrico en la superficie, en forma simultánea, en función de la frecuencia.
En la exploración geotérmica, se aprovecha los grandes contrastes de resistividad generados en el sistema geotérmico formado por el reservorio, el sello, la cámara magmática y las rocas del basamento.
Para seleccionar el método más adecuado, se parte del reconocimiento geológico realizado; por ejemplo, si del reconocimiento geológico se prevé una formación permeable como acuífero, con una roca que presenta un marcado contraste de resistividad con las rocas del entorno, se utilizarán métodos eléctricos y/o electromagnéticos.
30
3.5. Estudios a realizar.
En esta etapa de la investigación, es necesario, dentro del área de estudio (Jamanco), concentrar los esfuerzos en áreas más pequeñas y con mayor potencial geotérmico; a fin de alcanzar este objetivo, se deberán realizar los siguientes estudios geofísicos:
Gravimetría
Microsísmica de la zona.
Magnetotelúrico en áreas o sectores seleccionados.
Sondeos de exploración.
Es importante considerar que por el tipo de respuesta que ofrecen los diferentes métodos (regional/local) propuestos, así como los costos de estos estudios, la gravimetría y la microsísmica se los realizará en toda la zona de interés es decir Jamanco, el resultado de éstos permitirá desarrollar el estudio magnetotelúrico en una zona más reducida, llegando a definir el área donde se aplicarán los sondeos de exploración.
En el anexo 3 se describen con mayor detalle los estudios de gravimetría, microsísmica y magneto telúrico.
3.5.1. Sondeos de exploración.
Basados en los resultados obtenidos mediante los estudios geofísicos, se puede determinar los sitios más propicios para realizar las perforaciones de pozos exploratorios, que es la etapa final de cualquier programa de exploración geotérmica y es el único medio para determinar las reales características de un reservorio geotérmico y así poder evaluar su potencial (Combs and Muffler, 1973). Los datos proporcionados por los pozos exploratorios deben permitir validar todas las hipótesis y los modelos elaborados a partir de los resultados de las exploraciones de superficie, confirmar si el reservorio es productivo y si contiene suficientes fluidos de características adecuadas para la utilización, por lo tanto, la ubicación de los pozos exploratorios es una operación muy delicada.
Antes de formular un programa de exploración geotérmica debe colectarse la totalidad de los datos geológicos, geoquímicos y geofísicos existentes e integrarse con los datos disponibles de trabajos anteriores sobre agua, minerales y recursos petrolíferos del área en estudio y de áreas adyacentes. Esta información tendrá un importante papel en la
31
definición de los objetivos del programa de exploración geotérmica y ayudará a una reducción significativa de los costos.13
El número de pozos, ubicación y profundidad de los mismos, deberán ser los necesarios para obtener el máximo de información con un mínimo coste de inversión, por tanto la decisión de estos parámetros de perforación serán el resultado de una correcta evaluación de la información que se desea obtener frente al costo de la perforación.
Fuente: Guía de energía geotérmica, Comunidad de Madrid
Los principales objetivos para realizar las perforaciones de exploración son:
Obtener una serie de medidas de temperatura a fin de calcular el gradiente térmico y poder predecir la temperatura en la profundidad.
Recolectar muestras de rocas para obtener medidas de conductividad (cálculo de flujo calorífico)
Recolectar muestras de los fluidos que eventualmente se encuentren a fin de determinar posibles convectivos que alterarían el objetivo anterior y efectuar análisis químicos para complementar el estudio químico superficial.
Mediciones de resistividad eléctrica a través de la sección perforada, para correlacionar las investigaciones de resistividad eléctrica superficial.
Estudio de la secuencia estratigráfica.14
3.5.2. Testificación Geofísica de Sondeos
Los sondeos se realizan enviando “testigos” al pozo; esta técnica es aplicada rutinariamente en la investigación de hidrocarburos por lo que puede ser utilizada casi en forma análoga en la investigación geotérmica, la diferencia radica en que los hidrocarburos normalmente se encuentran en terrenos sedimentarios y la mayoría de los yacimientos geotérmicos se ubican en rocas ígneas y metamórficas fracturadas.
Por lo tanto, las técnicas petroleras deben ser modificadas al momento de introducirlas al ambiente geotérmico, principalmente en lo referente a: la temperatura, en geotermia se
13
Mary H. Dickson y Mario Fanelli 14
Metodología de Exploración Geotérmica, OLADE, 1978
32
precisa que los instrumentos resistan a las altas temperaturas que se espera encontrar; deben poseer técnicas para interpretar rocas volcánicas o ígneas, la prioridad en el estudio debe ser la identificación de fracturas y los efectos causados por las alteraciones hidrotermales.
La testificación geofísica debe tener un plan en el cual se definan los intervalos de profundidad a los que se va a realizar, hay que tomar en cuenta que todas las medidas se deben llevar a cabo antes del entubamiento, ya que éste es un factor negativo en el registro de cada propiedad testeada. Entre las propiedades que se ven afectadas están: temperatura, resistividad, magnetismo, radiactividad, etc. Cabe señalar que al registro de estas características en función de la profundidad se le denomina diagrafía.
En el siguiente cuadro se exponen las técnicas de testificación geofísica más utilizadas.
TIPO DE SONDA APLICACIÓN
Calibre Perfil del pozo, corrección de otras diagrafías
Temperatura Fracturación, flujo de fluidos, correcciones
Resistividad Litología, fracturación, arcillas
Potencial espontáneo
Litología, salinidad
Gamma natural Litología, arcillas, alteración
Gamma-gamma (densidad)
Densidad, porosidad, litología
Neutrón Porosidad, agua en la formación, litología
Sónico Litología, fracturación, porosidad
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Teleobservador acústico
Fracturas
Flujo Flujos de agua
La sonda de calibre es de utilización obligada, ya que nos permite medir el diámetro del pozo en toda su longitud y de esta manera identificar posibles imperfecciones producidas durante la perforación, como pueden ser cavernas o pequeños hundimientos. Estas imperfecciones deben ser correctamente identificadas y corregidas a fin de que no se introduzcan errores al momento de la interpretación de los datos.
El flujo de fluidos y las zonas fracturadas pueden ser localizados con la ayuda de la testificación de la temperatura, para ello se debe contar con una sonda que posea una sensibilidad de ±0,01 ºC, si la temperatura de la roca es diferente a la del flujo de agua estamos en presencia de una fractura. Los registros de temperatura son muy necesarios para la corrección de otros ampliamente usados como por ejemplo la resistividad. Por esta razón esta diagrafía es de vital importancia en la testificación geofísica.
Los registros de resistividad son muy difíciles de interpretar en entornos de rocas ígneas y metamórficas, pero proporcionan valiosa información sobre la litología, fracturación y el contenido de arcillas, que a su vez nos informará de la presencia de alteraciones hidrotermales.
Los métodos radiactivos (gamma natural, gamma-gamma y neutrónico) suelen ser muy útiles a la hora de caracterizar ambientes geotérmicos proporcionando litologías y posicionamiento de fracturas. Esta técnica puede ser pasiva o activa.
La medida de la radiación gamma es una técnica pasiva, las rocas ígneas radiactivas como el granito y la riolita ricas en potasio, son fácilmente detectables con esta técnica. Las fracturas en rocas alteradas pueden enriquecerse localmente en elementos radiactivos y por tanto se detectan sin dificultad. Por otro lado, la técnica activa gamma-gamma nos permite conocer la densidad de las rocas de la pared del pozo a partir de la atenuación de la radiación gamma lanzada contra ella por un emisor ubicado en la sonda, este método mide la porosidad de la formación a partir de su densidad y de las de la matriz de roca y de su fluido intersticial. Para que esta técnica sea útil se debe contar con un sistema muy preciso de calibración, da mejores resultados en entornos sedimentarios.
La neutrónica es otra técnica radiactiva activa, permite medir la porosidad de las rocas a partir del comportamiento de determinadas partículas, generadas por elementos radiactivos incorporados en la sonda, que detectan la presencia de protones en la roca.
La técnica sónica proporciona el tiempo que tardan las ondas acústicas de tipo P (primarias) en recorrer una determinada distancia, estas diagrafías permiten determinar distintas litologías y la porosidad intergranular.
La sonda de tele-observador acústico proporciona una imagen acústica de la pared del pozo, tal como si se abriera longitudinalmente y se extendiera sobre un plano, pudiendo a partir de esta imagen identificar fracturas, sus dimensiones y sus eventuales rellenos.
Con la ayuda de un flujómetro podemos medir el flujo vertical de agua, lo que permite conocer las zonas de entrada de agua al pozo y su caudal.
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En la práctica estas pruebas se realizan simultáneamente, para lo cual, el “testigo” se construyen de forma modular, esto es, montando varios sensores sobre un mismo soporte.
3.6. Análisis de costos.
La estimación de los costos de los estudios requeridos no resulta una tarea fácil, ya que en Ecuador no se dispone de datos históricos de este tipo de trabajos, adicionalmente se debe considerar que por las condiciones de las diferentes áreas el análisis debe ser realizado individualmente para cada zona.
Los factores que influyen en el costo de un estudio geotérmico son:
Temperatura y profundidad del recurso
Presión y caudal del fluido
Condiciones climáticas del sitio
Topografía del sitio
Restricciones medioambientales y estudios
Costos indirectos como: administrativos, permisos, financiamiento, impuestos, etc.
Con el fin de ratificar toda la información analizada en la etapa de reconocimiento, se debe realizar un estudio de prefactibilidad en toda la zona de JAMANCO, que debe contemplar estudios: geológico, geoquímico y geofísico, el detalle de los estudios a realizar se presenta en el siguiente cuadro:
ITEM DESCRIPCIÓN COSTO ESTIMADO
(US$)
1 MODELO GEOLÓGICO 176.400
1.1 Geomorfología 9.000
1.2 Neotectónica 23.400
1.3 Mapeo geológico 36.000
1.4 Mapeo de la alteración hidrotermal 18.000
1.5 Petrología y Análisis de Muestras 90.000
2 MODELO GEOQUÍMICO 138.600
2.1 Mapeo y muestreo geoquímico 36.000
2.2 Análisis de muestras (agua y gases) 36.000
2.3 Medición de Flujo de CO2 14.400
2.4 Informe Geoquímico 36.000
2.5 Hidrogeología 16.200
3 MODELO GEOFÍSICO 882.000
3.1 Geoeléctrica 18.000
3.2 Gravimetría 81.000
3.3 Magnetometría 18.000
3.4 Microsismicidad 72.000
3.5 Magnetotelúrica 630.000
3.6 Topografía 18.000
3.7 Modelo geofísico 45.000
T O T A L : 1’197.000 Elaboración propia: valores estimados obtenidos de un presupuesto referencial de una licitación
realizada por CELEC y adaptado a la zona de JAMANCO
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Independientemente si se contrata la ejecución de los estudios mencionados, o se los realiza con administración propia, es necesario disponer de un equipo de profesionales quienes serán los responsables del mismo, con especializaciones en: geología, administración de proyectos, geoquímica y geofísica; a continuación se detalla los costos y tiempo estimados para disponer de los profesionales requeridos.
PROFESIONAL TIEMPO (Días)
COSTO ESTIMADO (US$)
Responsable Proyecto 120 60.000
Responsable Geología 78 15.000
Responsable Geoquímica 78 8.000
Responsable Geofísica 65 15.000
T O T A L : 120 98.000
Una vez que se disponga del resultado de los estudios indicados, se procederá con la integración e interpretación de los datos geológicos, geoquímicos y geofísicos para la definición del “Modelo Geotérmico Conceptual de Jamanco” el cual permitirá disponer de un dato más preciso del potencial del recurso.
El informe final de prefactibilidad será la herramienta que permita realizar estudios geofísicos en áreas más reducidas y con una mayor densidad, una vez realizada la geofísica de la zona se estará en capacidad de determinar el sitio donde se deben realizar los sondeos exploratorios.
A continuación se muestra la estimación de los costos para estos estudios:
ITEM DESCRIPCIÓN AREA (Km2)
COSTO UNITARIO
(US$)
COSTO TOTAL (US$)
1 Estudio micro-sísmico 20 2.700 54.000
2 Estudio Magneto telúrico-TDEM*
10 25.000
250.000
3 Pozos exploratorios 2 1’400.000 2’800.000
4 Profesional Geofísico (Un año)
1 60.000 60.000
5 Gastos varios 1 10.000 10.000
T O T A L : 3’374.000
Densidad del estudio 5 puntos por Km2
El resumen de la inversión a realizar se presenta a continuación:
ITEM DESCRIPCIÓN COSTO ESTIMADO
(US$)
1 Modelos 399,000.00
2 Profesionales 98,000.00
3 Estudios geofísicos avanzados 682,000.00
T O T A L : 1’179,000.00
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4. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
En base a los diferentes estudios que se han realizado en la Caldera Chacana, se pueden obtener las conclusiones siguientes:
Los estudios geoquímicos, muestran una distribución de las aguas frías y termales en las familias siguientes:
o Agua bicarbonatada alcalinotérreas con temperaturas menores a 10 °C, que forman parte de la recarga del sistema geotérmico Chacana.
o Aguas alcalinas Cl-SO4 con temperaturas mayores a 64 °C. lo que muestra la existencia de un reservorio geotérmico
o Aguas alcalinas bicarbonatadas con temperaturas hasta 46 °C, ricas en CO2, lo que indica que las aguas no tan profundas mantienen un contacto con gases y materiales volcánicos.
Los geotermómetros dan como resultado temperaturas estimadas del sistema geotérmico que van de 200 a 230 °C.
La composición isotópica, confirma que los líquidos descargados tienen la recarga principal en el agua meteórica.
El análisis químico de gases, confirma la interacción gas – agua, gases profundos de origen magmático y las aguas subterráneas del sistema geotermal.
Por lo expuesto, se puede concluir que la Caldera Chacana tiene un gran potencial geotérmico, con temperaturas entorno a 200 – 230°C (media alta entalpía), que se estima se encuentra entre 700 y 1200 metros de profundidad desde la superficie, lo que explotado de una manera sostenible, aportará con un importante porcentaje a la cobertura de la demanda eléctrica del país.
Con el fin de aprovechar el potencial existente en Chacana, se recomienda:
Realizar los estudios geofísicos presupuestados, los cuales permitirán confirmar las diferentes estimaciones obtenidas en los estudios superficiales, entregando la información siguiente:
o o Gravimétrico:
Espesores de la cobertera volcánica y cuencas sedimentarias profundas con posibles recursos geotérmicos.
Profundidad de las formaciones impermeables. Extensión de la formación acuífera. Naturaleza y estructura de las formaciones del suelo (información
litológica y estructural). o Micro-Sísmico:
Definir los límites del acuífero. Saturación del acuífero Porosidad del área impermeable. Sistema de fracturas o fallas asociadas con el sistema geotérmico.
o Magnetotelúrico: Definición de las fronteras entre los materiales del subsuelo. Detección del substrato rocoso.
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Detección del nivel freático. Localización y monitoreo del reservorio.
o TDEM: Define los sitios óptimos donde realizar los sondeos .
Una vez confirmado el potencial existente y, determinada el área más óptima para realizar los sondeos exploratorios y la testificación correspondiente, se recomienda realizar dos sondeos de investigación, cuyos primeros 400 a 500 metros se los deberá perforar con una cabeza de tricono con diámetro interior ligeramente superior a 122,6 mm (PQ) y, a partir de este punto hasta los 700 metros, utilizar una corona de perforación, que permita una fácil recuperación de la columna de testigos.
Emprender con el desarrollo de la planta geotermoeléctrica de Chacana – Jamanco.
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