Este curso está enfocado en introducir a las técnicas de exploración en Geotermia a profesionistas (de todas las Ingenierías y Licenciaturas en Geociencias, Ambientalistas, Economistas y carreras afines) interesados en las energías limpias. Les proporcionará información científica y técnica sobre las bases y nuevas corrientes para fomentar el interés en la energía geotérmica. El curso incluye temas de frontera en Geología, Geoquímica, Geofísica aplicados a la Exploración de recursos geotérmicos, conceptos básicos de la geotermia y su utilización.
Gases en sistemas geotérmicos
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From the course by Universidad Nacional Autónoma de México
Introducción a la Geotermia
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Geoquímica
En este módulo se ven las técnicas geoquímicas usadas para cumplir con los objetivos de la exploración superficial, en las que se efectúan los análisis de las aguas de los manantiales, las emisiones de las fumarolas, las descargas de gases y las aguas frías superficiales para hacer inferencias de las condiciones del sistema hidrotermal.
Meet the Instructors
Dra. Rosa María Prol LedesmaInvestigadora Instituto de Geofísica UNAM
Instituto de Geofísica
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Hola, soy el Dr. Daniel Pérez Zárate y estaré con ustedes en este video con el
tema gases geotérmicos.
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En el video veremos cuáles son estos gases geotérmicos,
el origen que tienen estos gases en los sistemas geotérmicos y así también inferir
algunos procesos a partir del conocimiento de la composición química de estos gases.
En la parte final del video, veremos cómo estimar la temperatura del yacimiento
geotérmico utilizando la composición química de estos gases en superficie.
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En general, los gases geotérmicos se dividen en dos grupos.
Los gases geotérmicos reactivos y los gases geotérmicos inertes.
Los gases geotérmicos reactivos, como su nombre lo indica,
son los que participan en diferentes reacciones con las rocas,
mientras que los gases inertes no participan en estas reacciones.
Los gases reactivos incluyen el dióxido de carbono,
el sulfuro de hidrógeno, el amoniaco, el nitrógeno, el hidrógeno y el metano.
Mientras que por otro lado,
los gases inertes más importantes son el argón y el helio.
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Los gases geotérmicos se pueden observar en diferentes manifestaciones
superficiales.
Como por ejemplo en el caso de las fumarolas, los suelos vaporizantes,
las pozas calientes, los sistemas y el pozo geotérmico.
Las fumarolas se definen como elevaciones de gases en superficie
a elevada temperatura.
Este tipo de manifestaciones han sido muy importantes en la exploración geotér, you
que las fumarolas con grandes emanaciones de gases proporcionan los datos mas
confiables sobre la composicion química del los gases en el sistema geotérmico.
En la siguiente figura, vemos un ejemplo sobre este tipo de manifestacion que
se encuentra en el campo geotermico de los azufres,
ubicado en el estado de Michoacán de la república mexicana.
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Recordemos que el vapor se forma por la ebullición de agua geotérmica cuando esta
asciende a la superficie desde el reservorio.
Este vapor contiene una cantidad de gases importantes
los cuales pueden ser transportados a la atmosfera a través
de las manifestaciones conocidas como suelos vaporizantes.
En este tipo de superficies podemos observar alteración de rocas,
temperaturas cercanas al punto de ebullición a pocos centímetros de
profundidad, poca vegetación, cráteres hidrotermales,
manantiales ácidos y lodo pueden también ser observados.
En la siguiente figura observamos un ejemplo de este tipo de manifestación.
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Por otro lado, las manifestaciones conocidas como pozas calientes son
parecidas a los suelos vaporizantes,
cuando la única diferencia que existe agua en la superficie.
En la siguiente figura observamos un ejemplo de esta manifestación superficial.
La recolecta de muestras en las manifestaciones de pozas calientes,
se debe realizar cerca de la descarga principal you que podríamos tener
contaminación por la presencia de aire atmosférico.
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Los sistemas kaipohan son sistemas muy raros, presentan flujos
difusivos de gases a baja temperatura y cambios de rocas en los alrededores,
inclusive, en algunas ocasiones se observa vegetación y fauna muerta.
Estos sistemas se originan por la baja permeabilidad de las rocas
Y porque las zonas se encuentran ubicadas con pendientes muy prolongadas.
En la siguiente figura, observamos un ejemplo de este sistema Kaipohan
ubicado en la caldera de Acuaculco en el estado de Puebla de la República Mexicana.
Por otra parte, los pozos geotérmicos han sido de gran ayuda para interpretar la
composición química de los gases geotérmicos en la descarga total,
así como para saber la cantidad de gas contenida en el vapor en la descarga.
En la siguiente figura observamos un ejemplo de pozo geotérmico ubicado en
el campo geotérmico los azufres en el estado de Michoacán.
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Bien, ahora veremos cuál es el origen de estos gases en los sistemas geotérmicos.
Como mencionamos anteriormente, los gases reactivos incluyen el dióxido de carbono,
el sulfuro de hidrógeno, el amoniaco, el nitrógeno, el hidrógeno y el metano.
El gas dióxido de carbono es el gas más abundante en los sistemas geotérmicos.
Comúnmente abarca una composición mayor al 85% en volumen.
Su origen puede ser magmático o por reacciones químicas con las rocas,
como por ejemplo, la alteración de rocas carbonatadas en el reservorio,
degradación de materia orgánica en rocas sedimentarias profundas y por
la reacción del bicarbonato en el fluido geotérmico.
Por otra parte, el gas de sulfuro de hidrógeno es el segundo
más abundante en la descarga total.
Este gas es tres veces más soluble que el dióxido de carbono, su origen
puede ser magmático o por reacciones de alteración de rocas en el reservorio.
El amoniaco es el gas más soluble de todos los gases geotérmicos.
Altas concentraciones de amoniaco nos indicarían la presencia
de materia orgánica en rocas sedimentarias profundas.
Cuando el fluido sube a la superficie,
ese gas puede ser removido por diversas reacciones con la roca,
you sea por procesos de absorción o por alteración arcillosa.
El hidrógeno es un gas altamente reactivo, debido a que es rápidamente removido de
las rocas por diferentes reacciones con lo cual su concentración varia con el tiempo
y a partir de esto podemos inferir direcciones de flujo ascendente.
El gas metano es el hidrocarburo comúnmente observado en los gases
geotérmicos.
Las altas concentraciones de metano pueden ser,
debido a la alteración de materia orgánica en rocas sedimentarias profundas.
El nitrógeno puede tener origen magmático y también
puede provenir de aguas meteóricas saturadas con aire.
Se ha observado que el nitrógeno se encuentra en altas
concentraciones en sistemas geotérmicos de baja temperatura e inclusive
puede llegar a ser un gas mayoritario.
Cabe mencionar que la presencia de oxígeno en una muestra de gases
geotérmicos indicaría contaminación de aire atmosférico por errores de muestreo.
La concentración de oxígeno en muestras no contaminadas generalmente,
están por debajo del límite de detección.
Los principales gases inertes en los sistemas geotérmicos son el
helio y el argón, los cuales pueden tener su origen en el exhiliado de las rocas
y pueden ser usados como trazadores de diferentes procesos.
A través del conocimiento de los gases geotérmicos en superficie podemos inferir
diferentes procesos, como pueden ser la identificación de zonas permeables,
la dirección de flujo, el tipo de roca en el yacimiento
y la estimación de la temperatura del reservorio geotérmico.
Cuando obtenemos altas concentraciones de gases geotérmicos,
inferimos que estamos en una área con zonas con alta permeabilidad.
Cuando observamos bajas concentraciones de hidrógeno,
amoniaco y sulfuro de hidrógeno,
es indicativo de un flujo vertical de hacia la superficie de fluido geotérmico.
Altos contenidos de amoniaco y dióxido de carbono,
es indicativo de la presencia de rocas sedimentarias profundas.
Altos niveles de helio nos indicarían la presencia de rocas
enriquecidas con radio y torio.
Por otra parte, si observamos altas concentraciones de hidrógeno
y sulfuro de hidrógeno, inferimos que estamos en una zona
de alta temperatura en el reservorio y en la superficie.
Finalmente, podemos decir que existe entrada de gases magmáticos dentro
del reservorio si observamos que el vapor que emana a la superficie está
enriquecido con ácido clorhídrico, ácido fluorhídrico y dióxido de azufre.
En la mayoría de los casos se realiza un diagrama de mezcla de gases para realizar
un diagnóstico y mejorar la identificación de la fuente dominante de los gases
geotérmicos.
En la figura que se ve en pantalla, ha sido muy útil para evaluar la contribución
de las fuentes de gases en las descargas recolectadas de pozos geotérmicos.
En algunos casos se utiliza el
dióxido de carbono en vez de el gas helio para mostrar tendencias de ebullición.
Hasta este momento, sabemos cuáles son los gases que encontramos en los sistemas
geotérmicos, los sistemas que podemos inferir a través de su composición
química, y también las manifestaciones superficiales donde los podemos observar.
Ahora pasaremos a una aplicación de los gases en la industria geotérmica mediante
el uso de los geotermómetros de gases.
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De la misma forma que los geotermómetros de soluto,
los geotermómetros de gases infieren a temperatura del reservorio geotérmico
con la concentración química de los gases en superficie.
Estas herramientas han sido desarrolladas mediante relaciones empíricas
y por reacciones químicas bajo condiciones de equilibrio químico.
Los geotermómetros de gases se utilizan cuando los geotermómetros de soluto no
pueden ser aplicados,
you que no existe agua en la superficie y solamente observamos
manifestaciones de gases como son las fumarolas y los suelos vaporizantes.
En general, los geotermómetros de gases se fundamenten en equilibrios
entre gases y equilibrio entre los gases y los minerales.
En algunos geotermómetros se necesita saber la cantidad de gas en el vapor,
y por consiguiente, necesitamos conocer la relación gas vapor.
Un ejemplo de un geotermómetro de gas obtenido de forma empírica es el
geotermómetro de D´Amore y Panichi, que lo desarrollaron en 1980
a través de diferentes mediciones de gases de superfice,
en 32 puntos en una área de un campo geotérmico.
Y en la siguiente ecuación, se muestra la ecuación de este geotermómetro.
La variable alfa está en función del porcentaje en volumen
de cuatro gases geotérmicos.
Por otro lado,
la variable beta está en función de la presión parcial del dióxido de carbono.
Debemos tener cuidado al aplicar este geotermómetro, y elegir bien el valor de
beta siguiendo las tres consideraciones que aparecen en pantalla.
En general, los geotermómetros de gases dependen
del conocimiento de contenido de gas en el vapor.
Sin embargo, en manifestaciones naturales como las fumarolas, esto no puede ser
calculado, you que el gas y el agua no alcanzan la superficie juntos.
El geotermómetro de D´Amore y Panichi puede ser aplicado en estas
manifestaciones naturales.
Sin embargo, ha sido discutido su uso,
y se tienen además otros geotermómetros desarrollados.
De la misma forma que los geotermómetros de soluto,
existe una gran gama de geotermómetros de gases publicados.
En la tabla se muestran algunos geotermómetros desarrollados
para exploración geotérmica.
Es importante mencionar que la aplicación de estos geotermómetros
es un poco más complicada en comparación con los geotermómetros de soluto,
you que es necesario conocer la relación agua vapor del sistema.
En conclusión, podemos decir que los gases geotérmicos pueden ser de origen
magmático, pueden provenir de diferentes reacciones químicas dentro del reservorio
o por la degradación de materia orgánica en rocas sedimentarias profundas.
También sabemos que las manifestaciones superficiales de estos gases
se observan en manifestaciones naturales como fumarolas, suelos vaporizantes,
fosas calientes, sistemas kaipohan o en pozos geotérmicos.
También sabemos que a partir del conocimiento de la
concentración química de los gases geotérmicos en superficie,
podemos inferir la temperatura del reservorio.
Mediante el uso de los geotermómetros de gases,
los cuales se basan en reacciones químicas bajo equilibrio químico.
Hasta aquí hemos llegado a la parte final de nuestro video.
Los invito a seguir aprendiendo más sobre la geotermia,
consultado otros videos de su curso.
Por mi parte, eso es todo y nos vemos hasta la próxima.
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