En este artículo se presenta una breve introducción al aspecto teórico del estudio microtermométrico

Transcripción

1 Microtermometría de inclusiones fluidas en ambientes hidrotermales. Caso de estudio del campo geotérmico de Las Tres Vírgenes, BCS México 1 Georgina Izquierdo Montalvo, 1 Alfonso Aragón Aguilar y 2 J. César Viggiano Guerra En este artículo se presenta una breve introducción al aspecto teórico del estudio microtermométrico de inclusiones fluidas y su aplicación directa en el estudio de recortes de perforación de dos pozos del campo geotérmico de Las Tres Vírgenes, Baja California Sur (BCS), México. Introducción La microtermometría es la técnica empleada para determinar los cambios que ocurren dentro de una inclusión fluida en función de la temperatura. Una inclusión es una cantidad de fluido atrapado en un mineral en el momento de su cristalización. Esta inclusión preserva las condiciones en cuanto a temperatura, composición y densidad del fluido atrapado. Una inclusión fluida puede ser considerada como un defecto dentro de un cristal. En una inclusión simple formada por un líquido acuoso y un vapor, son dos los parámetros básicos a determinar: Temperatura de homogeneización (T h ) y Temperatura de fusión del hielo (T f ). De acuerdo con el ambiente en que se formó la inclusión, ésta puede contener (aparte de un fluido acuoso con distintas relaciones de líquidovapor): gases, hidrocarburos en dos fases, cristales hijos formados por la alta concentración de la salmuera, cristales huéspedes, etc. (Fig. 1). 1 Gerencia de Geotermia, del Instituto de Investigaciones Eléctricas. 2 Gerencia de Proyectos Geotermoélectricos, Comisión Federal de Electricidad. Un estudio microtermométrico aporta evidencias sobre la historia de distintos eventos en diversos ambientes geológicos que ocurrieron durante la cristalización de un mineral, ya que los fluidos en una inclusión proveen información sobre la temperatura, presión, densidad y salinidad del fluido en el momento de su atrapamiento. 95

2 Boletín IIE Figura 1. Ejemplo de una inclusión multifásica. Temperatura de homogeneización Si originalmente se atrapa un líquido homogéneo (L) a cierta presión y temperatura, al enfriarse se mantiene en el diagrama de fases del H 2 O a lo largo de una línea de isodensidad, hasta interceptar la línea líquido vapor, donde se origina una burbuja (L+V) continuando su enfriamiento por la línea de fase líquido - vapor. Figura 2. Trayectoria de un líquido (L) atrapado en una inclusión fluida (V= vapor), al descender la temperatura en el diagrama de fases de H 2 O. Si bajo el microscopio se observa una inclusión fluida con líquido + vapor, el proceso se puede revertir calentando la inclusión, hasta el punto en que desaparece la burbuja, y a la temperatura en la que ésta desaparece se le llama temperatura de homogenización T h ), la cual se interpreta como la mínima temperatura a la que ocurrió el atrapamiento del fluido hidrotermal, la cual es menor que la temperatura verdadera, ya que no se conoce la presión a la que fue atrapada. Si se atrapa una inclusión únicamente con vapor (V), la inclusión se enfriará a lo largo de una línea casi paralela con el eje de la temperatura y aparecerá líquido al interceptar la línea de fase líquido vapor (L+V). Si el mineral se depositó en condiciones de ebullición del fluido hidrotermal en el diagrama de fases del H 2 O, esta situación corresponde a una posición en la línea de fase líquido vapor y las inclusiones mostrarán distintas proporciones de líquido y vapor. Si corresponden al mismo proceso mostrarán la misma T h. Figura 3. Trayectoria de una inclusión en fase vapor al descender la temperatura. Figura 4. Trayectoria de un fluido de dos fases al descender la temperatura. 96

3 Temperatura de fusión del hielo Los fluidos hidrotermales son, en general, soluciones salinas formadas principalmente por Na, K, Ca, Mg, Cl y SO 4 y en menor cantidad otros iones. Siendo los mayoritarios Na y Cl, universalmente se ha representado la salinidad de una inclusión en función de NaCl. Para estimar la salinidad de una inclusión se recurre a una propiedad coligativa, ésta es la depresión del punto de congelación en una solución agua-nacl; así, en cuanto aumenta la salinidad de la solución, disminuye su punto de congelación. Por lo tanto, congelando la inclusión y determinando la temperatura de fusión del hielo se obtiene, por medio del diagrama de fases H 2 O-NaCl, una estimación de la salinidad del fluido dentro de la inclusión. Para determinar la temperatura de fusión se congela la inclusión con nitrógeno líquido, mucho más allá de la temperatura de solidificación. Posteriormente se calienta gradualmente y en forma controlada, hasta llegar al punto en que el hielo comienza a fundirse. Esta temperatura corresponde a la composición del eutéctico de 23.3% NaCl. Cuando desaparece el último cristal de hielo se registra la temperatura con la que, de acuerdo con el diagrama H 2 O-NaCl, se estima la salinidad relativa del fluido en % peso equivalente de NaCl. Existen varias fórmulas para calcular la salinidad, una de las más comunes está dada en Hall et al, En inclusiones fluidas saturadas que contienen fases sólidas de sales, se calienta hasta disolver la fase sólida y con la temperatura a la que se disuelve el último cristal de sal, se determina la salinidad. Geobarometría de inclusiones fluidas Existen varios razonamientos para estimar la presión de atrapamiento, asumiendo condiciones de presión hidrostática (sistema hidrológico abierto hacia la superficie). La evidencia de ebullición es la coexistencia de inclusiones fluidas ricas en líquido con inclusiones ricas en vapor y ambas deberán homogeneizarse dentro de un mismo rango de temperatura, tanto a líquido como a vapor respectivamente. Cuando existe ebullición, la presión de vapor puede usarse para estimar la profundidad de atrapamiento (presión). Sin embargo, en la mayoría de los estudios de inclusiones fluidas (en realidad casi todos) la presión no se determina a partir de inclusiones fluidas. Muchas inclusiones son atrapadas a presiones mayores que su presión de vapor y generalmente la presión a la que esto ocurrió se determina a partir de evidencias geológicas, independientes de la profundidad. Se considera que la geobarometría de inclusiones fluidas es poco precisa y no es exacta, ya que algunos de los métodos comunes usados para determinar presión de inclusiones fluidas, dan valores de presión erróneos (Roedder, 1984). Por otra parte, la densidad del fluido atrapado en una inclusión fluida, puede derivarse de las relaciones de fase y la temperatura de homogenización de la inclusión. Ésta es la única manera de estimar la densidad del fluido hidrotermal que circuló durante la formación de un depósito mineral. Un método para estimar la densidad de las inclusiones fluidas, utilizando la temperatura de homogeneización, se basa en las ecuaciones de Zhang y Frantz (1987). En conclusión se puede decir que en la práctica, un estudio microtermométrico aporta evidencias sobre la historia de distintos eventos en diversos ambientes geológicos que ocurrieron durante la cristalización de un mineral, ya que los fluidos en una inclusión proveen información sobre la temperatura, presión, densidad y salinidad del fluido en el momento de su atrapamiento. A continuación se presentan en forma resumida, algunos resultados del estudio microtermométrico realizado en rocas de dos pozos del campo geotérmico de Las Tres Vírgenes, BCS. El campo geotérmico de Las Tres Vírgenes, BCS Generalidades El campo geotérmico de Las Tres Vírgenes se encuentra localizado en la parte NE del estado de Baja California Sur, aproximadamente a 46 km al norte de la población de Santa Rosalía. Es uno de los cuatro campos que se encuentran en operación en la República Mexicana, con una capacidad instalada de 10 MWe. 97

4 Boletín IIE Los estudios de soporte para la valoración del recurso geotérmico se iniciaron en 1982, e incluyeron geología, geofísica y geoquímica, y se encuentran en su mayoría, en documentos internos de la Comisión Federal de Electricidad (CFE). Siendo la permeabilidad de las rocas uno de los factores que favorecen la interacción agua - roca y en consecuencia la formación de minerales hidrotermales, la baja permeabilidad primaria ha contribuido a la baja alteración de las rocas. Otros estudios más recientes han sido realizados por distintos grupos de investigación. En 1988 se perforó el primer pozo exploratorio, LV-2, del cual se cuenta con estudios multidisciplinarios realizados por diversas instituciones, entre ellos un estudio microtermométrico realizado por el Instituto de Investigaciones Eléctricas (IIE). Como resultado de la integración de diversos estudios geológicos, para este campo geotérmico se han identificado 5 unidades litológicas de espesor variable. Los fluidos geotérmicos están contenidos en la unidad más profunda, constituida por granodioritas de biotita y hornblenda, la cual se caracteriza por su baja permeabilidad (Viggiano, 2000). Estudios petrofísicos a distintas profundidades de los pozos LV-4, LV-5, LV-7 y LV-8, confirman la ausencia de permeabilidad primaria, excepto para los conglomerados y lavas andesíticas (Contreras E., 1996 y Contreras E. y Pablo M., 1998). Metodología de estudio En niveles profundos > 1,000 m, la baja intensidad de la alteración en la granodiorita de biotita y hornblenda está caracterizada por el reemplazamiento como principal mecanismo de alteración hidrotermal, evidenciando la baja movilidad del fluido hidrotermal. Siendo éste el principal mecanismo, la depositación de minerales es casi nula, por lo que el material resulta ser pobre para el estudio, sin embargo, con el equipo empleado ha sido posible la obtención de datos microtermométricos. En el estudio realizado (Izquierdo, 2006), la mayoría de las muestras estudiadas fueron cuarzos ocupando pequeños espacios entre cristales primarios, generalmente feldespatos, unidos por fino cementante. En muchos casos, los cuarzos mostraron bajo grado de cristalinidad, lo que dificulta la visibilidad de los cambios en las inclusiones, tanto en enfriamiento como en calentamiento. En la Gerencia de Geotermia, el laboratorio de microtermometría (Fig. 5) cuenta con una platina de calentamiento-enfriamiento Linkam, modelo 600, instalada en un microscopio Olympus, equipado con un objetivo de larga distancia de trabajo de 40x y una cámara digital Media Cybernetics. El control de temperatura y captura de datos se realiza empleando el programa Linksys 32. La verificación de la calibración de la platina se realiza empleando inclusiones fluidas sintéticas (Fluid inclusions, Pearland TX 77584, USA). La salinidad y la densidad del fluido atrapado se determinaron empleando el programa PVTX software modelling de Linkam. Figura 5. Laboratorio de microtermometría de la Gerencia de Geotermia Resultados La ocurrencia de inclusiones fluidas en los dos pozos se observó en cuarzos incoloros, poco traslúcidos, los cuales se encontraron rellenando pequeñas cavidades o huecos entre cristales de minerales primarios. Un reto ha sido la selección y preparación de los especímenes para el estudio, los cuales, a pesar de su diminuto tamaño, se pulieron en al menos una de sus superficies (Fig. 6). En general, el tamaño promedio de las inclusiones es de 1 µ. La mayoría de las inclusiones fluidas estudiadas son inclusiones secundarias, pues se observan en familias en planos a distintos niveles o siguiendo la dirección de crecimiento de la masa cristalina, o bien alineadas en microfracturas. Se han considerado inclusiones primarias aquéllas que se observaron aisladas, de mayor tamaño y con T h mayor que las que se encontraron alineadas en familias, indicando posiblemente una etapa de cristalización diferente. Las inclusiones fluidas estudiadas son de dos fases, del tipo L-V (líquido vapor) con mayor proporción de 98

5 Figura 6. Tamaño de los fragmentos que contienen inclusiones fluidas en muestras de Las Tres Vírgenes. Figura 7. Fragmento del pozo LV-11 a 1,900 m de profundidad, mostrando inclusiones multifásicas. líquido. Se estima una proporción relativa de la fase vapor entre 20% y 30%, respecto al tamaño de la inclusión. Únicamente en el pozo LV-11 a una profundidad de 1,900 m, se observó una inclusión con tres fases, posiblemente CO 2 una de ellas. Figura 8. Inclusiones fluidas en un fragmento del pozo LV-13 (a) 1402 m y (b) a 1,707 m. (a) La fracción de CO 2 debe de ser muy pequeña, ya que no se observó la formación de clatratos (hidratos en el diagrama CO 2 -H 2 O). Para el pozo LV-11 fueron menos los datos obtenidos en comparación con el pozo LV-13, ya que la alteración es menor y el tamaño tan pequeño de los fragmentos dificultaron la selección y su preparación. En cambio los recortes de perforación del pozo LV-13 presentaron mayor alteración y por lo tanto mayor probabilidad de seleccionar minerales secundarios que mostraron buen número de inclusiones, por lo regular secundarias. La Fig. 8 muestra un espécimen del pozo LV-13. (b) Los datos obtenidos por microtermometría se presentan en tablas con la identificación de la muestra y los cálculos correspondientes: No. de inclusiones Tipo de inclusión T h ºC T f ºC % en peso eq. de NaCl Densidad 5 secundaria secundaria secundaria Una aplicación directa de los datos de temperatura de homogeneización es su uso como geotermómetro. En la Fig. 9 se presenta el perfil de temperatura para el pozo LV-11 con distintos tiempos de reposo (datos proporcionados por la CFE). En esta figura se observa que los datos de T h están ligeramente arriba (20ºC - 40ºC) del perfil térmico a mayor tiempo de reposo, lo que podría significar un leve enfriamiento respecto al tiempo, o bien, pese al tiempo de reposo no ha alcanzado el equilibrio térmico con la formación. 99

6 Boletín IIE Figura 9. Perfiles de temperatura para el pozo LV-11, incluyendo temperaturas de homogeneización. La Fig. 10 muestra perfiles de temperatura para el pozo LV-13 y los datos de T h. Las cruces corresponden a T h de inclusiones secundarias, las estrellas corresponden posiblemente a inclusiones primarias. En general, los dos tipos de inclusiones proporcionan datos que siguen el perfil térmico del pozo, aunque las inclusiones primarias muestran una temperatura más alta, lo que indica la ocurrencia de varios eventos térmicos. Un par de datos muestran T h semejante al perfil T11, éstos pudieran corresponder a otro evento, o bien, pudieran ser simple contaminación de recortes de profundidad más somera. La información no es suficiente para hacer mayores conclusiones, simplemente se demuestra la aplicación directa de la T h. Conclusiones En cuanto a la aplicación directa de un estudio microtermométrico, éste puede ser realizado al tiempo en que se lleva a cabo la perforación de un pozo, ya que proporciona información inmediata de los procesos que han ocurrido y que pueden ser indicadores de zonas de interés. Figura 10. Perfiles de temperatura con distintos tiempos de reposo para el pozo LV-13. Incluye las T h determinadas en este estudio. Siendo los resultados producto de un proyecto de servicio, no se cuenta con mayor información para realizar una interpretación integral. Sin embargo, su aplicación directa como geotermómetro se muestra al incluir datos de T h con los perfiles de temperatura para los pozos LV-11 y LV-13. De las muestras estudiadas se determinó la temperatura de homogeneización y la temperatura de fusión del hielo; por el tamaño de las inclusiones, esta última no siempre pudo ser determinada. La capacidad del equipo queda demostrada al obtener datos en inclusiones con tamaño inferior a 2 μ. Agradecimientos En este artículo se presentan algunos de los resultados obtenidos en el proyecto Microtermometría de inclusiones fluidas de los pozos LV-11 y LV-13 del campo geotérmico de Las Tres Vírgenes, BCS, México, el cual es parte de los trabajos de exploración que realiza la Gerencia de Proyectos Geotermoélectricos (GPG) de la CFE en este campo. Los autores de este artículo expresan su agradecimiento al personal de la GPG por su apoyo y colaboración durante la ejecución del proyecto, y particularmente a la MC Magaly Flores Armienta por autorizarnos incluir resultados en este trabajo. 100

7 Referencias Contreras E Mediciones petrofísicas en muestras de perforación de los pozos EAZ1, EAZ2, LV4 y LV7. Instituto de Investigaciones Eléctricas, México. Informe Interno IIE/11/10936/I 01/P/1996. Contreras E. y García M Mediciones petrofísicas en muestras de los fragmentos de los núcleos de perforación LV-5, LV-8A y LV-8B. Instituto de Investigaciones Eléctricas, México. Informe Interno. Contrato No. GPG/ LIR/CPS/006/98. Georgina Izquierdo Montalvo, Proyecto Estudio microtermométrico de inclusiones fluidas en los pozos LV-11 y LV-13 del campo geotérmico de Las Tres Vírgenes B.C. IIE/11/13122/01/F. Hall D. L., Sterner M. S., y Bodnar R. J Freezing point depression of NaCl-KCl-H 2 O solutions. Economic Geology. 83, 1, Roedder E Fluid Inclusions. Vol. 12. Reviews in mineralogy. (Paul H. Ribbe, ed.). Mineralogical Society of America. Viggiano Guerra Julio César, Estudios petrográficos elaborados en el pozo LV-11 del campo geotérmico de Las Tres Vírgenes, BCS. Informe DEX-TV-026/2000. Comisión Federal de Electricidad. GPG, Subgerencia de Estudios, Departamento de Exploración. Zhang Y. y Frantz J. D Determination of the homogenization temperature and densities of supercritical fluids in the system NaCl KCl CaCl 2 H 2 O using synthetic fluid inclusions. Chem. Geol. 64, 3-4, Lecturas recomendadas: Roedder E. (1984). Fluid Inclusions. Vol. 12. Reviews in mineralogy. (Paul H. Ribbe, ed.). Mineralogical Society of America. Sheperd T. J., Rankin A. H. y Alderton D. H. M. (1985). A practical guide to fluid inclusion studies. Blackie and Son Limited. GEORGINA IZQUIERDO MONTALVO [gim@iie.org.mx] Egresada de la Facultad de Química de la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM) en Doctorada en Química del Estado Sólido, por la Universidad de Aberdeen, Escocia en Trabajó como ayudante de investigador en la Facultad de Ciencias y en la Facultad de Química de la UNAM, de 1976 a Ingresó al Departamento de Geotermia del Instituto de Investigaciones Eléctricas (IIE) en mayo de Ha realizado proyectos dirigidos a contribuir en la solución de problemas relacionados con la exploración, caracterización y evaluación de recursos geotérmicos. Es facilitadora de Calidad de la Gerencia de Geotermia y responsable del proyecto de acreditación de dos laboratorios de la misma. Es jefe de proyecto y responsable de los estudios geológicos y microtermométricos de inclusiones fluidas en ambientes hidrotermales. Ha publicado artículos en revistas especializadas y en memorias de conferencias. Ha realizado diversas estancias en el extranjero y ha participado en congresos internacionales de relevancia en las áreas de su especialidad. Es miembro del comité editorial de The open current journal. Es miembro del Sistema Nacional de Investigadores (SNI) desde la primera generación en 1984 y actualmente tiene el Nivel II. ALFONSO ARAGÓN AGUILAR [aaragon@iie.org.mx] Ingeniero Petrolero egresado de la Facultad de Ingeniería de la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM) en Maestro en Ciencias de Ingeniería Mecánica por el Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico (CENIDET) en Doctorado en Ingeniería Mecánica (opción Termofluidos) en el CENIDET en Trabajó en la Gerencia de proyectos Geotermoeléctricos de la CFE de 1978 a Investigador del Área de Geotermia del Instituto de Investigaciones Eléctricas (IIE) a partir de Participó en los proyectos de desarrollo de la sonda METRE y la sonda SLIMETRE que es una versión adaptada a las condiciones dominantes en pozos petroleros, así como en proyectos de análisis y simulación de los yacimientos geotérmicos de Cerro Prieto, Los Azufres y Los Humeros, pertenecientes a la Gerencia de Proyectos Geotermoeléctricos de la CFE. Es autor de más de 50 artículos internacionales relacionados con el comportamiento de yacimientos. Ha impartido cursos y conferencias sobre análisis y simulación de yacimientos. Ha dirigido ocho tesis de licenciatura y ha fungido como árbitro de la revista Geotermia. Pertenece al Sistema Nacional de Investigadores. 101