Tema 10_Prospección Geotérmica

Cátedra de Geofísica Aplicada, U.N.P.S.J.B., Chubut, Argentina. Tema 10 Prospección Geotérmica Chelotti, L., Acosta, N., Foster, M., 2009

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PROSECCIÓN GEOTÉRMICA

Los primeros aprovechamientos de aguas termales para calefacción y baños públicos datan de los tiempos de Griegos y Romanos. Los hamams (baños turcos) fueron popularizados en Anatolia durante el Imperio Otomano y desde el siglo XVIII se explotaron en Italia los soffioni (venteos de vapor de agua hirviente) para la obtención de ácido bórico y amoníaco. El Conde de Rumford (Benjamin Thompson) hacia 1800 y James Joule hacia 1850, ambos en Gran Bretaña, fueron los primeros en comprender los procesos calóricos de la materia.

A partir de datos de perforaciones es conocido el hecho de que la temperatura se incrementa en alrededor de 3,3ºC cada 100 metros a medida que se profundiza, lo cual fue medido en un pozo por primera vez por el Lord Kelvin (William Thomson, británico) en 1869. Este valor medio se va reduciendo en función del incremento de profundidad, como resultado de lo cual se estima una temperatura de unos 1400ºC en la base de la litosfera y del orden de los 5000ºC en el centro de la Tierra. El gradiente de temperatura terrestre es conocido como gradiente geotérmico (de thermós, caliente en griego):

G = dT/dz o bien, integrando: G = Tf-Ts / z (si tenemos las temperaturas de superficie y fondo de pozo y su profundidad z)

G puede variar significativamente en la corteza según las condiciones geológicas presentes, sobre todo en continentes (por tipos de roca, fenómenos de oxidación, yacimientos radiactivos, acuíferos en movimiento, glaciaciones, cercanía de lagos, tasa de sedimentación o erosión, etc.) yendo desde 0,05 hasta 0,55ºC/m y en sectores de actividad volcánica puede ser bastante superior. Es más homogéneo en los fondos marinos. También varía con la profundidad, definiendo una geoterma (curva de gradiente geotérmico) característica de cada lugar, cuya mensura se denomina geotermometría. A partir de los estudios pioneros del escocés James Maxwell (1871) en relación con la segunda ley de la termodinámica, puede definirse el flujo total de calor que asciende hacia la superficie en cada sitio como una cantidad denominada flujo calórico o térmico:

Q = k .dT/dz es decir, el producto del gradiente geotérmico por una constante k (que recibe el nombre de conductividad térmica) cuya magnitud varía según la constitución de las rocas y sus contenidos porales.

Despejando, k = Q .dz/dT

Entonces, si se toma un gradiente de temperatura igual a 1, resulta k = Q, lo que en unidades del SI significa que la conductividad térmica es la cantidad de calor que fluye en un segundo a través de un área de un metro cuadrado en un lugar en el que el gradiente es de 1ºC/m. De hecho las unidades en el SI quedan finalmente en: ºC/m para G, W/ºCm para k, W/m2 para Q

También se utiliza para Q el HFU (Heat Flow Unit) = 40 mW/m2 (recordar que W = J / s y que J = N. m)

En el sistema CGS, G se da en ºC/cm, k en ucal/ºC cm s, y Q en ucal/cm2 s (una caloría es la cantidad de calor requerida para elevar en 1ºC 1gr de agua, o bien 4,186 J).

Flujo Térmico en la Tierra Sólida

Si bien la energía solar recibida es cuatro órdenes de magnitud mayor que la energía geotérmica total, la mayor parte es vuelta a irradiar (albedo) y, si bien la porción retenida es todavía muy significativa, ésta sólo controla


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los procesos a nivel de la atmósfera e hidrósfera. La razón por la que su influencia en la corteza terrestre resulta despreciable es la muy baja conductividad térmica de las rocas. Las variaciones diurnas de temperatura afectan sólo hasta unos 20 cm (menos de 1ºC a 1 m de profundidad), las variaciones estacionales influyen hasta pocos metros bajo tierra y a pocas decenas de metros los cambios llegan con más de un año de retraso.

Es por esto que el gradiente geotérmico obedece casi exclusivamente al flujo térmico del calor interno del planeta y su propagación se efectúa por conducción, convección o advección.

La propagación por conducción (interacción electromagnética a nivel molecular) ocurre en el núcleo interno y en la corteza terrestre, aunque también en el núcleo externo y manto. Los procesos de convección (movimiento masivo de las moléculas mismas por calentamiento o enfriamiento) son los encargados de incrementar en varios órdenes de magnitud la propagación térmica en el núcleo externo (de comportamiento fluido) y en el manto (plástico) con un sistema convectivo muy eficiente hasta los 670 km de profundidad y otro mucho más viscoso y lento en el manto inferior. La advección es un modo especial de convección, cuando una región es levantada por eventos tectónicos y acerca a la superficie rocas cuyas temperaturas corresponden a zonas más profundas, las cuales toman un largo tiempo en equilibrar sus valores térmicos. (El proceso de propagación térmica por radiación electromagnética sólo se da en las envolturas fluidas de la Tierra en las que domina la energía solar, esto es, atmósfera e hidrósfera, donde suceden también la convección y la advección).

A la derecha, gráfica de temperatura estimada del interior terrestre. La curva solidus indica la temperatura de fusión, que naturalmente se cruza con la de temperatura estimada en el núcleo externo. Abajo el mapa de flujo térmico superficial a escala global, donde se han omitido detalles de cada región de la Tierra.

Las causas del calor interno del planeta son:

-El calor original, en progresiva disminución, debido a la energía de la acreción gravitacional durante la formación del planeta, a lo que se sumó el posterior movimiento de elementos pesados, como el hierro, hacia el centro de la Tierra, fenómeno bautizado como “la catástrofe del hierro”. Representa el 20% del total actual.

-El flujo térmico debido a la desintegración de minerales radiactivos (principalmente U, Th y K), que se estima haya sido 3 ó 4 veces superior en tiempos primigenios, correspondiendo el 17% del total a emisión cortical y sólo el 20% a emisión desde el núcleo de la Tierra. Actualmente es responsable de más del 70% del calor total producido.

-La energía térmica provocada por el hundimiento por densidad diferencial posterior a la permanente cristalización gradual de minerales del núcleo.

-La energía generada por el efecto de frenado gravitacional con la Luna y en menor medida con el Sol (mareas terrestres) que produjo el incremento del período de rotación de la Tierra.


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Medición del Gradiente Geotérmico

Pueden utilizarse termómetros de mercurio (con registro de temperatura máxima), pero lo más común es el uso de termistores (diafragma termoneumático con lectura dada por una célula fotoeléctrica). Los fondos marinos usualmente están cubiertos por sedimentos blandos por lo cual, salvo casos excepcionales, no se utiliza un equipo de perforación especial, sino sondas que se dejan caer libremente por su propio peso y penetran algunos metros, para así obtener al menos dos datos de temperatura, uno en el extremo inferior y otro más arriba, y de ello calcular un gradiente. La sonda de Maurice Ewing (a la derecha) es una de las más conocidas. (Ewing y Heezen en 1953 descubrieron la Dorsal Centroatlántica.) En continentes se pueden hacer mediciones en pozos perforados a tal fin, los que por motivos de costos normalmente son de escasa profundidad. Es usual taladrar pozos a una profundidad de entre 2 y 5 metros en forma manual o más raramente perforar decenas de metros con equipos especiales. En ellos se suele introducir una delgada sonda de acero (1 a 2 cm de diámetro) por la que se bajan los termistores a diferentes profundidades, rellenándose el espacio anular remanente con los sedimentos del lugar. Debe esperarse suficiente tiempo para que las temperaturas alcancen su máximo, equivalente al estado de terreno virgen, o bien hacerse las correcciones que correspondan.

En todos los casos el incremento de confiabilidad en los valores puede conseguirse con la repetición de las mediciones, además de los lógicos recaudos de buen funcionamiento de la técnica utilizada. Otra opción, válida tanto en continentes como en mares, es valerse de perforaciones que se realizan con otros fines, sea hidrológicas, mineras, petroleras, etc. El caso más habitual es el de los pozos petroleros donde se pueden tener datos de temperaturas de ensayos de formación, o bien desde los perfilajes, a veces en varios tramos, e incluso mediante un registro corrido en el sondeo a tal fin.

Ensayos: Arrojan valores similares a los del terreno virgen, dado que se aisla un tramo de pozo a fin de permitir el aporte de fluidos formacionales que luego de un corto tiempo salen con la temperatura original, ya sin la disminución provocada por el lodo de perforación.

Perfilaje: Las temperaturas de fondo de pozo que se obtienen en cada carrera con un termómetro (con registro de máxima) siempre miden por defecto, dado el enfriamiento que el lodo ha producido en el pozo durante la perforación. Si bien durante el perfilaje la circulación se ha detenido, toma muchas horas volver a los valores de terreno virgen a lo largo del pozo. Es por esto que en cada carrera sucesiva se verá un incremento de temperatura mientras no se baje la sarta de perforación para volver a circular lodo.


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En este caso se puede graficar temperatura de fondo versus tiempo transcurrido desde que se paró de circular y construir aproximadamente la curva de recuperación térmica que tiende asintóticamente al valor original en roca virgen (figura precedente). Así, para obtener el gradiente geotérmico debemos restar a esa temperatura original estimada la temperatura media anual del lugar y dividir por la profundidad del pozo. Pero si en cambio tenemos sólo un valor de temperatura de perfilaje (porque sólo se hizo una carrera) entonces para tener un gradiente aproximado corresponde dividir por la temperatura al momento del perfilaje (si es que se tiene el dato) dado que el valor de fondo está más influenciado por la temperatura a la que se enfría el lodo en superficie que la media anual. Pero este resultado dará un gradiente menor al real (en el orden de los 0,005”C/m en menos).

Datos por Tramos: Si un pozo se ha perforado en dos o tres tramos (con entubación y reducción de diámetro de trépano en cada parte) seguramente se habrán hecho carreras de perfilaje en cada uno de esos tramos y por lo tanto se tendrán temperaturas de dos o tres fondos distintos y con ellas se podrán calcular dos o tres gradientes desde superficie hasta cada una de tales profundidades, o bien los gradientes para cada tramo individual. Si se hacen estos cálculos usualmente se comprobará que el gradiente puede variar de un tramo a otro, lo cual es función de diversos factores litológicos, hidrodinámicos, etc. Esto dará una geoterma característica del sitio donde se ha perforado el sondeo.

Perfil de Temperatura: También pueden efectuarse perfilajes de temperatura, los cuales van arrojando valores a pequeños intervalos de profundidad y así se obtendrá toda una curva de variación del gradiente con la profundidad, aunque estos valores también estarán afectados por el enfriamiento debido al lodo de perforación. Medición de la Conductividad Térmica

Pueden obtenerse valores de conductividad térmica de tablas para distintas litologías en diferentes condiciones de yacencia, pero el margen de error puede ser grande. También se pueden tomar valores de áreas aledañas si la columna litológica es suficientemente parecida. Lo más recomendable es obtener muestras de las rocas –al menos de las más representativas o abundantes en la zona en estudio- y calcular en laboratorio su conductividad térmica con dispositivos como el del inglés C. Lees (1892), mejorado por el australiano A. Beck (1957), que se esquematiza en la siguiente figura a la izquierda.


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En los continentes y también en el fondo del mar pueden utilizarse sondas tipo aguja que pueden atravesar sedimentos duros, se le transmite una predefinida cantidad de calor y se mide el aumento de temperatura mediante un termistor incorporado a la aguja, como se ve en la figura anterior a la derecha. A continuación una lista de valores de conductividad térmica de ciertas rocas, sedimentos, minerales y fluidos, variables pero notoriamente más bajos que el valor de referencia citado: el cobre.

Cálculo del Flujo Calórico

Una vez obtenidos datos de gradiente de temperatura y de conductividad térmica se puede calcular el flujo térmico o calórico, sea como estimación general o bien con valores mapeables. La representatividad de los resultados estará en función de la abundancia y certidumbre de los datos utilizados. A escala global, debido al ascensomantélico que las genera, las dorsales oceánicas son las regiones de mayor flujo calórico, como se ilustra en la figura a la derecha. Pero otras regiones también son relevantes, como las zonas de convergencia entre placas tectónicas y los puntos calientes (hot spots) en los que ascienden lavas desde zonas profundas del manto terrestre. Sobre los continentes en general el flujo térmico es menor, pero existen numerosas zonas en las que éste es muy significativo.


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Anomalías Geotérmicas

Las anomalías de alto flujo térmico pueden tener un origen químico, radiométrico, mecánico o más frecuentemente magmático, pero la presencia de vías preferenciales de propagación del calor –como rocas permeables o fracturas abiertas- también influyen en la magnitud relativa de su manifestación subsuperficial. Existen yacimientos geotérmicos abiertos (con aguas termales superficiales, fumarolas, geisers u otras manifestaciones volcánicas) y yacimientos cerrados, a los que sólo se alcanza mediante perforaciones de las cuales se obtiene agua caliente o vapor. La estructura y geodinámica terrestre definen dos clases de regiones que determinan sendas formas principales de explotación de la energía geotérmica. La primera corresponde a regiones donde la corteza posee un comportamiento relativamente estable, como el que ofrecen las plataformas continentales. En ellas existen áreas semitérmicas que presentan concentración de calor con flujos que tienen gradientes del orden de los 30 a los 50º C por kilómetro de profundidad. Si en estas regiones hay estructuras favorables y se las perfora adecuadamente, se pueden obtener fluidos de moderada temperatura, de unos 50 a 100º C. Los reservorios están constituidos por formaciones permeables -con buena porosidad primaria o con procesos secundarios de fisuración o disolución- que contienen agua líquida o vaporizada, usualmente cargada de sales y distintos gases. Se los conoce como yacimientos cerrados o de baja entalpía (bajo intercambio energético). Abarcan vastas zonas del planeta y casi siempre se trata de cuencas sedimentarias vinculadas con zonas fracturadas por donde ascienden a las aguas que se calentaron por efecto de anomalías térmicas de origen profundo. La segunda clase abarca las zonas activas, ubicadas en los límites de placas, divergentes, convergentes o transcurrentes. El emplazamiento de cámaras magmáticas a niveles poco profundos de la corteza permite la concentración de flujo de

calor, incrementándose el gradiente geotérmico hasta valores muy altos, con temperaturas de 150 a 300º C a profundidades de 500 a 2000 m. Conforma los yacimientos abiertos o de alta entalpía y, aunque sólo se limita a ciertos sectores de la corteza, su interés económico es mayor, dada la alta transferencia de calor y su accesibilidad. De este tipo son las manifestaciones geotérmicas como las del parque nacional de Yellowstone en los Estados Unidos. La propagación del calor acumulado puede alcanzar zonas de gran contenido hídrico y producir la consiguiente transferencia energética a la masa ácuea, dando origen a la conformación de reservorios naturales. Las profundidades de interés van de 500 a 2000 metros y el rango de temperaturas entre 150 y 300º C. El aprovechamiento de estos flujos térmicos deriva en distintas aplicaciones prácticas rentables. Pero, incluso si esto último no ocurre, la sola variación del gradiente geotérmico puede ser indicación de diversas situaciones de interés prospectivo.


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Prospección Geotérmica

En primera instancia, las anomalías térmicas pueden estudiarse con objetivos académicos a fin de obtener un mejor entendimiento de la geología y pueden con ello llegar a contribuir indirectamente a diversas aplicaciones prácticas. Pero también puede buscarse una aplicación directa. Debe tenerse presente que para muchos fines prospectivos es suficiente con un mapeo de gradientes geotérmicos relativos, es decir que, como en otros métodos geofísicos, se puede prescindir de valores absolutos, dado que lo más significativo es disponer de los datos de variaciones térmicas areales (o verticales en un pozo). En otras palabras, los errores del método pueden no invalidar el trabajo siempre que sean más o menos constantes o la magnitud de su variación esté por debajo de las diferencias de magnitud de interés prospectivo. Un campo geotérmico es un sistema natural que permite la extracción de aguas a alta temperatura y se compone de una fuente térmica, un reservorio, una recarga hídrica y un sello. Las aplicaciones económicas se valen de perforaciones para el aprovechamiento industrial de sus minerales disueltos, calefacción, explotaciones turísticas (balneología), generación de energía eléctrica, uso energético de reservorios de roca seca y caliente, etc. La primera central geotérmica comenzó a funcionar en 1913 en Larderello (Toscana, Italia) y los Estados Unidos hicieron lo propio años más tarde en la zona de geyseres de California. También Filipinas, México, Japón y Nueva Zelanda tienen importantes aprovechamientos. E Islandia (foto siguiente a la derecha) se encuentra en un 99% calefaccionada geotérmicamente. En Argentina, en el campo geotérmico Copahue (foto a la izquierda), fue puesta en funcionamiento en 1988 una central piloto que genera energía eléctrica mediante el empleo de vapor de agua del subsuelo. Hay tres pozos perforados y se calefaccionan las viviendas y la calle principal del poblado. Corresponde a un área de alta entalpía.

En la prospección de campos geotérmicos pueden emplearse métodos electromagnéticos de corrientes naturales (magnetotelúricos), en función de modelos de conductividad eléctrica contrastante entre las rocas con fluidos líquidos y aquellas con vapor. También se puede recurrir a la sismicidad natural -si, como suele suceder, el yacimiento geotérmico se encuentra emplazado en un área sísmicamente activa-. En este caso la indicación de su existencia viene dada por la atenuación de las ondas cuando éstas deben atravesar reservorios de vapor, tal como se puede ver en el


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modelo de la figura a la derecha, en California, que fue construido en base a este tipo de información. Luego, en exploración avanzada, suelen hacerse pozos de gradiente a unos 100 metros de profundidad para definir el área de mayor interés. La anomalías geotérmicas también pueden tener vinculación con la presencia de ciertas mineralizaciones de interés prospectivo, además de los minerales que pueden contener sus aguas. En el caso de los yacimientos petrolíferos, éstos suelen relacionarse con incrementos geotérmicos, debido a que las vías migratorias de los hidrocarburos son también eficientes conductos de calor. Un mapeo geotérmico puede ayudar a decidir dónde perforar en busca de petróleo y gas.


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El ejemplo de la página precedente muestra la coincidencia aproximada entre la ubicación del área de yacimiento de San Sebastián y la zona de máximo térmico superficial (obtenido de datos de sondeos de sólo 2 metros, corregidos por la curva de variación estacional con la profundidad, como puede verse). También, en un yacimiento en producción, pueden establecerse vínculos térmicos entre los reservorios de los distintos pozos, lo cual puede contribuir en un proyecto de recuperación secundaria u otras operaciones. El valor de gradiente geotérmico actual es asimismo un dato importante para retroproyectar los datos geohistóricos y ajustar los modelados geoquímicos de maduración y expulsión de los hidrocarburos desde las rocas madre hacia las rocas reservorio, en el sentido del ruso Nikolai Lopatin (1971). Las figuras siguientes ilustran información de un modelado para la zona central del flanco norte de la cuenca Golfo San Jorge. Se grafica la temperatura y reflectancia de vitrinita en un pozo, el mapa de gradiente en una zona en torno al mismo y la historia de madurez allí calculada.

En la página siguiente los mapas resultantes de un modelado geohistórico a escala de toda la cuenca, más el mapa de distribución de facies sedimentarias de la Fm Pozo D-129 (generadora) y su coetánea Fm Matasiete.


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Las dos últimas figuras muestran un corte sur-norte en el flanco norte central, con la cronología (timing) de generación y expulsión de hidrocarburos y el modelo geológico-térmico a tiempo actual.


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CUESTIONARIO BÁSICO

- Definir geoterma, conductividad térmica y flujo calórico.

- ¿De qué modos podemos medir gradientes y conductividades térmicas?

- ¿Cuál es el origen del calor terrestre, cómo se transmite y cómo varía hacia el centro del planeta?

- ¿Qué son los yacimientos geotérmicos abiertos y cerrados?

- Citar aplicaciones prospectivas de los datos geotérmicos.

- ¿Qué beneficios nos dan los datos geotérmicos en exploración y desarrollo petrolero?

BIBLIOGRAFÍA

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- Vericat Raga, J., 1962. Introducción a la Geofísica (p.61-79). Ediciones Omega.

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