UNIVERSIDAD ESTATAL A DISTANCIA VICERRECTORÍA ACADÉMICA ESCUELA DE CIENCIAS EXACTAS Y NATURALES MAESTRÍA EN MANEJO DE RECURSOS NATURALES CON ENFÁSIS EN GESTIÓN AMBIENTAL Prospección geotérmica sostenible en terrenos de inceptisoles y entisoles del Proyecto Geotérmico Las Pailas, volcán Rincónde la Vieja, Costa Rica Tesis presentada al Tribunal Examinador del Programa de Maestría de Manejo de Recursos Naturales de la Escuela de Ciencias Exactas y Naturales para optar por el grado de Magister Scientiae Edward Charles Hakanson Gregory San José, Costa Rica 2013 Prospección geotérmica sostenible en terrenos de inceptisoles y entisoles del Proyecto Geotérmico Las Pailas, volcán Rincón de la Vieja, Costa Rica Edward Charles Hakanson Gregory Maestría en el Manejo de los Recursos Naturales con Mención en Gestión Ambiental Universidad Estatal a Distancia Costa Rica [email protected] AGRADECIMIENTOS Agradezco primero a Dios por haberme dado la oportunidad, la inteligencia, y la perseverancia necesaria para llevar a cabo el presente trabajo. A mi esposa Mayra y mis tres hijos, Austin, Emily y Ariana, quienes durante este tiempo me han apoyado enormemente durante mis giras al campo y la redacción de esta tesis, además en la revisión de la misma. Gracias a la Universidad Estatal a Distancia por ofrecer la Maestría en el Manejo de los Recursos Naturales a modalidad de distancia, lo cual me ha permitido a mí y a otros la oportunidad de superarnos académicamente cuando las condiciones laborales no permiten llevar una Maestría presencial. Gracias a mi comité de tesis: Wagner Peña Cordero, PhD., Dr. Alfredo Mainieri Protti, Lolita Campos, PhD.,y Milena Berrocal Vargas, PhD.,por revisar este documento y realizar además de correcciones de índole ortográficas y gramaticales, también sugerencias que han fomentado el valor académico y científico de este documento. Al Sr. Henry Rivera Morales del Colegio de Licenciados y Profesores por la revisión filológica de esta tesis y a la Sra.Lidia Azofeifa por coordinar dicha revisión. Adicionalmente, agradezco a la Maestra Gabriela Jones por ayudarme a retomar esta tesis durante un momento difícil y a la Maestra Zaidett Barrientos Llosa por sus muchos comentarios y mejoras, principalmente en el ámbito del análisis estadístico realizado y de los análisis estadísticos que faltaban, además de la organización de esta tesis académica. A los Maestros Victor Hugo Méndez Estrada y HectorMiguel Brenes Soto, por revisar esta tesis y realizar sugerencias y aportes invaluables. DEDICATORIA Dedico el presente trabajo a mi esposa y tres hijos. Los amo con todo mi corazón. Todo el esfuerzo que involucró la actualización de este trabajo lo hice para que puedan tener un mejor futuro. Gracias, y que Dios les bendiga siempre. ÍNDICE DE CONTENIDO RESUMEN ........................................................................................................................ 1 ABSTRACT ....................................................................................................................... 2 1 MARCO TEÓRICO........................................................................................................ 3 1.1 La temperatura del suelo ........................................................................................ 5 1.1.1 Propiedades termo-dinámicas y físicas del suelo ............................................. 7 1.1.2 Variables ambientales .................................................................................... 11 1.2 Tipo de suelo ........................................................................................................ 15 1.3 Uso del suelo........................................................................................................ 16 1.4 Marco Geológico .................................................................................................. 19 1.5 Estado actual del uso del suelo ............................................................................ 24 2 INTRODUCCIÓN ........................................................................................................ 26 2.1 El Proyecto Geotérmico Las Pailas ...................................................................... 27 2.1.1 La Geotermia en Costa Rica .......................................................................... 27 2.1.2 Aspectos Legales de la Geotermia en Costa Rica ......................................... 29 2.1.3 Aspectos Legales de los Parques Nacionales de Costa Rica ........................ 30 2.1.4 Estudios Ambientales Realizados .................................................................. 30 2.1.5 Prospección Geotérmica Tradicional en el Campo Geotérmico Las Pailas .... 30 2.1.6 Estudios Previos Relacionados con la Medición de la Temperatura del Subsuelo Para la Prospección Geotérmica .................................................... 32 2.2 Hipótesis .............................................................................................................. 33 2.3 Objetivo General .................................................................................................. 34 2.3.1 Objetivos Específicos .................................................................................... 34 3 MATERIALES Y MÉTODOS ....................................................................................... 35 3.1 Área de Estudio .................................................................................................... 35 3.2 Ubicación de los puntos de observación............................................................... 38 3.3 Trabajo Realizado ................................................................................................ 39 4 RESULTADOS ............................................................................................................ 42 4.1 Temperatura media en los entisoles ..................................................................... 52 4.2 Temperatura media en los inceptisoles ................................................................ 55 4.3 Comportamiento de la onda térmica anual en los entisoles e inceptisoles ............ 56 4.4 Regresión lineal múltiple de los datos de la temperatura del subsuelo en los inceptisoles .......................................................................................................... 59 4.5 Distribución geográfica de la temperatura del subsuelo en los inceptisoles .......... 61 5 DISCUSIÓN ................................................................................................................ 63 6 CONCLUSIONES ....................................................................................................... 65 7 RECOMENDACIONES ............................................................................................... 68 8 COMENTARIOS FINALES .......................................................................................... 71 9 COMUNICACIONES PERSONALES .......................................................................... 75 10 REFERENCIAS CITADAS ........................................................................................ 76 11 ANEXOS .................................................................................................................. 83 ÍNDICE DE CUADROS Cuadro 1. Fases de exploración en el desarrollo de un proyecto geotérmico ................... 3 Cuadro 2. Tamices utilizados para la separación de granos según su diámetro en milímetros y tamaño Ø ..................................................................................... 9 Cuadro 3. Tipos de suelo y su densidad aparente.......................................................... 11 Cuadro 4. Órdenes de suelo en el área de estudio ........................................................ 15 Cuadro 5. Unidades geológicas en el área de estudio ................................................... 21 Cuadro 6. Diez países de mayor aprovechamiento de la energía geotérmica según uso para el año 2004 ..................................................................................... 26 Cuadro 7. Prueba Kruskal-Wallis para determinar la equivalencia de medias de la temperatura media anual del subsuelo en los entisoles e inceptisoles .......... 42 Cuadro 8. Datos generales de los puntos de observación.............................................. 44 Cuadro 9. Análisis descriptivo de la temperatura media anual del subsuelo y del aire en los entisoles ....................................................................................... 49 Cuadro 10. Coeficientes de correlación de Spearman para las variables ambientales de intervalo respecto a la temperatura media anual del subsuelo en los entisoles ........................................................................................................ 50 Cuadro 11. Análisis descriptivo de la temperatura media anual del subsuelo y del aire en los inceptisoles ......................................................................................... 52 Cuadro 12. Coeficientes de correlación de Spearman para las variables ambientales de intervalo respecto a la temperatura media anual del subsuelo en los inceptisoles .................................................................................................... 53 Cuadro 13. Resumen de los datos estadísticos generales de la temperatura del subsuelo en el área de estudio ...................................................................... 55 Cuadro 14. Datos generales de la temperatura media del subsuelo en los entisoles e inceptisoles durante los cuatro periodos de medición .................................... 56 Cuadro 15. Determinación del valor p para la oscilación de la temperatura del subsuelo durante los cuatro periodos de medición ....................................................... 57 Cuadro 16. Determinación del valor p para las correlaciones lineales entre la temperatura del subsuelo de los entisoles (N=19) y los inceptisoles (N=37) respecto a la elevación en los cuatro periodos de medición .......................... 59 Cuadro 17. Variables utilizadas en la regresión lineal múltiple de la temperatura media de los inceptisoles ............................................................................... 59 ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1. Gráfico triangular utilizado para determinar la clasificación textural del suelo .............................................................................................................. 10 Figura 2. Oscilación teórica de la onda térmica del aire y del suelo a diferentesprofundidades (sistema temperatura-tiempo). ................................ 13 Figura 3. Cambio de la temperatura del suelo en función de la profundidad(sistematemperatura-profundidad). ............................................. 13 Figura 4. Tipos de suelo en el área de estudio ............................................................. 16 Figura 5. Mapa de usos de suelo en el área de estudio ................................................ 18 Figura 6. Ubicación del área de estudio con respecto a la caldera de Cañas Dulces y el complejo volcánico Rincón de la Vieja .................................................... 19 Figura 7. Mapa Geológico del área de estudio ............................................................. 21 Figura 8. Imagen satelital del área de estudio .............................................................. 24 Figura 9. Usos del suelo (reclasificación de la imagen satelital de la Misión CARTA05) ..................................................................................................... 25 Figura 10. Provincias Geotérmicas en Costa Rica .......................................................... 29 Figura 11. Desarrollo Geotérmico Las Pailas.................................................................. 31 Figura 12. Mapa de ubicación geográfica ....................................................................... 35 Figura 13. Ubicación Política del área de estudio ........................................................... 36 Figura 14. Esquema de la ubicación geográfica del área de estudio y sus ecosistemas................................................................................................... 37 Figura 15. Mapa de localización de los 56 puntos de observación ................................. 38 Figura 16.Puntos de observación y distribución de los tipos de suelo en el área de estudio (N=56) ............................................................................................... 43 Figura 17. Clasificación textural del subsuelo (N = 48) ................................................... 48 Figura 18. Temperatura media anual del subsuelo en los entisoles y del aire en el área de estudio a diferentes elevaciones ....................................................... 50 Figura 19. Temperatura media anual del subsuelo en los inceptisoles y del aire en el área de estudio a diferentes elevaciones ................................................... 53 Figura 20. Oscilación de la temperatura media del subsuelo en los entisoles (N=19) e inceptisoles (N=37) en el área de estudio durante el año ........................... 56 Figura 21. Regresiones lineales de la temperatura del subsuelo en los entisoles (N=19) e inceptisoles (N=37) durante el año ................................................. 58 Figura 22. Pronóstico de la temperatura media anual del subsuelo calculado a partir de una regresión múltiple de los datos estadísticamente significativos en los inceptisoles .............................................................................................. 60 Figura 23. Residuales estándares de la temperatura media anual del subsuelo calculado a partir de una regresión múltiple de los datos estadísticamente significativos en los inceptisoles ......................................... 61 Figura 24. Distribución espacial de la temperatura del subsuelo en los inceptisoles durante el periodo del 20 de junio de 2008 al 6 de setiembre de 2009 .......... 62 PROSPECCIÓN GEOTÉRMICA SOSTENIBLE EN TERRENOS DE INCEPTISOLES Y ENTISOLES DEL PROYECTO GEOTÉRMICO LAS PAILAS, VOLCÁN RINCÓN DE LA VIEJA, COSTA RICA Edward Charles Hakanson Gregory Maestría en el Manejo de los Recursos Naturales Universidad Estatal a Distancia [email protected] RESUMEN La prospección geotérmica en Costa Rica a través de metodologías sencillas y sostenibles es necesaria debido al incremento en el consumo de combustibles fósiles para sufragar la creciente demanda energética en el país, y también para la minimización del impacto ambiental de la prospección de recursos naturales para la generación eléctrica.Adicionalmente, la geotermia es una de las tantas fuentes energéticas limpias que Costa Rica tiene potencial para explotar.Es por ello que se plantea el análisis del perfil de la temperatura del subsuelo y del aire para la prospección geotérmica. Se midió periódicamente la temperatura en los inceptisoles hipertérmicos a iso-hipertérmicos y entisoles iso-hipertérmicos, en 56perforaciones de entre 23 y 167 cm de profundidad y equidistantes un kilómetro, en un área de aproximadamente 3200 Ha, con elevaciones comprendidas entre 422 y 1291 m.s.n.m., en la falda sur del complejo volcánico Rincón de la Vieja (Guanacaste, Costa Rica). Estopara obtener una línea base de temperatura media anual del subsuelo (TMAS) y determinar su efectividad como herramienta para la prospección geotérmica en el área de estudio.La temperatura media anual poblacional del subsuelo es de 296,62 ± 1,71°K, y análisis estadísticos no paramétricos muestran que la temperatura media en los inceptisoles es significativamente menor que en los entisoles. En función de la elevación, la temperatura del aire, las coordenadas geográficas, el uso del suelo, y el sustrato geológico,la TMAS de los inceptisoles se relaciona significativamente. Residuosaltos de la temperatura media anual del subsuelo entre las cotas 750 y 850 m.s.n.m., sugieren una posible anomalía térmica en los inceptisoles según la regresión lineal múltiple correspondiente: 𝑦 = 195,57 − 0,005𝑥1 + 0,216𝑥2 + 1,288 × 10−4 𝑥3 + (0,129 … 1,473)𝑥4 + −0,007 … 0,667 𝑥5 + 𝜀 Palabras Clave Temperatura del suelo, usos del suelo, Proyecto Geotérmico Las Pailas, Parque Nacional Rincón de la Vieja, inceptisoles, entisoles 1 ABSTRACT Geothermal prospection in Costa Rica using simple and sustainable methods is necessary due to the increase in fossil fuel consumption to meet the growing energy demand, and also to minimize the environmental impact of natural resource prospection for electricity generation. Geothermal energy is one of the many sources of clean energy that Costa Rica has the potential to exploit.For this reason, an analysis of subsoil and air temperature profiles is proposed for geothermal prospection. Subsoil temperatures were measured, in hyperthermal to isohyperthermal inceptisols and iso-hyperthermal entisols at 56 access holes drilled to between 23 and 167 centimeters depth at equidistant locations every kilometer in an area of approximately 3200 Habetween 422 and 1291 meters above sea level on the southern flank of the Rincón de la Vieja volcanic complex in Guanacaste, Costa Rica.A systematic methodology is implemented to obtain a baseline value of the mean annual soil temperature and determine its effectiveness as a tool for geothermal prospection in the selected field area. The mean annual soil temperatureis 296,62°K ± 1,71°K, and the subsoil temperature of the inceptisols is significantly less than that of the entisols. Non parametric statistical analyses show that themean annual subsoil temperaturein inceptisols changes significantly in function of the elevation, air temperature, land use practices, and geological formation.High mean annual subsoil temperature residuals observed between 750 and 850 m.a.s.l. suggesta possible soil thermal anomaly in the inceptisols according to the corresponding linear multiple regression: 𝑦 = 195,57 − 0,005𝑥1 + 0,216𝑥2 + 1,288 × 10−4 𝑥3 + (0,129 … 1,473)𝑥4 + −0,007 … 0,667 𝑥5 + 𝜀 Keywords Subsoil temperature, land use, Las Pailas Geothermal Project, Rincón de la Vieja National Park, inceptisoles, entioles. 2 1 MARCO TEÓRICO La prospección geotérmica adquiere relevancia al considerar factores tales como: 1) fuentes de energía limpias; 2) recursos energéticos renovables y 3) la generación de electricidad de carga base. Lo anterior se traduce naturalmente en disminuir el efecto de la contaminación atmosférica a causa de la combustión de hidrocarburos. Por eso, la prospección geotérmica es un tema de importancia para la obtención de nuevas fuentes de energía, máxime que en la actualidad los recursos naturales para su obtención son cada vez más escasos. Geothermex & Harvey Consultants, Ltd. (2013) presentan siete fases del desarrollo geotérmico de las cuales las actividades de exploración se resumen en dos fases (cuadro 1). Cuadro 1. Fases de exploración en el desarrollo de un proyecto geotérmico. Fase Fase 2: Exploración Fase 3: Pozos exploratorios Actividad (ordenado de menor a mayor impacto ambiental, costo y riesgo) Levantamiento geológico y geoquímico Levantamiento geofísico (resistividad, gravimetría, magnetometría) Perforaciones de gradiente (300-500 m) Primeros pozos profundos (1500-3000 m) Fuente: Geothermex & Harvey Consultants Ltd., 2013 La prospección geotérmica es importante porque permite localizaryacimientos geotérmicos de alta entalpía, los cuales tienen la capacidad de suministrar energía limpia, renovable y sostenible desde la perspectiva ambiental para la generación de electricidad. Los recursos geotérmicos de alta entalpía son una fuente energética autóctona de carga base, lo que significa una constante producción de electricidad (24 horas al día y siete días a la semana) con una capacidad de carga igual o mayor a 90%sin importar las condiciones climáticas (Geothermal Energy Associacion, 2012). Lo anterior permite independencia de la importación y combustión de hidrocarburos para la generación de electricidad. Además, de las fuentes de alta entalpía, los recursos geotérmicos de media y baja entalpía son utilizados para usos directos como el secado de frutas, granos, madera;criaderos de peces, construcción de balnearios y la operación de intercambiadores de calor para el aire acondicionado y la calefacción. Como toda operación de la prospección para fuentes energéticas, la geotérmica también tiene impactos ambientales, tanto permanentes como temporales. Algunos de los 3 impactos permanentes son la construcción de plataformas de perforación y la habilitación de vías de acceso a dichas plataformas. Algunos de los impactos temporales son la generación de ruido durante el proceso de perforación y el impacto visual de las torres de las máquinas perforadoras utilizadas para la perforación profunda, cuya altura oscila entre 30 y 45 m dependiendo de la capacidad de las mismas. Las máquinas utilizadas para la perforación de pozos de gradiente son de muy bajo perfil, con una altura que oscila entre 6 y 8 metros y, por tanto, tienen un menor impacto visual y generan menos ruido. La construcción de un pozo profundose realiza en tres a cuatro etapas de diferentes diámetros y conlleva un mínimo de 46 +/- 5,5 días(Sverrir, T. & Sveinbjornsson, B., 2012; Marbun, et al., 2013) dependiendo del tipo de litología atravesada.La perforación de un pozo de gradiente teóricamente se puede completar en uno o dos semanas(Waibel, A., 2003). Actividades tales como la ganadería, la agricultura y el turismo son compatibles con la prospección geotérmica, porque pueden llevarse a cabo normalmente al mismo tiempo. La medición de la temperatura somera del subsuelo y la localización de anomalías de alta temperatura al nivel del subsuelo son métodos no tradicionales de la exploración geotérmica que han sido utilizadosexitosamente en otras partes del mundo (principalmente en lugares desérticos) para la prospección geotérmica (Coolbaugh, et al., 2006a, 2006b, 2007, 2011), además de delimitar fallas geológicas que permiten el ascenso de calor hacia la superficie.Por lo anterior, es necesario poner a prueba la efectividad de estos métodos, para la prospección geotérmica en el bosque húmedo tropical y premontano de Costa Rica, donde prevalecen diferentes usos de suelo y tipos de sustrato geológico (Chavarría, et al., 2006; Instituto Tecnológico de Costa Rica, 2008). Esto para determinar los patrones del flujo de calor de origen profundo, posiblemente relacionados con el yacimiento geotérmico que abastece al Campo Geotérmico Las Pailas y así localizar sitios idóneos para las perforaciones de gradiente. Consecuentemente, reducir la cantidad de ellas necesarias previo a la construcción de plataformas y vías de acceso hacia las perforaciones profundas, al igual que posiblemente localizar fallas geológicas que transmiten calor hacia la superficie. También podría ser una forma de conocer la distribución del flujo de calor en áreas protegidas y de protección absoluta, al constituir una forma de investigación compatible con el manejo de los Parques Nacionales y Áreas Protegidas. 4 1.1 La Temperatura del Suelo La temperatura del suelo depende de múltiples variables, tales como el régimen térmico del suelo, propiedades termo-dinámicas y variables ambientales. Por tanto, se presenta una breve explicación de estas variables a sabiendas de que podría haber una variación en la temperatura del subsuelo en función de ellas, pero con la salvedad de que una anomalía térmica sería manifestada por una temperatura del subsuelo significativamente más alta causada por un fenómeno que no obedece a las mismas. Si la temperatura del subsuelo excede significativamente el régimen térmico local, podría tratarse de una anomalía térmica, de manera que se hace imprescindible determinarlo previo a la identificación de anomalías térmicas. Para lo anterior, se debe realizar una serie de medidas de la temperatura del subsuelo a 50 cm de profundidad, para determinar la temperatura media anual del subsuelo (TMAS). Se pueden presentar las siguientes clases de temperatura con base en la TMAS: 1) cryico (TMAS < 8 ºC, sin congelarse); 2) frígido (TMAS < 8 ºC pero mayor a Cryico); 3) mésico (TMAS > 8 ºC y < 15 ºC); 4) térmico (TMAS > 15 ºC y < 22 ºC); o 5) hipertérmico (TMAS > 22 ºC). El prefijo iso- es utilizado para indicar que la TMAS varía en menos de 6ºC durante el año (Natural Resource Conservation Service, 1999). La Organización Meteorológica Mundial ha establecido que las profundidades de 5, 10, 20, 50, y 100 cm son los niveles más convenientes para registrar medidas de la temperatura del suelo (Porta et al., 2003). Además, en las zonas tropicales, donde no ocurren nevadas ni se produce la congelación del suelo, solamente es necesario realizar mediciones de la temperatura del suelo hasta un metro de profundidad (Sánchez, 1982) por la baja amplitud de la onda térmica anual. En Costa Rica, Forsythe (2002) publicó datos de la Tsubsuelo tomados entre 1967 y 1973 en Turrialba, en el cual comparó el comportamiento de la temperatura en suelos del Gran Grupo Typic Dystrudept a 2 cm, 5 cm, 10 cm, 20 cm y 50 cm de profundidad, con la T aire, la radiación solar (Rs) y las lluvias. Forsythe (2002) determinó que en Costa Rica la temperatura del suelo y del aire es bimodal y que las mayores temperaturas de ambosocurran el16 de abril y el 16 de agosto, por estar los rayos del sol perpendiculares a la superficie terrestre. Además determinó que la TMAS a 50 cm de profundidad (T50) es 25,4ºC, y que la T50 mensual fluctuó en 1,9ºC para el periodo de estudio. Con base en lo anterior, Forsythe (2002) clasificó el suelo en su área de estudio como de un régimen 5 isohipertérmico. Reportó además que la T50 media es 3,8ºC mayor que la temperatura del aire. Comparó el comportamiento de la temperatura media mensual y anual con respecto a la profundidad y determinó que se daun descenso en la temperatura hasta los 10 cm, y luego un incremento gradual a partir de esa profundidad. Se conocen aproximadamente cuatro categorías de mediciones de temperatura: (1) solo temperatura, para interpretación directa y mapeo; (2) el gradiente térmico, o la variación térmica con profundidad; (3) flujo de calor (mW/m2), que es el producto del gradiente térmico y la conductividad térmica; y (4) el balance calórico (Hersir & Bjornsson 1991). El calor de la Tierra se puede propagar por medio de tres mecanismos: 1) conducción, 2) convección o 3) radiación (Hersir & Bjornsson, 1991). De estos tres, la radiación tiene muy poca importancia para la exploración geotérmica, ya que proviene del calor solar. Por otra parte, la transferencia de calor por conducción (más lento y menos eficiente) prevalece en suelos secos, mientras que la convección predomina en los húmedos. Aun así, en el suelo el mecanismo más importante de transporte de calor es por conducción (Scott, 2000) y es considerado para los cálculos experimentales. Otro mecanismo para la transmisión de calor en el suelo es por evaporación y condensación del agua, los cuales son un flujo de calor latente hacia la atmósfera (Porta et al., 2003). El flujo de calor (mW/m2) entre suelos adyacentes está influenciado por la diferencia en temperatura entre ellos, si esta diferencia es grande entonces habrá un mayor flujo de calor hacia la capa de menor temperatura por haber un mayor gradiente térmico. Para fines de la prospección geotérmica, es necesario medir el gradiente térmico además de la temperatura del subsuelo. Esto conlleva la toma de medidas de temperatura a diferentes profundidades en el suelo para determinar su variación en relacióncon la profundidad. De igual manera, puede ser estimado por la diferencia en temperatura entre dos puntos (p ej. la superficie y el fondo del agujero o cualquier par de puntos intermedios). Existen dos formas para determinar si un gradiente térmico del suelo es representativo del flujo de calor proveniente del interior de la Tierra, ellas son: 1) medir la temperatura en agujeros suficientemente profundos, en donde la temperatura en el fondo del agujero no sea afectada por variaciones climáticas en la superficie como la onda térmica anual; o 2) medir la temperatura en agujeros someros durante un periodo suficientemente largo para poder filtrar la onda térmica anual. Esto último se puede lograr midiendo la temperatura en agujeros poco profundos durante un periodo de un año (Manzella A.,s.f) y fue el método utilizado en este trabajo. 6 Bajar un termopar a un agujero para medir la temperatura del subsuelo tiene un impacto ambiental muy bajo y podría identificar temperaturas elevadas relacionadas con un alto gradiente térmico y flujo de calor. Un termopar se fundamenta en el descubrimiento en 1821 por Seebeck (citado en Perry & Green, 1984), en donde la corriente eléctrica se mueve en un circuito cerrado de dos metales diferentes, siempre y cuando las dos uniones entre ellos se encuentran en temperaturas diferentes (Perry & Green 1984). De esta manera, mide la corriente eléctrica en milivoltios y mediante una ecuación matemática se convierte en un valor de temperatura. El termopar tipo T utilizado en esta investigación, está compuesto de: 1) cobre en el lado positivo; y 2) constantan (una aleación de cobre y níquel) en el lado negativo. La ecuación (1) describe la relación matemática correspondiente: 𝐸= 𝑛 𝑖=0 𝑐𝑖 𝑡90 𝑡 (1) Donde: E se expresa en milivoltios; t90 en °C; y ci son coeficientes de ecuaciones de referencia para el rango de i=0 a i=n(National Institute of Standards and Technology, 2008). 1.1.1 Propiedades termodinámicas y físicas del suelo En esta investigación, la propiedad térmodinámica del suelo calculada a partir de la temperatura del subsuelo fue el flujo de calor (mW/m2), para lo cual se requirió estimar el gradiente térmico del subsuelo y la conductividad térmica. Dado que la conductividad del suelo varía de acuerdo con su textura granulométrica y densidad aparente, se hizo necesario también medir estas variables. a) Flujo de Calor La temperatura del subsuelo, a una profundidad específica, puede ser estimada mediante un análisis de Fourier, ecuación (2),utilizando la ecuación para el flujo de calor (mW/m2), el cual se calcula a partir del gradiente térmico del subsuelo (dT/dz), y la conductividad térmica del subsuelo(-λ). Según Glassley (2010), el flujo de calor promedio del planeta Tierra es 87 mW/m2. 7 𝑑𝑇 𝑄 = −𝜆 𝑑𝑧 (2) Donde: 2 Q: Flujo de calor por un unidad área (mW / m ) λ: Conductividad Térmica (W / mK) dT: Cambio de Temperatura (K) dz: Cambio de Profundidad (m) b) Conductividad Térmica La conductividad térmica (–λ) se mide en W/(m*K), ecuación (3). q −λ = ∇T (3) Donde: : Flujo de Calor (por unidad tiempo por unidad área) : Gradiente Térmico La conductividad térmica es la capacidad del suelo para transferir el calor, y se trata de la cantidad de calor ( ) transmitido durante una unidad de tiempo (s) a través de un espesor de suelo en una dirección normal a una unidad área de superficie (m2), considerando únicamente la diferencia de temperatura bajo una condición estable que depende solamente del gradiente térmico( ). No obstante, es afectada también por la humedad y textura del suelo. Conforme aumenta la humedad del suelo, incrementa también la conductividad térmica del mismo (Blackburn et al., 1997). De igual forma, la variación en la conductividad térmica de un suelo afecta a la profundidad a la cual penetra la radiación solar incidente (RSi) de las ondas térmicas diurnas y anuales (mayor –λ, mayor penetración; menor –λ, menor penetración). Esto último también varía en función de la clasificación textural del suelo, además de la compactación y saturación por agua (Perry & Green. 1984; Scott, D H. 2000; Abu-Hamdeh, N H & Reeder, R C. 2000). c) Textura del suelo La relación entre la textura del suelo y su conductividad térmica hace importante medir esta variable para el cálculo del flujo de calor. La clasificación textural del suelo se basa en 12categorías dependiendo del porcentaje relativo de las fracciones de arcilla (< 0,002 mm), limos (0,002 – 0,5 mm), y arena (0,5 – 2 mm) contenidas en el suelo. Se determina la textura del suelo mediante un análisis granulométrico del suelo secado hasta peso 8 constante, previo trituración, y utilizando el tamiz adecuado para la separación de los granos (cuadro 2). Cuadro 2. Tamices utilizados para la separación de granos según su diámetro en milímetros y tamaño Ø (Simplificado de Boggs, 1995). Tamiz (Estándar USA) 10 230 Milímetros 2 0,0625 0,002 Ø (-log2d) -1,0 4 8,0 Tamaño Textural (Wentworth) Arena Limos Arcilla No se incluye (cuadro 2)un tamiz para la arcilla porque es poco práctico separar arcilla de una muestra de suelo mediante un simple tamizaje, debido al tamaño del grano y a la gran área de superficie que tiene. La fracción arcillosa puede ser calculada mediante la suspensión del suelo en agua la cual permite que se sedimenten las arenas y los limos según la Ley de Stokes o mediante métodos dieléctricos (Starr, et al. 2000). La fracción que queda en suspensión es la de arcilla y esta puede ser descartada previo al secado y a la separación con tamices. Se grafican los valores del porcentaje relativo del tamaño de grano normalizados a 100% en un gráfico triangular cuyos ejes van de 0 a 100% leyendo en el sentido de las manillas del reloj. Dado que es un gráfico triangular, el porcentaje de cualquier dos de los tres componentes da como resultado el porcentaje del tercero (figura 1). 100% ARCILLA ARCILLA Porcentaje ARCILLA ARCILLA LIMOSA ARCILLA ARENOSA FRANCO ARCILLOSO FRANCO LIMO ARCILLOSO FRANCO ARENO ARCILLOSO FRANCO ARENA ARENA FRANCOSA FRANCO ARENOSO LIMO 100% 100% ARENA FRANCO LIMOSO % ARENA LIMOS Figura 1. Gráfico triangular utilizado para determinar la clasificación textural del suelo. Fuente: Soil Science Society of America (2008) 9 d) Densidad Aparente del Suelo Mientras más compactado es un suelo de dada estructura, mayor sería su conductividad térmica. Dicha compactación se representa a través de la densidad aparente del suelo, la cual es la masa de sólidos entre el volumen del suelo.En el caso de la densidad real promedio de las rocas y de las partículas que constituyen los suelos, es 2,65 g/cm 3. No obstante, los suelos son una mezcla de partículas sólidas (inorgánicas y orgánicas), y poros (llenos de una fase gaseosa o líquida). Además, para un volumen dado de suelo puede haber mayor o menor cantidad de poros de acuerdo con la textura y compactación del suelo. Por tanto en el muestreo de suelos en el campo, se debe considerar la densidad aparente, la cual toma en consideración tanto el volumen de las partículas sólidas como el de los poros en el suelo. Este puede ser estimado por diferencias de masas mediante el secado de una muestra de suelo hasta peso constante, con la premisa de que todos los poros estén saturados, ya sea de agua gaseosa o de una fase y que la densidad promedio de partículas es 2,65 g * cm-3. Seemplea la ecuación (4), en la cual no se considera la fase gaseosa en los poros. 𝜌𝑎𝑝 = 𝑀 𝑆𝐻 1𝑔 ∗ 𝑐𝑚 −2 𝑀𝑆𝑆 + (4) 𝑀 𝑆𝐻 2.65𝑔 ∗ 𝑐𝑚 −2 Donde: ρap: Densidad Aparente (g/cm3) MSS: Masa sólido seco (g) MSH: Masa sólido húmedo (g) Con un poco de análisis de esta ecuación se puede observar que el denominador es (M/D = V y M/V = D). La densidad aparente del suelo, en condiciones naturales, depende de su composición (cuadro 3). Cuadro 3. Tipos de suelo y su densidad aparente Tipo de suelo Entisol Inceptisol Horizontes arenosos Horizontes suelos volcánicos Horizontes suelos compactos Suelo Mineral Franco Arcilloso Franco Limoso Franco Arenoso Densidad Aparente (g/cm3) 0,87 – 1,62 (3) 0,67 – 1,79 (3) 1,45 – 1,6 (4) 0,85 (4) 1,90 – 1,95 (4) 1,33 (1) 1,00 – 1,40 (2) 1,10-1,40 (2) 1,20-1,80 (2) Fuente:1: NRCS-USDA (1999); 2: Cabalceta Aguilar, G.; 3: Alvarado & Forsythe (2005); 4: Porta et al. (2003) 10 1.1.2 Variables Ambientales Posiblemente las variables ambientales más importantes que afectan las medidas de la temperatura del subsuelo en agujeros de 1 a 2 metros de profundidad son las ondas térmicas diurna y anual, y la elevación y el uso del suelo, además de algunos otros factores como la temperatura media anual del aire, características propias del suelo y el sustrato geológico. a) Ondas Térmicas Diurna y Anual La profundidad de penetración de la onda térmica diurna es definida como la profundidad a la cual la amplitud de la variación térmica sea del 1% de su amplitud en la superficie (Portaet al., 2003). Es apenas detectable a profundidades de poco más de 1 metro, mientras que la onda anual es detectable hasta los 20 metros de profundidad (Poley &Van Steveninck, 1970; LeSchack, 1983). A una profundidad de 50 cm, la temperatura del suelo no es afectadasignificativamente por la fluctuación térmicaen superficie(Witter et al., 2007; Porta et al., 2003). La onda térmica oscila entre las temperaturas máximas y mínimas durante el periodo (figura 2); no obstante, la penetración de las ondas térmicas diurnas y anuales varíaen función de la textura y humedad del suelo (figura 3) y se atenúan con profundidad de tal manera que sigue un patrón sinusoidal definido por las ecuaciones (5) y (6) (5) (6) Donde: T = Temperatura t = Tiempo ω = Frecuencia radial z = Profundidad d = Profundidad de amortiguamiento A0 = Amplitud La frecuencia radial sería (2π/24)h-1 para una fluctuación diaria y (2π/365)d-1 para una fluctuación anual. El valor “d” es la profundidad a la cual la amplitud de la oscilación de la temperatura del subsuelo disminuye al 1 𝑒 (≈ 37%) de la amplitud de la oscilación de la 11 temperatura en superficie y puede ser expresado tanto por un sistema de temperaturatiempo como un sistema de temperatura-profundidad. 𝐴(𝑑) = 𝐴0 𝑒 −𝑑 𝐷 Lo anterior se puede graficar tomando en cuenta la variación en la oscilación de la temperatura con la profundidad. 12 Figura 2. Oscilación teórica de la onda térmica del aire y del suelo a diferentes profundidades (sistema temperatura-tiempo). Elaboración propia. Nota que la amplitud de la oscilación disminuye con profundidad. Figura 3. Cambio de la temperatura del suelo en función de la profundidad (sistema temperaturaprofundidad). Elaboración propia. Note que mayor humedad en el suelo tendría el mismo efecto (mayor oscilación térmica y mayor profundidad de penetración por tener una mayor conductividad térmica). 13 En Costa Rica existen dos estaciones climáticas muy marcadas durante el año, una lluviosa y una seca. Estas estaciones climáticas, al igual que en otras partes del mundo, son cíclicas y muestran un comportamiento sinusoidal en la temperatura del suelo(Nofzinger, D.L. & Wu, J. 2005).Esta ciclicidad se conoce como la onda térmica anual, y como se explicó anteriormente, puede penetrar hasta 20 m de profundidad en el suelo. b) Elevación A causa del enfriamiento adiabático, la temperatura del aire y del suelo disminuye con la elevación. Además, a mayor elevación sobre la superficie terrestre, más lejana del centro de la Tierra y mayor probabilidad de encontrarse con masas rocosas de diferentes conductividades térmicas y acuíferos fríos que reducenel flujo de calor proveniente del interior de la Tierra. Esta relación entre elevación y la temperatura del suelo puede ser mostrada con una regresión lineal de los datos. Para poner un ejemplo, en un estudio de la temperatura del suelo en el bosque experimental Luquillo en Puerto Rico, MeléndezColom (sin fecha) determinaron relaciones lineales de las temperaturas medias del aire y del suelo con respecto a la elevación, obteniendo que la temperatura media del aire fue: 26,4 - (0,00558 * elevación en metros) y que la temperatura media del suelo fue: 25,6 (0,00543 * elevación en metros). c) Uso del Suelo El uso del suelo (bosque, pastizal, plantación o pastos naturales) afecta a la temperatura del suelo, ya que en un área boscosa, el dosel no permite que la radiación solar incidente (RSi) llegue a la superficie terrestre, mientras que en un pastizal es más directa. Además, la temperatura de un suelo cubierto por concreto o asfalto dependerá del albedo de estos materiales. d) Factores Adicionales Otros factores que podrían influir en la temperatura media anual del suelo (TMAS) son la temperatura media anual del aire (TMAA), el tipo de suelo, el sustrato geológico y la textura del suelo. 14 1.2 Tipo de Suelo Solamente se encuentran dos órdenes taxonómicas de suelo en el en el área de estudio: (1) Entisoles e (2) Inceptisoles, correspondientes además a los Grandes Grupos Ustorthent y Dystrandept, respectivamente (cuadro 4, figura 4). Cuadro 4. Órdenes de suelo en el área de estudio. Orden Suborden Gran Grupo Entisoles Orthent Ustorthent Inceptisoles Andepts Dystrandept Ondulación Topográfica Moderadamente Ondulado (mo) Fuertemente Ondulado (fo) Moderadamente Ondulado (mo) Fuertemente Ondulado (fo) Escarpado (e) Pendiente Topográfico: Moderadamente ondulado (Pendiente 15-30%), Fuertamente ondulado (30-60%), Escarpado (>60%) Fuente: Instituto Tecnológico de Costa Rica (2008) Entisoles son suelos minerales que carecen de horizontes diagnósticos en el primer metro debajo de la superficie, mientras que inceptisoles son suelos minerales con uno o más horizontes pedológicos en los cuales minerales diferentes que no sean carbonatos ni sílice amorfo han sido alterados o removidos, pero no acumulados significativamente. El suborden Orthents son entisoles que tienen una textura de fina a muy fina o de una textura franca fina, con una fracción gruesa que no supera a los 35%. El prefijo Ust- se refiere a un régimen de humedad del suelo trópico donde existe una estación lluviosa marcada y una limitada cantidad de agua pluvial que ocurre cuando la temperatura media del suelo es óptima para el crecimiento de plantas. El suborden Andepts corresponde con inceptisoles formados de materiales piroclásticos vítricos con una baja densidad o que contienen una gran cantidad de materia amorfa, o ambos, y el prefijo Dyst- significa que el suelo tiene una baja saturación de bases (Soil Science Society of America, 2008). 15 Figura 4. Tipos de suelo en el área de estudio. Elaboración propia. Nota: Cada columna pedológica es de 160 cm. El sistema de coordenadas es Costa Rica Lambert Norte. Léanse las coordenadas en kilómetros. Fuente: Instituto Tecnológico de Costa Rica, 2008. 1.3 Uso del Suelo Según el Estudio de Impacto Ambiental del Proyecto Geotérmico Las Pailas (Instituto Costarricense de Electricidad, 2005), los usos del suelo en los terrenos alrededor del Campo Geotérmico Pailas se clasifican en: 1) pastizal, 2) bosque y 3) otros usos (figura 5). Estos se definen a continuación: Pastizal: Predominan plantas anuales cuya densidad y productividad son altas pero que son bajas en diversidad. Se clasifican en tres tipos: Pastos: Se presentan en tierras planas a ligeramente onduladas con elevaciones inferiores a 800 m.s.n.m. Pastos con árboles dispersos: Se encuentran como parches entre bosques secundarios. Pastos Naturales: Pastos restringidos a terrenos de moderadamente ondulados a fuertemente escarpados con elevaciones mayores a 800 m y sin cobertura de árboles. 16 Bosque: Este grupo se subdivide en las siguientes tres categorías, con base en la edad de la vegetación y el diámetro de los árboles a la altura del pecho. Bosque Primario: Es aquel donde la tierra no ha sido utilizada para fines de lucro y que la edad de la mayoría de la vegetación sea mayor que los 60 años. Bosque Secundario: Conforma el uso de suelo más común en el Área de Impacto Directo del Proyecto Geotérmico Las Pailas, y se caracteriza por tener pequeños bosques con diferentes grados de regeneración cuyas edades varían de 15 a 60 años. Bosque de Galería: Son los parches de bosque que crecen a lo largo de ríos y quebradas con árboles cuyo diámetro a la altura del pecho es < 50 cm y que tiene un dosel bajo. Otros Usos: Se presentan dos categorías adicionales de uso del suelo, se trata de terrenos en abandono o bajo un régimen de recuperación. Charral o Tacotal: Son el producto del abandono parcial o total de pastizales o potreros. Generalmente el suelo está muy compactado y pobre en nutrientes. Plantación Forestal: Principalmente se trata de tres especies: (1) Bombacopsis quinata; (2) Gmelina arborea; y (3) Tectona grandis. Las plantaciones forestales fueron establecidas en la zona a mediados de los años 80. De las especies mencionadas anteriormente, la única nativa de la zona es Bombacopsis quinata. 17 Figura 5. Mapa de usos de suelo en el área de estudio. Fuente: Modificado, Instituto Costarricense de Electricidad (2005). La litología sobre la cual yace el suelo tiene una gran influencia sobre la composición del mismo, si este se formó en situ, debido a que es uno de los factores formadores del suelo según Dokuchaev (Porta et al.,2003). Además hay suelos transportados, como corresponde a los aluviones y lahares. Incluso, cenizas y pómez son depósitos de caída por actividad volcánica del Plioceno y Cuaternario, que fueron depositados sobre suelos preexistentes. Por la diversidad de los posibles orígenes de los suelos se hace necesario conocer las diferentes unidades geológicas aflorantes en el área de estudio. 18 1.4 Marco Geológico La ubicación geológica del Campo Geotérmico Las Pailas está claramente relacionada con el sistema volcánico Cuaternario de esa región (Barrantes, 2006) y es el producto de la actividad volcánica y freatomagmática de la Caldera Cañas Dulces (sur y suroeste del Proyecto Geotérmico Las Pailas) y del complejo volcánico Rincón de la Vieja (figura 6). Dicha actividad ha resultado en la evolución de un yacimiento geotérmico en la falda sursuroeste del complejo volcánico Rincón de la Vieja, el cual está dominado tanto por alineamientos rectilíneos como arqueados. Por lo tanto, se ha convertido en una zona de interés geotérmico y es precisamente donde se ubica el Proyecto Geotérmico Las Pailas. Figura 6. Ubicación del área de estudio con respecto a la caldera de Cañas Dulces y el complejo volcánico Rincón de la Vieja. Elaboración propia. Nota: El poblado de Curubandé se ubica al suroeste y Las Parcelas de Santa María se ubica al sureste del área de estudio. El sistema de coordenadas es Costa Rica Lambert Norte. Léanse las coordenadas en kilómetros. En el sector norte del área de estudio afloran productos volcánicos cuaternarios (lavas andesíticas, ceniza, pómez y lahares recientes) del Cuaternario Medio y Superior que comprenden edades de entre 1,1 y 0,2 Ma (millones de años). Mientras tanto, en el 19 sector sur afloran ignimbritas del Plioceno y Cuaternario Inferior que conforman parte de la mesa ignimbrítica de Santa Rosa y que son producto de un volcanismomuy explosivo que comprende edades de entre 1,8 y 6 Ma (Denyer y Alvarado, 2007; Instituto Tecnológico de Costa Rica, 2008). Chavarría et al. (2006), en un levantamiento geológico detallado de la zona, reportan cinco unidades geológicas principales aflorantes en los alrededores del Campo Geotérmico Pailas y el Área de Estudio (figura 7, cuadro 5). Además, cabe resaltar que al sur y suroeste del área de estudio afloran las rocas más viejas de la zona, correspondientes a una lava dacítica gris-morada que marca la Caldera de Cañas Dulces. De la más antigua a la más reciente, las unidades estratigráficas son: 1) Grupo Bagaces, 2) Unidad de Domos, 3) Formación Liberia, 4) Formación Pital y 5) Unidad de Productos Recientes. En el Cuadro 5 se presenta una breve descripción de cada una, y se señala además su distribución en el área de estudio. 20 Figura 7. Mapa Geológico del área de estudio. Nota: El polígono morado marca el área de estudio y el polígono verde marca la ubicación de la Casa de Máquinas Pailas 1.El sistema de coordenadas es Costa Rica Lambert Norte. Léanse las coordenadas en kilómetros. Fuente: Chavarría et al., 2006. Cuadro 5. Unidades geológicas en el área de estudio. Unidad Descripción Grupo Bagaces Lavas, ignimbritas y flujos piroclásticos dacíticos y andesíticos del mioceno tardío que comprendan las sub-unidades Formación Alcántaro, Unidad Curubandé y Unidad I Griega Domos dacíticos a riolíticos intracaldéricos del Plioceno y Pleistoceno Flujos piroclásticos cristalo pumíticos a cristalo líticos riolíticos del Pleistoceno Inferior, conteniendo cristales principalmente de cuarzo corroído y bioitita y que afloran al exterior del borde de la caldera Cañas Dulces. Flujos piroclásticos cineríticos a pumíticos, del Pleistoceno tardío que afloran en el margen interior del borde de la caldera de Cañas Dulces. Lavas andesíticas y un debrís avalanche (lahar) del Holoceno Unidad de Domos Formación Liberia Formación Pital Unidad de Productos Recientes Distribución en el área de estudio Sector sur Sector oeste Sector sureste Sector sur Sector central y norte 21 a) Grupo Bagaces (GB) Está conformado por lavas, ignimbritas y flujos piroclásticos del mioceno tardío separadas en las siguientes sub-unidades: (1) Formación Alcántaro (FA), (2) Unidad Curubandé (UC) y (3) Unidad I Griega (UG). La Formación Alcántaro es de composición dacítica y comprende ignimbritas soldadas en el techo y lavas en la base. Es de tonalidades gris, morado y rojizo con un característico bandamiento, aflora al sur y suroeste del Campo Geotérmico Pailas y conforma el borde de la Caldera Cañas Dulces. Las unidades I Griega y Curubandé afloran en la parte exterior del borde de la Caldera Cañas Dulces. La Unidad Curubandé es una brecha de tonalidad anaranjada (matriz) con bloques de escorias negras. En tanto, la Unidad I Griega es un flujo piroclástico de tonalidades blanco a gris. b) Unidad de Domos (UD) Es un conjunto de domos intracaldéricos plio-pleistocénicos, de composición dacítica a riolítica y conformado por los cerros: Fortuna, San Roque, Góngora y San Vicente, los cuales han sido datados de 4,3 a 1,5 Ma (millones de años). Estos domos están alineados en una forma arqueada, convexa hacia el nor-noreste, formando un campo de domos ubicado al oeste del Campo Geotérmico Pailas. c) Formación Liberia (FL) Es una secuencia de flujos piroclásticos cristalo pumíticos del Pleistoceno Inferior, de tonalidad blanca, que contiene pómez blanco, cristales principalmente de cuarzo corroído y bioitita, espórádicos líticos lávicos, y con una amplia distribución superficial fuera del área de estudio. Tiene la particularidad de contener cristales primarios de biotita y cuarzo corroído. La Formación Liberia aflora al suroeste, sur y sureste del Campo Geotérmico Pailas, en el lado exterior de la Caldera Cañas Dulces con una topografía desde irregular hasta muy escarpada, donde forma cañones de hasta 30 metros de profundidad. d) Formación Pitál (FP) Es un conjunto de flujos piroclásticos cineríticos a pumíticos, de tonalidad blancuzca a anaranjada de moderadamente a bien consolidados que afloran en su mayoría en el margen interior del borde de la caldera de Cañas Dulces. Localmente hay depósitos de lacustres hacia la base de esta formación, los cuales implican un periodo de calma durante la colmatación de la caldera de Cañas Dulces. 22 e) Unidad de Productos Recientes (UPR) Se divide en tres subunidades conformadas por diferentes litologías: 1) Lavas andesíticas; 2) “Debris avalanche” de detritos volcánicos; y 3) Conglomerado. Los más relevantes en el Área de Impacto Directo del Proyecto Geotérmico Las Pailas y el área de estudio son: 1) Lavas andesíticas y 2) “Debris avalanche” de detritos volcánicos. f) Lavas andesíticas (LARV) Estas cubren gran parte del flanco pacífico del complejo volcánico Rincón de la Vieja, con buenos afloramientos en los ríos y quebradas, donde es común encontrar esta unidad manifestada por bloques andesíticos en superficie, rodeados y cubiertos por delgadas capas de cenizas y/o pómez en los sectores Mundo Nuevo, Hornillas, Ojos de Agua y Salsipuedes, mientras que en el sector Las Pailas es común ver bloques angulares de decimétricos a métricos rodeados en un suelo de color negro a café oscuro, en coluvios. g) “Debris Avalanche” del Rincón de la Vieja (DARV) Es un depósito heterogéneo y poligenético proveniente del complejo volcánico Rincón de la Vieja, localmente cubierto por una capa de suelo cinerítico gris cafesuzco de unos 50 cm de espesor. Se interpreta como una avalancha reciente, la cual se derrumbó desde la parte cuspidal del macizo volcánico Rincón de la Vieja sobre el flanco sur y que fue encauzado entre los ríos Blanco y Colorado hacia el Sector Las Pailas, hasta llegar al pie de montaña a 750 m.s.n.m., donde se dispersa en forma de abanico hacia el sur y el oeste sobre los flujos piroclásticos de la Formación Pital, y cubre la totalidad del campo de pozos profundos del Campo Geotérmico Pailas. Su espesor es muy reducido <1 - 25 metros y hay afloramientos en el sector sureste del campo, donde se puede observar claramente unos escasos centímetros del lahar que cubren a los flujos piroclásticos de la Formación Pitál. 23 1.5 Estado actual del uso del suelo El noroeste del área de estudio está desprovisto de vegetación.Por otro lado, en el Sector Las Pailas del Parque Nacional Rincón de la Vieja (noreste del área de estudio) se tiene una buena cobertura de bosque primario (figura 8). Además, a lo largo de los ríos y quebradas existe una buena densidad de vegetación en los bosques de galería. Se encuentran plantaciones forestales principalmente de Bombacopsis quinata, Gmelina arborea y Tectona grandis en el área de estudio (ICE, 2005). Figura 8. Imagen satelital del área de estudio. El polígono Morado marca el área de estudio, el polígono verde marca la ubicación de la unidad 1. Círculos rojos marcan deforestación. El sistema de coordenadas es Costa Rica Lambert Norte. Léanse las coordenadas en kilómetros. Fuente: Misión CARTA05 A partir de la Figura 8 se pudo generar una reclasificación del mapa para determinar los usos del suelo en el área de estudio (figura 9). De ahí se hará referencia a esta interpretación para los usos del suelo. 24 Figura 9. Usos del suelo (reclasificación de la imagen satelital de la Misión CARTA05). Elaboración propia. Nota: El sistema de coordenadas es Costa Rica Lambert Norte. kilómetros. Léanse las coordenadas en 25 2 INTRODUCCIÓN La energía geotérmica es la que está almacenada en forma de calor por debajo del subsuelo en yacimientos geotérmicos, los cuales en ambientes volcánicos tienen permeabilidad secundaria por fracturamiento de la roca. Esto resulta de procesos tectónicos y/o de colapsos caldéricos y se obtiene mediante la perforación de pozos profundos a través de una capa sello impermeable sobre el yacimiento geotérmico. Las emisiones causadas por la explotación de la energía geotérmica para la generación eléctricason básicamente CO2 y H2S,pero a niveles significativamente inferiores a los alcanzados por la combustión de hidrocarburos. Por ejemplo, el nivel de dióxido de carbono es un 5-6% de los hidrocarburos, mientras que el de sulfuro de hidrógeno es de unos pocos ppb a unos cientos de ppb (Aradóttir et al., 2012). Actualmente en el mundo se aprovechan los recursos geotérmicos de baja y media entalpía para usos directos y de alta entalpía para la producción de electricidad. En diciembre del 2012, 49,4 TWh (1012 Vatios-horas) de energía fueron producidos de fuentes geotérmicas a nivel mundial, lo que significa un aumento de 6,9% en el uso de este tipo de energía desde el año 2011 (IEA, 2013). En el año 2004 los diez países de mayor aprovechamiento de la energía geotérmica (cuadro 6) utilizaron 56000 GWh/año (109Vatios-horas por año) para usos directos (Lund et al., 2005) y 55000 GWh/año para la producción de electricidad (Bertani, 2005). 1 Cuadro 6. Diez países de mayor aprovechamiento de la energía geotérmica según uso para el año 2004 . Producción de electricidad USA Filipinas México Indonesia Italia Japón Nueva Zelandia Islandia Costa Rica Kanya 1 Usos Directos China Suecia USA Turquía Islandia Japón Hungaria Italia Nueva Zelandia Brasil Países ordenados desde mayor a menor aprovechamiento en GWh/año. En ese mismo año, Costa Rica empleó 1145 GWh/año de la energía geotérmica, que fue un 15% del consumo energético nacional (Georgsson & Fridleifsson, 2009), y en el julio de 2011, con la inauguración del Proyecto Geotérmico Las Pailas, la capacidad instalada de la energía geotérmica en Costa Rica alcanzó 208 MWe, un incremento de 25,3% sobre 26 el año anterior (BP Statistical Review of World Energy, 2012).Aún no se emplean los recursos de baja y media entalpía en Costa Rica, posiblemente por su poca rentabilidad en un país tropical.Por el otro lado, los recursos geotérmicos de alta entalpía para la producción de electricidad son muy importantes por ser autóctonos, limpios y sostenibles en el tiempo, además de que no se ven afectados por las oscilaciones climáticas,así que son fuentes energéticas de carga base y con una alta capacidad de carga (Geothermal Energy Associacion, 2012). Existe la necesidad de contar con métodos de prospección geotérmica de bajo costo pero sobre todo de bajo impacto ambiental, y es en este último aspecto que se enfoca el presente estudio. En este contexto se situó la posibilidad de proponer un método de prospección de energía geotérmica, amigable con el ambiente, de bajo coste y de relativa fácil aplicación en el sector del Proyecto Geotérmico Pailas. Los resultados de esta metodología se explican a continuación en el presente trabajo. 2.1 El Proyecto Geotérmico Las Pailas Se desarrolla el Proyecto Geotérmico Las Pailas en terrenos colindantes con el Parque Nacional Rincón de la Vieja, y por eso se hace imprescindible tomar en consideración el marco legal tanto de la geotermia como el de los Parques Nacionales de Costa Rica. En este contexto se presenta una reseña de la geotermia en Costa Rica, el marco legal de la geotermia y los parques nacionales, además los estudios ambientales realizados en el Proyecto Geotérmico Las Pailas. Se culmina con unos ejemplos del uso de la temperatura del suelo para la prospección geotérmica en otros campos geotérmicos al nivel mundial. 2.1.1 La Geotermia en Costa Rica En el año 2011, la electricidad producida de la energía geotérmica fue un 13% de las fuentes energéticas primarias renovables, las cuales por su naturaleza sumaron un 91,2% de la electricidad producida al nivel nacional para ese año (MINAE – DSE, 2012). En Costa Rica, los únicos desarrollos geotérmicos (Campo Geotérmico Las Pailas y Campo Geotérmico Miravalles) se ubican en la provincia de Guanacaste y están relacionados estrechamente con los volcanes cuaternarios de la Cordillera Volcánica de Guanacaste(Rincón de la Vieja y Miravalles, respectivamente), donde las condiciones geológicas particulares de la región son favorables para la formación de yacimientos 27 geotérmicos, por estar relacionados con calderas de colapso y también por su cercanía a fuentes de calor de origen profundo. Las primeras evaluaciones geotérmicas en Costa Rica fueron hechas en los años sesenta (Moya, 2006). Luego, a raíz de la crisis petrolera en el año 1973, el ICE empezó la exploración geotérmica en Costa Rica, con el fin de disminuir la dependencia en la importación de hidrocarburos para la producción de electricidad. Ese estudio culminó en la elaboración del Informe de Prefactibilidad Técnica que cubrió aproximadamente 500 km2 a lo largo de la Cordillera Volcánica de Guanacaste (GeothermEx, 2005). En los años setenta se empezó con la exploración geotérmica en la falda sur del volcán Rincón de la Vieja; consistió en el reconocimiento geológico de campo y la perforación de siete pozos de diámetro pequeño, para identificar la litología en profundidad y conocer el gradiente térmico de la zona, con el fin de ubicar la fuente de calor del yacimiento geotérmico. Posteriormente, en el Informe de Reconocimiento Geotérmico y en la Evaluación del Potencial Geotérmico del Proyecto COS 83 (Instituto Costarricense de Electricidad, 1989), se estimó el potencial geotérmico de Costa Rica.Para esto se dividió el país en nueve diferentes provincias geotérmicas (figura 10) con una categorización de la importancia geotérmica en: baja-media, media, media-alta, alta y muy alta (Moya et al., 2006). En estos informes, el área del complejo volcánico Rincón de la Vieja se ubicó en Clase A1, que se entiende como una categoría con óptima vocación geotérmica y con una temperatura estimada de 320ºC a 3 km de profundidad (Instituto Costarricense de Electricidad, 1991). 28 Nicaragua Area de Estudio A2 Mar Caribe A1 B D Océano Pacífico Categoría A1 A2 B D Temperatura media a 3 km de Profundidad (ºC) 275-330 173-175 135-140 135-150 P a n a m á Figura 10. Provincias Geotérmicas en Costa Rica Fuente: Instituto Costarricense de Electricidad (1989), modificado El Campo Geotérmico Las Pailas es el segundo proyecto geotérmico que el ICE desarrolla en Costa Rica. La primera planta geotermoeléctrica binaria de este Proyecto (Pailas 1) tiene una potencia bruta de 41,6 MW e(35 MW enominales). 2.1.2 Aspectos Legales de la Geotermia en Costa Rica La Ley #5961 del 6 de diciembre del 1976 declara de interés público los recursos geotérmicos y en sus artículo 3 autoriza al Instituto Costarricense de Electricidad “para adquirir todos los terrenos que requiera para la investigación, exploración, explotación y protección de los recursos geotérmicos en Costa Rica”.Además, en el artículo 2 se establece que “el ICE evitará, hasta donde fuere posible, alterar las áreas de interés turístico relacionadas con sus proyectos”. 29 2.1.3 Aspectos Legales de los Parques Nacionales de Costa Rica La Ley de Parques Nacionales No. 6084 del año 1977 creó el Servicio de Parques Nacionales del Ministerio de Agricultura y Ganadería, el cual tendría la función de desarrollar y administrar los Parques Nacionales de Costa Rica. El Parque Nacional Rincón de la Vieja forma parte del Área de Conservación Guanacaste, y fue decretado en el año 1973 mediante la Ley No. 5398 del 23 de octubre de 1973 y luego ampliado en 1978 bajo el Decreto Ejecutivo Nº 8493-A del 27 de abril de 1978. Comprende un área de 14083,9 Ha y como fue mencionado anteriormente, colinda al norte con el Proyecto Geotérmico Las Pailas. El mayor flujo de visitantes al Parque Nacional Rincón de la Vieja es por el Sector Las Pailas, y para llegar allí se atraviesa el campo de pozos geotérmicos profundos, pasandoa un costado de Pailas 1. 2.1.4 Estudios Ambientales Realizados El Estudio de Impacto Ambiental del Proyecto Geotérmico Las Pailas (784-04 SETENA) fue emitido en setiembre del 2005 y tiene aprobadala viabilidad ambiental (Instituto Costarricense de Electricidad, 2005).En este estudio se definieron: 1) El Área del Proyecto con una extensión de 250 Ha; 2)El Área de Impacto Directo con una extensión de 187 Ha en una franja de 500 m alrededor del Área del Proyecto; y 3) El Área de Impacto Indirecto que se extiende en dirección suroeste del Área del Proyecto, hacia el poblado de Curubandé, a unos 10 kilómetros de distancia. 2.1.5 Prospección Geotérmica Tradicional en el Campo Geotérmico Las Pailas A principios del 2000, el Instituto Costarricense de Electricidad empezó una campaña de perforación profunda,de cinco pozos profundos (figura 11)entre 1418 m y 1827 m,en el Campo Geotérmico Las Pailas en un área de 250 Ha (Instituto Costarricense de Electricidad, 2005).La litología atravesada pudo ser relacionada con la geología de superficie. A partir de los datos de la temperatura en los pozos se modelóla curva de 220ºC (temperatura de yacimiento con vocación geotérmica para la producción de electricidad) con la finalidad de indicar la ubicación de la fuente de calor. La información de estos cinco pozos profundos y los quince pozos de gradiente térmico perforados en la zona (durante el estudio de prefactibilidad), confirmó la existencia de un yacimiento 30 geotérmico, cuya fuente de calor se estimó estar ubicada al norte del campo de pozos, y dentro del Parque Nacional Rincón de la Vieja. Adicionalmente, otros datos geocientíficos existentes (geofísicos y geoquímicos), sugirieron que el yacimiento geotérmico podría extenderse dentro de los límites geográficos del Parque Nacional Rincón de la Vieja y de la propiedad de Mundo Nuevo (al oeste del Proyecto Geotérmico Las Pailas), convirtiendo a estas áreas en zonas de posible interés geotérmico. Empezando en el año 2009, se continuó con quince perforaciones profundas más,cuatro de las cuales son verticales (PGP-06, PGP-08, PGP09 y PGP-10) y doce desviadas (PGP-2A, PGP-11, PGP-12, PGP-16, PGP-17, PGP-19, PGP-20, PGP-23, PGP-24, PGP-25, y PGP-27, PGP-28). Los pozos desviados fueron perforados desde plataformas de perforación existentes. A la fecha no ha sido publicada oficialmente información sobre las características de estos pozos adicionales. 382 391 311 311 PGP-03 PGP-05 302 382 PGP-01 PGP-02 PGP-04 302 391 Figura 11. Desarrollo Geotérmico Las Pailas. Nota: Se muestran los primeros cinco pozos profundos perforados en la zona durante el periodo 2001-2002.El sistema de coordenadas es Costa Rica Lambert Norte. Léanse las coordenadas en kilómetros. En el Informe de Factibilidad (Geothermex, 2005) se aprecia que la fuente de calor parece estar localizada hacia el nor-noreste del campo (en dirección del Parque Nacional Rincón 31 de la Vieja), mientras que hacia el borde del caldera Cañas Dulces (sur y suroeste) hay una caída de temperatura muy pronunciada. 2.1.6 Estudios Previos Relacionados con la Medición de la Temperatura del Subsuelo para la Prospección Geotérmica La medición de la temperatura del suelo es una práctica que se ha utilizado desde hace varios años en numerosas aplicaciones, incluyendo la cartografía de fisuras subterráneas (Kappelmeyer, 1957), exploración de aguas subterráneas (Birman, 1969), cartografía estructural en la subsuperficie (Poley & Van Steveninck, 1970), y la exploración geotérmica (LeShack et al., 1983; Hersir & Bjornsson, 1991; Eneva et al., 2007; Coolbaugh et al., 2006 a &b; Sladek et al., 2009), entre otros. A continuación se indicarán varios ejemplos de aplicaciones que emplean la medición de la temperatura en el suelo. La temperatura del subsuelo puede medirse utilizando un termopar, un RTD o un Datalogger a una profundidad fija de entre 1 a 2,5 metros (Poley & Van Steveninck, 1970; Leaman, 1978; LeSchack & Lewis 1983; Ehara et al., 2000; Lechler 2004; Coolbaugh 2006 a & b; Eneva et al., 2007; Sladek, 2009) o a diferentes profundidades dentro de una misma perforación (Mongillo, 1992; Sharan, 2002; Forsythe, 2002; Coolbaugh, 2006). Esto para estimar la profundidad mínima requerida para detectar una anomalía térmica de origen profundo (Leaman, 1978; LeSchack & Lewis, 1983, Coolbaugh et al., 2011), calcular el flujo de calor del suelo (Sharan, 2002), complementar otros estudios geofísicos (Poley & Van Steveninck, 1970; Coolbaugh et al., 2006 a & b), complementar estudios geoquímicos (Lechler P, 2004), mejorar imágenes térmicas y de tipo ASTER (Eneva et al., 2007; Sladek, 2009), modelar el efecto de las ondas térmicas diurnas y anuales (Mongillo, 1992; Forsythe, 2002, Sladek, 2009) y en la prospección geotérmica (LeSchack & Lewis, 1983; Mongillo, 1992; Saba et al., 2007; Ehara, 2000; Lechler P, 2004; Coolbaugh et al., 2006; Coolbaugh et al, 2007; Eneva et al., 2007; Sladek, 2009; Coolbaugh, 2011) en campos con o sin una expresión termal en superficie (campos geotérmicos ocultos). Las propiedades termodinámicas del suelo que se han considerado como importantes en la interpretación de la temperatura del subsuelo son: 1) la difusividad térmica (LeSchack & Lewis, 1983; Sharan, 2002; Coolbaugh, 2011) y 2) la conductividad térmica (Coolbaugh, 2011). Es útil determinar la granulometría del subsuelo en las perforaciones en donde se mide la temperatura del subsuelo (Leaman, 1978; Sharan, 2002) por su relación con la difusividad térmica del subsuelo y la profundidad de penetración de la onda térmica 32 diurna. El análisis de residuales ha sido utilizado para identificar anomalías térmicas al nivel del subsuelo (Coolbaugh, 2011). El Campo Geotérmico Pailas es una zona donde se ha comprobado la existencia de un reservorio geotérmico capaz de generar electricidad de carga base y aumentar la capacidad de generación eléctrica instalada de Costa Rica (Instituto Costarricense de Electricidad, 2005). Por eso el Instituto Costarricense de Electricidad, amparado por la Ley No. 5961, construyó Pailas 1, una planta geotermoeléctrica binaria de 35 MW e para ayudar a sufragar la creciente demanda energética del país. Considerando que los métodos tradicionales de uso enla prospección geotérmica son costosos y tienen algunos impactos ambientales negativos, se propone validar la eficacia,desde el punto de vista técnico, de la toma de mediciones de la temperatura del subsuelo en los inceptisoles y entisoles del Bosque Tropical Húmedo a Premontano que prevalecen en el Campo Geotérmico Pailas, como una herramienta de bajo costo e impacto ambiental para la prospección geotérmica en Costa Rica y que ha sido utilizada en otras latitudes. 2.2 Hipótesis En este trabajo se pone a prueba la hipótesis nula de que no hay diferencias en la temperatura media anual del subsuelo en los entisoles e inceptisoles del volcán Rincón de la Vieja,con un nivel de confianza de 95%. La hipótesis nula condicional sería que temperatura media anual del subsuelo es igual o menor que el valor esperado en función de variables ambientales (elevación, uso del suelo, unidad geológica y textura del subsuelo) y físicos (humedad relativa, profundidad, gradiente térmico, flujo de calor, densidad aparente y porcentaje de arenas).La hipótesis alternativa sería que la temperatura media anual del subsuelo es mayor que ese valor esperado, con un nivel de confianza de 95%.De esa forma, se define la hipótesis nula y alternativa de la siguiente manera: Donde es el valor de la temperatura media anual del subsuelo muestral, intercepto de la regresión lineal múltiple para los datos del subsuelo, es el es el coeficiente 33 de la variable ambiental o física medida en el campo temperatura media anual del subsuelo y que podría afectar a la es el error (valor de la residual). Se plantea rechazar la hipótesis nula mediante análisis estadísticosno paramétricos (Kruskal-Wallis y Mann Whitney), los cuales aproximan a una distribución normal y chi cuadrado, respectivamente. 2.3 OBJETIVO GENERAL Analizar la distribución de la temperatura media anual del subsuelo en un inceptisol y un entisol para la prospección geotérmica sostenible,en las cercanías del volcán Rincón de la Vieja, Guanacaste, Costa Rica. 2.3.1 OBJETIVOS ESPECÍFICOS 1. Relacionar el perfil de la temperatura media anual de dos órdenes de suelos y del aire cercano al complejo volcánico Rincón de la Vieja. 2. Explicar la relación de la temperatura del subsuelo del área en estudio con la elevación, uso del suelo, sustrato geológico y textura del subsuelo. 3. Determinar las variables que se relacionen significativamente con la temperatura media anual del subsuelo para ser utilizadas como indicadores ambientales en la prospección geotérmica sostenible. 34 3 3.1 MATERIALES Y MÉTODOS Área de Estudio El área de estudio se localiza en la vertientepacífica del complejo volcánico Rincón de la Vieja en Guanacaste (Costa Rica) y corresponde con elCampo Geotérmico Pailas, además de una zona adicional de posible interés geotérmico que se extiende hacia el noroeste. Se ubicageográfica y políticamente dentro del Sistema Nacional de Áreas de Conservación (SINAC), considerando el aspecto climático que prevalece. Según el sistema de coordenadas Lambert Costa Rica Norte, se ubica entre latitud 300311 N y longitud 382-391 E (Hoja Curubandé 3148 III, escala 1:50 000 del Instituto Geográfico Nacional de Costa Rica) y entre las elevaciones 422 a 1291 m.s.n.m, y abarca una área aproximada de 3200 Hectáreas (figura 12). Figura 12. Mapa de ubicación geográfica.Elaboración propia. Base topográfica: Hoja cartográfica Curubandé 3148 III, escala 1:50000 (IGN 1991) Nota: El polígono dentro del recuadro demarca el área de estudio y el polígono que cruza los recuadros delimita el Parque Nacional Rincón de la Vieja.Léanse las coordenadas en kilómetros. Según el sistema de coordenadas CRTM05 el área de estudio se ubicaría entre latitud 1185515 – 1196528 N y longitud 345747 – 357762 E. 35 Abarca los distritos de Liberia, Cañas Dulcesy Curubandé del Cantón de Liberia, de la Provincia de Guanacaste, Costa Rica. Los límites físicos inter-distritales son el río Blanco entre los distritos Curubandé y Cañas Dulces y el río Colorado entre los distritos Curubandé y Liberia (figura 13). Figura 13. Ubicación Política del área de estudio.Elaboración propia. Nota: El polígono verde muestra la ubicación de Pailas 1 y además se muestran la ubicación de los poblados Curubandé y Las Parcelas de Santa María.El sistema de coordenadas es Costa Rica Lambert Norte. Léanselas coordenadas en kilómetros. 36 Forma parte del Área de Conservación Guanacaste (figura 14), una de las once Áreas de Conservación del Sistema Nacional de Áreas de Conservación (SINAC) de Costa Rica, adscrito al MINAET (Ministerio del Ambiente, Energía y Telecomunicaciones)según la Ley No. 6794. Específicamente, incluye los bordes sur y oeste del Parque Nacional Rincón de la Vieja, y la esquina suroeste de este Parque Nacional. Los terrenos al oeste del Río Blanco y fuera de los límites del Parque Nacional Rincón de la Vieja conforman un área llamada Mundo Nuevo y pertenecen a una organización no gubernamental llamada Guanacaste Dry Forest, la cual está dedicada a la protección y conservación del medio ambiente. Figura 14. Esquema de la ubicación geográfica del área de estudio y sus ecosistemas. Elaboración propia. El clima es predominantemente tropical con una precipitación promedio de 1500 a 3000 mm/año, un periodo seco de 3,5 a 5 meses al año y una temperatura media anual de 24 a 27,8ºC (Instituto Costarricense de Electricidad, 2005). 37 3.2 Ubicación de los Puntos de Observación El trabajo se realizó en el Campo Geotérmico Pailas y terrenos aledaños, en un área de aproximadamente 3200 Ha que toman en consideración 56 puntos de observación equidistanciados un kilómetro(figura 15).En el campo, se ubicó cada punto utilizando un GPS Garmin Map 60CSx y una copia de la hoja cartográfica Curubandé 3148 III, escala 1:50 000 del Instituto Geográfico Nacional de Costa Rica. El acceso a los puntos de observación fue hecho a pie, aprovechando los caminos locales para llegar lo más cerca posible en carro. Figura 15. Mapa de localización de los 56 puntos de observación. Nota: El sistema de coordenadas es Costa Rica Lambert Norte. Léanse las coordenadas en kilómetros. 38 3.3 Trabajo Realizado La metodología empleada consistió en dos principales actividades: 1) Trabajo de Campo 2) Trabajo de Oficina La campaña de la medición de la temperatura del subsuelo empezó el 20 de junio del año 2008 y finalizó el 6 de setiembre del 2009, para determinar si existe alguna oscilación significativa en la temperatura del subsuelo durante las diferentes épocas del año en suelos no térmicamente activos. En total se efectuaron cinco recorridos del área de estudio, los cuales comprendieron: 1) una primera visita para localizar los puntos en el campo y realizar las perforaciones y 2) cuatro visitas más que comprendieron periodos de medición correspondientes a diferentes épocas del año.En total, el trabajo de campo fue realizado durante el periodo de 15 meses, con un mínimo de tres meses y un máximo de cinco meses entre cada periodo de medición. En este trabajo se entiende periodo de medición como un recorrido completo del área de estudio en el cual se visita cada punto de observación sin repeticiones para obtener un único registro de la temperatura del subsueloy del aire por cada punto de observación, correspondiente a una época particular del año. Esto obligó a que un mismo periodo de medición comprendiera varias visitas al campo y en diferentes fechas. Se determinó el uso del suelo en el campo (Bosque, Pastizal, Plantación o Pastos Naturales) de acuerdo con la ubicación de cada punto de muestreo. Utilizando una brújula Brunton con clinómetro incorporado, se determinó el aspecto topográfico y la ondulación topográfica. Se empleó una perforadora manual de tipo “auger”,para realizar perforaciones de 3 cm de diámetro hasta una profundidad de entre 23 a 167cm con el fin de medir periódicamente la temperatura del subsuelo en el fondo de las perforaciones y para confeccionar la descripción de la columna pedológicapara cada punto de observación. Además se intentó recuperar una muestra del fondo de las perforaciones para su respectivo análisis en el laboratorio. Después de hacer las perforaciones se les colocó con un tubo de PVC de 1 pulgada de diámetro que cubre la longitud de la perforación, abierto en el extremo inferior y con un 39 tapón en el otro extremo para asegurar que no ingresaran aguas pluviales ni de escorrentía dentro de la perforación, ni que tampoco se llenara de tierra ni hojas. La perforadora tipo auger que se empleó se compone de cinco secciones que, cuando todas están armadas, permite alcanzar una profundidad máxima de 165 cm. Para la medición de la temperatura se utilizó un termopar tipo T y un Termómetro Datalogger de doble entrada Modelo Easy View EA15 de EXTECH. Aunado a la medida de la temperatura del subsuelo, se determinó, en el primer periodo de mediciones, el gradiente térmico del suelo tomando datos de temperatura a las profundidades de 5 cm, 10 cm, 20 cm, 50 cm, 100 cm y 150 cm (o hasta donde el subsuelo permitiera), con la finalidad de estimar el flujo de calor en cada punto de observación. Estas mediciones se efectuaron una sola vez, bajo el fundamento de que 50 cm es suficiente profundidad para definir la temperatura media anual del suelo (Natural Resources Conservation Service, 1999). El interés principal era ver cómo variaba la temperatura del subsuelo a partir de la temperatura media anual del subsuelo en el cálculo del flujo de calor. En las sucesivas visitas al campo solo se midió la temperatura en el fondo de las perforaciones. Además de la temperatura del subsuelo, se registró la temperatura del aire, a una altura de 1,5 m sobre el suelo, reduciendo así el albedo, para comparar la posible oscilación de esta con respecto a la temperatura del subsuelodurante el año. La toma de la medida de temperatura del suelo y del aire fue durante horas diurnas y se prolongó hasta alcanzar una estabilidad de +/- 0,1ºK por un período de un minuto. Para esto, la temperatura del subsuelo llegaba a estabilizarse muy bien en un periodo de cinco minutos en todos los casos, mientras que en repetidas ocasiones la temperatura del aire no llegaba a estabilizarse por ser sensible a cambios en temperatura debido al viento y movimiento de las nubes. Enel primer periodo de mediciones en cada uno de los puntos de observación, se tomaron datos de: 1) la temperatura del aire, 2) del gradiente térmico y 3) la temperatura del subsuelo en el fondo de las perforaciones, cuya profundidad varió en todo el campo entre 23 cm (TS-010) y 167 cm (TS-005), para un rango de 144 cm y un promedio de 121 cm. 40 Siguiendo lo propuesto porCoolbaugh (2006 a y b), se utilizaron solamente los gradientes más profundos, de manera que solo se toman en consideración aquellos gradientes obtenidos por debajo de 100 cm para el cálculo del flujo de calor,dado que son los más representativos para tal fin. La temperatura del subsuelo en el fondo de las perforacionescon revestimiento coincidió bastante bien con la temperatura determinada a la misma profundidad en perforaciones sin revestimiento. En lossubsiguientes periodos de medición,se midió únicamente la temperatura del aire y la temperatura del subsueloen el fondo las perforaciones, con la finalidad de determinar cómo varían estos valores entre si durante el año. Según Manzela (s.f.), la temperatura del subsuelo medido periódicamente durante un año genera datos que pueden ser utilizados para determinar un valor representativo del flujo del calor desde el interior de la tierra (mW/m2). En la oficina se ingresaron todos los datos deen una base de datos creada en Microsoft Access,para posteriormente exportarlos a otros programas según el manejo de los datos que se requería. Se utilizó Microsoft Excel para la creación de cuadros y el análisis estadístico de los datos. El programa MassGIS (un sistema de información geográfica gratuita) fue utilizado para el análisis espacial de los datos. Se empleó Surfer y Grapher (de Golden Software) para la confección de mapas de contornos y diagramas ternarios, respectivamente. Con Microsoft Powerpoint se diseño algunas figuras y el texto de esta tesis fue escrito utilizando Microsoft Word. Para normalizar los datos se calculó el valor Z, considerando un nivel de confianza de 95% (α=0,05) para lo cual el valor crítico correspondiente es 1,645 en una prueba de una cola (Anexo 1). Para el análisis estadístico se emplearon métodos no paramétricos (Kruskal-Wallis, Mann Whitney y el coeficiente de correlación de Spearman). 41 4 RESULTADOS La temperatura media anual poblacional delsubsuelo (N=56) osciló entre 292,35 y 300,85 °K con una media de 296,62 + 1,70K°. Hubo tres puntos de observación con un valor Z superior a 1,645 (>/= 300,15°K), los cuales podrían ser anomalías (Anexo 1). Con la finalidad de determinar si la temperatura media anual del subsuelo puede ser utilizada como un indicador ambiental para la prospección geotérmica, se calculó el H de la pruebaKruskal-Wallispara los entisoles e inceptisoles no térmicamente activos que prevalecen (cuadro 7), los cuales son de poblaciones significativamente diferentes (Kruskal-Wallis; H: 14,23; p=1,62 x 10-4). Cuadro 7. Prueba Kruskal-Wallis para determinar la equivalencia de medias de la temperatura media anual del subsuelo en los entisoles e inceptisoles. Grupo n ΣR ΣR^2 / n SSbg(R) Media H Valor p Entisol 19 759,5 30360,01 3785,69559 266 14,23194 1,62 x 10-04 Inceptisol 37 836,5 18911.68 Totales 56 1596 45486 Por la diferencia significativa entre la temperatura media anual del subsuelo en los entisoles e inceptisoles, se comparan estos dos tipos de suelo (figura 16) mediante análisis no paramétrico (Kruskal-Wallis y Mann-Whitney) tomando en cuenta las variables nominales y las variables de intervalo (Cuadro 8) y de su textura (figura 17)con la finalidad de determinar si alguna de estas variables se puede utilizar en conjunto con la temperatura media anual del subsuelo como un indicador ambiental para la prospección geotérmica. 42 Figura 16. Puntos de observación y distribución de los tipos de suelo en el área de estudio (N=56). Nota: La temperatura del subsuelo fue medido dentro y fuera del Parque Nacional Rincón de la Vieja.El sistema de coordenadas es Costa Rica Lambert Norte. Léanse las coordenadas en kilómetros. 43 Cuadro 8. Datos generales de los puntos de observación. (TMAS: Temperatura media anual del suelo; TMAA: Temperatura media anual del aire; Este y Norte: coordenadas Lambert Costa Rica Norte; Prof: Profundidad; dT/dz: Gradiente térmico; Q: Flujo de Calor). Punto de Observación Tipo de Suelo Uso del Suelo Unidad Geológica Textura TMAS (°K) TMAA (°K) Este Norte Elev. Prof. (cm) Humedad Relativa dT/dz (°K/cm) Q (mW/m2) Densidad aparente (g/cm3) % Arenas TS-001 Entisol Pastizal Formación Alcántaro Arena Francosa 300,85 300,9 383000 301997 422 123 11,58 0,004 76 1,967 0,00 TS-002 Entisol Pastizal Formación Alcántaro No Reportado 300,25 298 383997 302013 475 50 0 0,000 0 0,000 0,00 TS-003 Entisol Bosque Formación Alcántaro No Reportado 297,85 299,3 385007 302000 516 47 4,13 0,000 0 2,379 83,99 TS-004 Entisol Pastizal Formación Alcántaro Arena Francosa 300,15 302,8 386003 302004 511 166 27,68 0,000 0 1,316 79,78 TS-005 Entisol Bosque Formación Alcántaro Arena Francosa 297,75 299,5 387001 302011 526 167 25,59 -0,012 -228 1,387 81,71 TS-006 Entisol Bosque Lahar No Reportado 295,70 298,8 388047 302086 526 150 0 -0,002 0 0,000 0,00 TS-007 Entisol Bosque Formación Pital Franco Arenoso 296,22 298,9 388997 302005 583 150 13,43 0,008 152 1,878 63,86 TS-008 Entisol Bosque Formación Liberia Arena Francosa 297,25 299,3 389952 301955 580 146 1,46 0,028 532 2,550 83,56 TS-009b Entisol Bosque Formación Alcántaro Franco Arenoso 297,75 299,5 383001 303000 513 134 6,78 0,008 152 2,222 75,09 TS-010 Entisol Bosque Lahar Arena Francosa 296,55 302,3 383997 303000 465 23 5,66 0,000 0 2,286 78,76 TS-011 Entisol Pastizal Formación Pital No Reportado 300,05 302,2 384998 302999 522 89 2,16 0,000 0 2,503 0,00 TS-012 Entisol Bosque Lahar Franco Arenoso 297,25 301,6 385995 303003 563 157 25,92 0,000 0 1,375 75,08 TS-013 Entisol Pastizal Lahar Arena Francosa 299,25 303,6 387000 303001 588 163 29,66 0,005 95 1,252 84,58 TS-014 Entisol Bosque Lahar No Reportado 296,35 299,6 387999 302999 620 135,5 24,64 -0,001 0 0,000 0,00 TS-015 Entisol Bosque Formación Pital Franco Arenoso 297,25 299,8 389014 303004 599 75 5,35 0,000 0 2,305 72,72 44 Punto de Observación Tipo de Suelo Uso del Suelo Unidad Geológica Textura TMAS (°K) TMAA (°K) Este Norte Elev. Prof. Humedad Relativa dT/dz (°K/cm) Q (mW/m2) Densidad aparente (g/cm3) % Arenas TS-016 Entisol Pastizal Formación Pital Arena Francosa 298,40 299,7 389999 303002 622 150 13,37 -0,001 -19 1,881 81,56 TS-017 Entisol Bosque Lahar Arena Francosa 296,90 300,5 384005 304006 522 165,5 33,05 -0,004 -76 1,148 80,49 TS-018 Entisol Bosque Formación Pital Franco Arenoso 296,70 300,7 384979 304004 536 150 26,99 -0,024 -456 1,339 64,07 TS-019 Entisol Plantación Lahar Arena Francosa 298,95 301,5 385995 304007 573 91 15,08 0,000 0 1,802 82,99 TS-020 Inceptisol Bosque Lahar Franco Arenoso 297,75 301 387009 304002 617 64 24,55 0,000 0 1,423 68,48 TS-021 Inceptisol Bosque Lahar Arena 297,05 299,8 388009 304001 620 90 24,36 0,000 0 1,430 89,57 TS-022 Inceptisol Bosque Lahar Arena Francosa 296,18 299,7 388997 303999 693 167 26,81 -0,010 -190 1,345 80,74 TS-023 Inceptisol Bosque Lahar Franco Arenoso 297,35 300,8 390000 304002 711 164,5 23,05 0,001 19 1,477 70,74 TS-024 Inceptisol Bosque Lahar Arena 297,48 299,3 385003 304996 571 59 7,37 0,000 0 2,189 87,70 TS-025 Inceptisol Bosque Lahar Arena 296,68 298,9 386003 305000 628 66 11,71 0,000 0 1,961 89,34 TS-026 Inceptisol Bosque Lahar Arena Francosa 297,15 298,9 386999 305002 654 42 18,83 0,000 0 1,641 83,58 TS-027 Inceptisol Pastizal Lahar Arena 298,25 300,5 388006 305003 693 90 12,06 -0,004 -232 1,944 90,56 TS-028 Inceptisol Bosque Lahar Arena 296,45 297,5 389005 305003 723 42 24,12 0,000 0 1,438 92,71 TS-029 Inceptisol Bosque Lavas Andesíticas Arena Francosa 295,15 297,1 390000 304997 798 160 16,17 0,002 38 1,754 81,47 TS-030 Inceptisol Bosque Lavas Andesíticas Arena Francosa 296,35 296,8 384994 305999 646 154 20,23 0,002 38 1,585 80,50 TS-031 Inceptisol Bosque Lavas Andesíticas Arena Francosa 296,55 300,6 385996 306005 731 155 25,56 -0,006 -114 1,387 78,92 TS-032 Inceptisol Bosque Lahar Arena Francosa 297,65 297,4 387070 305945 763 165 21,21 -0,002 -38 1,547 78,40 45 Punto de Observación Tipo de Suelo Uso del Suelo Unidad Geológica Textura TMAS (°K) TMAA (°K) Este Norte Elev. Prof. Humedad Relativa dT/dz (°K/cm) Q (mW/m2) Densidad aparente (g/cm3) % Arenas TS-033 Inceptisol Bosque Lavas Andesíticas Arena Francosa 294,65 297,5 387991 305998 765 83 26,87 0,000 0 1,343 84,60 TS-035 Inceptisol Bosque Lavas Andesíticas Arena Francosa 294,95 295,7 389510 306070 805 79 10,26 0,008 152 2,037 79,74 TS-036 Inceptisol Bosque Lavas Andesíticas Franco Arenoso 296,85 297,3 382993 306984 632 114 15,4 0,006 114 2,239 74,14 TS-037 Inceptisol Bosque Lavas Andesíticas Arena Francosa 295,55 298,5 383993 306990 698 130 29,51 0,010 190 1,902 84,84 TS-038 Inceptisol Pastos Naturales Lavas Andesíticas Franco Arenoso 297,95 301,6 384968 307021 746 59 17,67 0,000 0 1,689 72,08 TS-039 Inceptisol Bosque Lavas Andesíticas Franco Arenoso 294,95 298,9 385996 307001 766 90 12,59 0,000 0 1,918 77,45 TS-040 Inceptisol Bosque Lavas Andesíticas Franco Arenoso 296,35 296,1 386985 307009 804 144,5 31,15 0,010 190 1,205 66,46 TS-041 Inceptisol Bosque Lavas Andesíticas Franco Arenoso 295,05 295,2 387982 306970 832 113 24,49 -0,003 -57 1,425 72,97 TS-042 Inceptisol Bosque Lavas Andesíticas No Reportado 293,95 295,6 388946 306986 866 85 0 0,000 0 0,000 0,00 TS-044 Inceptisol Pastizal Lavas Andesíticas Franco Arenoso 298,15 299,2 382000 307996 627 159 27,79 0,008 152 1,312 73,23 TS-045 Inceptisol Pastizal Lavas Andesíticas Franco Arenoso 298,35 299,2 383002 308002 680 150 15,4 0,006 114 1,788 72,45 TS-046 Inceptisol Pastizal Lavas Andesíticas Franco Arenoso 297,65 298,9 384003 307998 774 150 26,11 -0,002 -38 1,341 76,39 TS-047 Inceptisol Pastos Naturales Lavas Andesíticas Franco Arenoso 296,15 299,5 384999 307998 859 50 14,78 -0,002 -38 1,816 71,54 TS-048 Inceptisol Pastos Naturales Lavas Andesíticas Arena Francosa 293,55 297,2 385997 307995 928 158 15,56 -0,004 -76 1,781 81,63 TS-049 Inceptisol Bosque Lavas Andesíticas Franco Arenoso 294,75 297,8 387060 307829 953 69 7,52 0,000 0 2,180 74,25 TS-051 Inceptisol Bosque Productos Recientes Franco Arenoso 293,75 293,7 388756 308017 1057 127 26,65 -0,004 -76 1,350 76,61 46 Punto de Observación Tipo de Suelo Uso del Suelo Unidad Geológica Textura TMAS (°K) TMAA (°K) Este Norte Elev. Prof. Humedad Relativa dT/dz (°K/cm) Q (mW/m2) Densidad aparente (g/cm3) % Arenas TS-052 Inceptisol Bosque Lavas Andesíticas No Reportado 295,45 296,6 382998 308995 793 166 20,16 0,000 0 1,588 0,00 TS-053 Inceptisol Pastizal Lavas Andesíticas No Reportado 297,35 301 384005 308995 873 162 29,51 -0,008 0 1,425 0,00 TS-054 Inceptisol Pastizal Lavas Andesíticas Arena Francosa 295,85 299,6 384995 309006 998 156 26,11 0,000 0 1,256 77,13 TS-055 Inceptisol Pastos Naturales Lavas Andesíticas Franco Arenoso 294,05 298,5 385932 308987 1102 144 26,11 0,006 114 1,369 73,82 TS-056 Inceptisol Pastos Naturales Lavas Andesíticas Franco Areno Arcilloso 292,35 295,1 386995 308988 1262 160 16,79 0,008 288 1,727 50,79 TS-058 Inceptisol Bosque Lavas Andesíticas Franco Arenoso 295,45 297,5 384003 309999 911 152 18,85 0,004 76 1,640 64,90 TS-059 Inceptisol Pastos Naturales Lavas Andesíticas Arena Francosa 294,95 298,7 384954 310037 1059 150 15,24 0,002 38 1,795 81,04 TS-060 Inceptisol Bosque Productos Recientes Franco Arenoso 294,05 298,3 386048 309891 1291 150 0 0,004 76 1,115 72,14 47 TEXTURA DEL SUBSUELO Figura 17. Clasificación textural del subsuelo (N = 48). Nota: La textura del suelo oscila entre arena francosa y franco arenoso (87%) con cinco muestras que clasificaron como arena y uno como franco areno arcilloso.Además, se observa mayor varianza en la textura de los inceptisoles que la de los entisoles. 48 4.1 Temperatura Media en los Entisoles Los entisoles abarcan la parte sur del área de estudio y comprenden 19 puntos de observación entre las elevaciones 422 y 622 m.s.n.m y las perforaciones realizadas en estos suelos oscilaron entre 23 y 166 cm.La temperatura media anual del subsuelo fue 297,84 +/- 1,40 °K, mientras que la temperatura media anual del aire fue 300,40 +/- 1,53 °K (cuadro 9). Cuadro 9. Análisis descriptivo de la temperatura media anual del subsuelo y del aire en los entisoles. Medida estadística Media Error típico Mediana Moda Desviación estándar Varianza de la muestra Curtosis Coeficiente de asimetría Rango Mínimo Máximo Suma Cuenta Nivel de confianza (95,0%) Temperatura (°K) Subsuelo 297,84 0,32 297,25 297,25 1,40 1,96 0,06 0,90 5,15 295,70 300,85 5659,05 19 0,67 Aire 300,40 0,35 299,75 299,25 1,53 2,33 -0,58 0,53 5,60 297,95 303,55 5707,55 19 0,74 Se observauna relación inversa entre la temperatura del subsuelo y la elevación, mientras que la relación con la temperatura del aire es positiva (cuadro 10, figura 19). 49 Cuadro 10. Coeficientes de correlación de Spearman (r’) para las variables ambientales de intervalo respecto a la temperatura media anual del subsuelo en los entisoles (N = 19; p < 0,05 en negrita). TMAA Spearman´s 0,165 Este Norte Elev -0,309 -0,243 -0,314 Prof Humedad Relativa 0,049 0,089 dT/dz Q 0,317 0,154 Densidad Aparente % Arenas 0,060 0,128 TMAA: Temperatura media anual del aire; Este y Norte se refieren a las coordenadas norte y este, Prof: Profundidad; 2 dT/dz: Gradiente térmico; Q: flujo de calor (mW/m ). Figura 18. Temperatura media anual del subsueloen los entisoles y del aireen el área de estudio a diferentes elevaciones. La temperatura del subsuelo disminuye adiabáticamente conforme se asciende en elevación a razón de aproximadamente 1,1 °K por cada 100 metros (r’ = -0,314) y aumenta a razón de aproximadamente 0,22 °K por cada grado de incremento de la temperatura del aire (r’ = 0,165), lo cualnoes significativo estadísticamente(p >0,05). 50 Para una población muestral de 19, el valor crítico para el coeficiente de correlación de Spearman en una prueba de una cola (p < 0,05) es 0,391. Ninguna de las variables superó ese valor, y por tanto se debe aceptar la hipótesis nula de que no existe una relación significativa entre la temperatura del subsuelo y las variables medidas en los entisoles. Los entisoles en el área de estudio albergan pastizales y bosque, además de una plantación de Bombacopsis quinata.Hubo significativamente más puntos de observación en el tipo bosque que en los otros tipos de uso del suelo (Chi cuadrado; gl=2; 𝑋 2 = 9,58; p < 0,05).Hubouna diferenciasignificativa en la distribución de la temperatura del subsuelo en los diferentes usos de suelo (Kruskal-Wallis, H=6,876; p=3,212 x 10-2). Las mayores temperaturas del subsuelo fueron observadas en los tipos de uso pastizal y en la plantación de Bombacopsis quinata, mientras que las menores fueron observadas en el tipo bosque. En los bosquesla temperatura media anual del subsuelo fuesignificativamente menorque en los otros usos de suelo(Mann-Whitney;U2 = 11;p=4,397 x 10-3), mientras que en los pastizales la temperatura del subsuelo fue significativamente mayor (Mann-Whitney; U = 13; p = 1,129 x 10-2). Los entisoles en el área de estudio se desarrollaron sobre las unidades geológicas de Formación Alcántaro, Formación Liberia, Formación Pital y el lahar.No hubo una diferencia significativa en la cantidad de puntos de observación en los diferentes unidades geológicas (Chi cuadrado; gl=3; 𝑋 2 = 4,04; p > 0,05).Nohubo una diferencia significativa en la distribución de la temperatura media anual del subsuelo sobre las diferentes unidades geológicas(Kruskal-Wallis, H=5,907; p=1,162 x 10-1). La textura del subsuelo de los entisoles en el área de estudio fue categorizada en arena francosa y franco arenoso, además de algunos sitios donde la textura del subsuelo no fue reportada.No hubo una diferencia significativa en la cantidad de puntos de observación en los diferentes texturas del subsuelo (Chi cuadrado; gl=2; 𝑋 2 = 1,68; p > 0,05).No hubo una diferencia significativa en la distribución de la temperatura media anual del subsuelo en las diferentes texturas del subsuelo(Kruskal-Wallis; H=1,955; p=3,762 x 10-1). 51 4.2 Temperatura media en los inceptisoles Los inceptisoles abarcan la parte norte del área de estudio y comprenden 37 puntos de observación entre las elevaciones 571 y 1291 m.s.n.m, y las perforaciones realizadas en estos suelos oscilaron entre 42 y 167 cm. La temperatura media anual del subsuelo fue 296,00 +/1,52°K, mientras que la temperatura media anual del aire fue 298,20 +/- 1,86°K (cuadro 11) Cuadro 11. Análisis descriptivo de la temperatura media anual del subsuelo y del aire en los inceptisoles. Medida estadística Media Error típico Mediana Moda Desviación estándar Varianza de la muestra Curtosis Coeficiente de asimetría Rango Mínimo Máximo Suma Cuenta Nivel de confianza (95,0%) Temperatura (°K) Subsuelo 296,00 0,25 296,18 294,95 1,52 2,31 -0,63 -0,34 6,00 292,35 298,35 10952,13 37,00 0,51 Aire 298,21 0,31 298,45 298,85 1,86 3,47 -0,27 -0,36 7,90 293,65 301,55 11033,65 37,00 0,62 Se observa una relación inversa con la temperatura conforme se asciende en elevación, la cual es más pronunciada en el subsuelo que en el aire (cuadro 12, figura 19). 52 Cuadro 12. Coeficientes de correlación de Spearman (r’) para las variables ambientales de intervalo respecto a la temperatura media anual del subsuelo en los inceptisoles (N = 37; p < 0,05 en negrita). Spearman's TMAA Este Norte Elev Prof Humedad Relativa dT/dz Q Densidad Aparente % Arenas 0,660 -0,245 -0,369 -0,743 -0,064 0,164 -0,082 -0,077 0,087 0,093 TMAS: temperatura media anual del subsuelo; TMAA: temperatura media anual del aire; Este y Norte se refieren a 2 las coordenadas norte y este, Prof: Profundidad; dT/dz: Gradiente térmico; Q: flujo de calor (mW/m ). Figura 19. Temperatura media anual del subsuelo en los inceptisoles y del aire en el área de estudio a diferentes elevaciones. La temperatura media anual del suelo en los inceptisoles disminuye adiabáticamente conforme se asciende en elevación a razón de aproximadamente 0,66 °K por cada 100 metros (r’ = - 53 0,743), y aumenta a razón de aproximadamente 0,54 °K por cada grado de incremento de la temperatura del aire (r’ = -0,660), los cualesson significativos estadísticamente(p < 0,05). Para una población muestral de 37, el valor crítico para el coeficiente de correlación de Spearman en una prueba de una cola (p < 0,05) es 0,275.Además de la elevación y la temperatura del aire, la coordenada norte es una variable significativa (r = -0,369; p < 0,05). Dado que el valor absoluto calculado de r’ supera al valor crítico respecto a la elevación, la temperatura del aire y la coordenada norte; se rechaza la hipótesis nula y acepta la hipótesis alternativa de que existe unarelación lineal significativa entre estas variables y la temperatura del subsuelo en los inceptisoles. Los inceptisoles albergan bosque y pastizales, además de pastos naturales. Hubo significativativamente más puntos de observación en bosque que en los otros tipos de uso de suelo (Chi cuadrado; gl=2; 𝑋 2 = 19,51; p < 0,05). Hubo una diferenciasignificativa en la distribución de la temperatura del subsuelo en los diferentes usos de suelo (KruskalWallis; H=7,348; p=2,537 x 10-2).Las mayores temperaturas del subsuelo fueron observadas en pastizal, mientras que las menores fueron observadas en pastos naturales y bosque. En los pastizalesla temperatura media anual del subsuelo fuesignificativamente mayor que en los otros usos de suelo (Mann-Whitney; U = 36; p=9,421 x 10-3), mientras que en los pastos naturalesfuesignificativamente menor(Mann-Whitney; U = 53; p=4,966 x 10-2). Los inceptisoles se desarrollaron sobre las unidades geológicas de lahar, lavas andesíticas y productos recientes. Hubo significativamente más puntos de observaciónen lavas andesíticas que en las otras unidades geológicas (Chi cuadrado; gl=2; 𝑋 2 = 22,11; p < 0,05).Hubo una diferenciasignificativa en la distribución de la temperatura del subsuelo sobre las diferentes unidades geológicas(Kruskal-Wallis; H=13,127; p=1,411 x 10-3).Las mayores temperaturas del suelo se presentaron en el lahar, mientras que las menores fueron observadas en productos recientes.Sobre el laharla temperatura media anual del subsuelo fue significativamente mayorque sobre las otras litologías(Mann-Whitney; U = 41; p=6,528 x 10-4). La textura del subsuelo en los inceptisoles fue categorizada en arena, arena francosa, franco areno arcilloso y franco arenoso, con algunos suelos sin reportar. Hubo significativamente más puntos de observación en franco arenoso que en las otras texturas del subsuelo (Chi cuadrado; gl=4; 𝑋 2 = 18,15; p < 0,05).Nohubo una diferenciasignificativa en la distribución de la temperatura media anual en las diferentes texturas del subsuelo (Kruskal-Wallis; H=7,375; p=1,173 x 10-1). 54 Estos son los primeros datos reportados de la temperatura media anual del subsuelo en los inceptisoles y entisoles no térmicamente activos que prevalecen en la falda pacífica del complejo volcánico Rincón de la Vieja para la prospección geotérmica sostenible, por lo cual se resumen algunos datos estadísticos (cuadro 13). Cuadro 13. Resumen de los datos estadísticos generales de la temperatura del subsuelo en el área de estudio. Tamaño de la muestra Temperatura máxima del subsuelo (°K) Temperatura mínima del subsuelo (°K) Temperatura media anual del subsuelo (°K) Elevación (valor p según Spearman’s) Temperatura del aire (valor p según Spearman’s) Uso del suelo (valor p según K-W) Sustrato geológico (valor p según K-W) Textura del subsuelo (valor p según K-W) Entisoles Inceptisoles 19 37 300,85 298,35 295,70 292,35 297,84 +/- 1,40 296,00 +/- 1,52 9.52 x 10-2 7,00 x 10-8 2.49 x 10-1 4,41 x 10-7 3,212 x 10-2 2,537 x 10-2 1,162 x 10-1 1,411 x 10-3 3,762 x 10-1 1,173 x 10-1 Existe una diferencia de aproximadamente 2°K en la temperatura media anual del subsuelo entre los entisoles e inceptisoles.En el caso de los entisoles, la temperatura media anual del subsuelo es afectada significativamente solo por el uso del suelo. En cambio, la temperatura media anual del subsuelo en los inceptisoles varía significativamente en función de la elevación, la temperatura del aire, el uso del subsuelo y el sustrato geológico. Para determinar si existe alguna influencia significativa sobre la temperatura media anual del subsuelo en los entisoles e inceptisoles por efecto de la onda térmica anual se analiza las tendencias correspondientes. 55 4.3 Comportamiento de la onda térmica anual en los entisoles e inceptisoles Dado que la temperatura media anual del subsuelo es un promedio de cuatro mediciones de temperatura tomadas en un mismo punto durante diferentes épocas del año, y para cuantificar el efecto estacional sobre la temperatura media del subsuelo, se presentan a continuación los datos de los cuatro periodos de mediciones en los inceptisoles y entisoles (cuadro 14, figura 23). Cuadro 14. Datos generales de la temperatura media del subsuelo en los entisoles e inceptisoles durante los cuatro periodos de medición. Periodo de medición 1 2 3 4 Fechas 20/06/2008 – 27/11/2008 11/10/2008 – 06/03/2009 03/03/2009 – 13/06/2009 04/06/2009 –06/09/2009 𝑥 Entisoles 298,26 295,87 298,92 298,75 𝑥 Inceptisoles 296,23 294,20 296,63 296,70 Figura 20. Oscilación de la temperatura media del subsuelo en los entisoles (N=19) e inceptisoles (N=37) en el área de estudio durante el año. 56 La temperatura media anual del subsuelo de los entisoles es significativamente mayor que en los inceptisoles(Wann-Whitney; U: 133,5; z=3,773; p=8,08 x 10-5).No obstante, la oscilación en la temperatura del subsuelo durante los cuatro periodos de medición no fue significativa en ninguno de los dos tipos de suelo respecto a la temperatura media anual (cuadro 15). Cuadro 15. Determinación del valor p para la oscilación de la temperatura del subsuelo durante los cuatro periodos de medición. Entisoles Inceptisoles Tamaño de la muestra 4 4 Temperatura máxima del subsuelo (°K) 298,92 296,70 Temperatura mínima del subsuelo (°K) 295,87 294,20 Temperatura media anual del subsuelo (°K) 297,95 +/- 1,41 295,94 +/- 1,17 Coeficiente de Correlación 0,412 0,420 Onda térmica anual (Valor p) 2,94 x 10-1 2,90 x 10-1 Para posiblemente determinar el grado de afectación a la temperatura del subsuelo de los entisoles e inceptisoles durante el año a diferentes elevaciones,se presenta a continuación las regresiones linealescorrespondientes para los cuatro periodos de medición (figura 21, cuadro 16). 57 Entisoles Inceptisoles Figura 21. Regresiones lineales de la temperatura del subsuelo en los entisoles (N=19) e inceptisoles (N=37) durante el año. 58 Cuadro 16. Determinación del valor p para las correlaciones lineales entre la temperatura del subsuelo de los entisoles (N=19) y los inceptisoles (N=37) respecto a la elevación en los cuatro periodos de medición. Periodo de medición Primer Segundo Tercer Cuarto Entisoles (R) -0,330 0 -0,687 -0,479 Inceptisoles (R) -0,660 -0,573 -0,508 -0,749 Entisoles (Valor p) 0,083 0,500 5,782 x 10-4 1,899 x 10-2 Inceptisoles (Valor p) 4,410 x 10-6 1,050 x 10-4 6,641 x 10-4 5.000 x 10-8 R: Coeficiente de correlación de Spearman. p<0.05 en negrita. En los inceptisoles el coeficiente de correlación de Pearson muestra una relación lineal inversasignificativa con la elevación durante todo el año (valor p < 0,05), mientras que en los entisoles,a pesar de que existe una relación lineal inversa con respecto a la elevación, solo fue significativa durante el tercer y cuarto periodo de medición (Cuadro 16). Las variables medidas inciden más,significativamente,a la temperatura media anual del subsuelo de los inceptisoles que de los entisoles. Por tanto se realiza a continuación una regresión lineal múltiple de la temperatura media anual del subsuelo en los inceptisoles con la finalidad de posiblemente determinar sialguna de estas variablesmedidas puede ser utilizadaen combinación con la temperatura de subsuelo como indicadores ambientales para la prospección geotérmicasostenible. 4.4 Regresión linealmúltiple de los datos de la temperatura del subsuelo en los inceptisoles En los inceptisoles, las variables de intervalo que tienen un efecto significativo sobre la temperatura del subsuelo (de mayor a menor significancia) son: 1) la elevación, 2) la temperatura del aire, y 3) la coordenada norte. Mientras tanto, las variables nominales son: 1) el uso del suelo y 2) el sustrato geológico (Cuadro 17). Cuadro 17. Variables utilizadas en la regresión lineal múltiple de la temperatura media de los inceptisoles. Variable 𝑥1 𝑥2 𝑥3 𝑥4 𝑥5 Elevación Temperatura del aire Coordenada Norte Uso del suelo Sustrato geológico Coeficiente de correlación de Spearman -0,743 0,660 -0,369 Valor H de Kruskal-Wallis 7,348 13,127 Valor p 7,00 x 10-8 4,41 x 10-7 1,23 x 10-2 2,537 x 10-2 1,411 x 10-3 59 La regresión lineal múltiple correspondientese describe con la siguiente ecuación: 𝑦 = 195,57 − 0,005𝑥1 + 0,216𝑥2 + 1,288 × 10−4 𝑥3 + (0,129 … 1,473)𝑥4 + −0,007 … 0,667 𝑥5 + 𝜀 El coeficiente de correlación R es de 0,9193 y el coeficiente de determinación R2 es de 0,8451 (Anexo 6) lo cual es una correlación estadísticamente significativa. De las variables incluidas en la regresión, solamente resultaron significativas la elevación, la temperatura del aire y el uso del suelo (pastizal). Al resolveresta regresión múltiple se encontrarondos puntos de observación donde la residual estándar de la temperatura media anual del subsuelo es mayor a 1,645, y por tanto podrían ser anomalías térmicas en el subsuelo (figuras 22 y 23). Corresponden con los puntos de observación TS-038 y TS-040, y que al parecer no se logaran explicar con un modelo lineal. Lo anterior apoya la hipótesis alternativa de que una temperatura media anual del subsuelo estadísticamente mayor que la temperatura media anual poblacional es detectable mediante la metodología empleadaen esta investigación. Figura 22. Pronóstico de la temperatura media anual del subsuelo calculado a partir de una regresión múltiple de los datos estadísticamente significativosen los inceptisoles. 60 Figura 23. Residuales estándares de la temperatura media anual del subsuelo calculado a partir de una regresión múltiple de los datos estadísticamente significativos en los inceptisoles. 4.5 DistribuciónGeográfica de la Temperatura del Subsuelo en los Inceptisoles Anteriormente se presentó que en los cuatro periodos de medición durante el año no se observó una oscilación significativa en la temperatura media del subsuelo por efecto de la onda térmica anual.Además, según la regresión lineal múltiple de la sección anterior, la temperatura media anual del subsuelo en los inceptisoles es afectada significativamente por diferencias de elevación, temperatura del aire,el uso del suelo y el sustrato geológico (cuadro 17). Para una población de 37 puntos, el valor crítico para r (p<0,05) es 0,275 y los coeficientes de correlación de Spearman (r’) de estas variables superan ese valor, además de los valores H de Kruskal-Wallis (Cuadro 12).Por lo tanto, se acepta la hipótesis alternativa de que existe una relación significativa entre la distribución geográfica y la temperatura media anual del subsuelo en los inceptisoles (Figura 24).Los puntos de observación TS-038 y TS-040identificados en el apartado anterior se localizan en el centro del área de estudio en un área grande de pastizal rodeado por bosque. 61 Figura 24. Distribución espacial de la temperatura del subsuelo en los inceptisoles durante el periodo del 20 de junio de 2008 al 6 de setiembre de 2009. Nota: Las tonalidades amarillas representan las temperaturas más altas del subsuelo y las tonalidades celestes representan las temperaturas más bajas del subsuelo. El rumbo NO-SE de los contornos de temperatura del subsuelo coincide con la orientación de los contornos elevacionales. Además, se aprecia una tendencia de mayores temperaturas hacia el sur y oeste en el sector de los inceptisoles, lo cual es estadísticamente significativo(Cuadro12). 62 5 DISCUSIÓN En esta investigación se obtuvieron los primeros datos del perfil de la temperatura del subsuelo en los entisoles e inceptisoles de la falda pacífica del volcán Rincón de la Vieja mediante la medición periódica de la temperatura del subsuelo en agujeros perforados hasta una profundidad de entre 23 y 167 cm, para analizar cómo se relacionaban con la temperatura del aire, la elevación, el uso del suelo, el sustrato geológico y la textura del subsuelo,con la finalidad determinarsi podían ser utilizados como indicadoresambientales enla prospección geotérmica sostenible. La temperatura del subsuelo poblacional fue 296,62 + 1,70K° y al analizar el comportamiento de la temperatura media del subsuelo en los entisoles e inceptisoles por separado, se determinó que provienen de poblaciones estadísticamente diferentes (Kruskal-Wallis; H: 14,23; p=1,62 x 10-4). Lo anterior está asociado principalmente con diferencias de elevación y uso de suelo. Las mayores temperaturas fueron medidas a las menores elevaciones y las menores temperaturas a las mayores elevaciones, lo cual coincide con lo reportado por Melendez-Colom (s.f.) para un estudio similar en Puerto Rico. Adicionalmente, se encontraron mayores temperaturas del subsuelo en pastizales que en el bosque por una diferencia de unos 2 a 3°K, y según Fosythe (2000) esto es posiblemente debido a que en el bosque hay menos radiación solar incidente (RSi). El perfil de la temperatura del subsuelo en este estudio fue menor que el perfil del aire por una diferencia de 2,32°K en las medias. La oscilación anual de la temperatura del subsuelo en los entisoles e inceptisoles no fue significativa y tampoco no se detectó la onda térmica bimodal. Estos resultados son contrarios a lo reportado por Forsythe (2000), posiblemente por diferencias en la densidad y frecuencia de muestreo. Se logró determinar una clara disminución adiabática no significativa en los entisoles y significativo para los inceptisoles,posiblemente debido al gradiente topográfico (que es más inclinado en los inceptisoles por estar cubriendo principalmente a lavas andesíticas en la falda del volcán). Adicionalmente, en los entisoles ninguno de las variables ambientales nominales medidas afectaron significativamente a la temperatura media anual del subsuelo, mientras que en los inceptisoles, la temperatura media anual del subsuelo se relacionó significativamente en función del uso del suelo y el substrato geológico y ubicación geográfica. 63 Los inceptisoles desarrollados sobre las lavas andesíticas en el rango de 750 a 800 m s.n.m. tienen temperaturas significativamente mayores que lavas andesíticas a otras elevaciones,posiblemente por haberdiferencias en el uso del suelo, o por la influencia de alguna estructura geológica profunda que aporta calor.El análisis estadístico de residuales de la temperatura del subsuelo en los inceptisoles señala dos sitios en ese rango de elevaciones (TS038 y TS-040)que podrían ser anómalos por tener una temperatura media anual del subsuelo significativamente mayor que la temperatura media anual poblacional y que podrían ayudar en la prospección geotérmica.Estas anomalías podríanrelacionarsecon estructuras geológicas sepultadas o manifestaciones termales fósiles en superficie (sinter, travertino), aunque estos no fueron observados en el campo. Tambiénexiste la posibilidad de que se relacionen con aguas termales someras o bien con una roca ígnea intrusiva situada a poca profundidad en ese sector, la cual podría estar almacenando un calor remanente.Estos dos sitios se localizan sobre lahar y lava andesítica en bosque y pastos naturales, respectivamente por lo cual entre las elevaciones de 750 y 800 m estas variables ambientales podrían ser utilizadas junto con la temperatura del subsuelo en los inceptisoles como indicadores ambientales que ayuden en la prospección geotérmica del Campo Geotérmico Las Pailas. 64 6 CONCLUSIONES 1) La temperatura media anual poblacional del subsuelo en el área de estudio fue 296,62 +/- 1,70°K,y se clasifica dentro de los regímenes térmicos: térmico, isotérmico e isohipertérmico. 2) La temperatura media anual del subsuelo en los inceptisoles es significativamente menor que en los entisoles. 3) La temperatura media anual del subsuelo en los entisoles (N=19) fue 297,84 +/- 1,40°K. 4) Existe una relación lineal inversa no significativa entre la temperatura del subsuelo en los entisoles respecto a la elevación. 5) La temperatura media anual del subsuelo en los pastizales desarrollados sobre los entisoles es significativamente mayor que en los bosques y plantación. 6) No se observaron diferencias significativas en cuanto a la temperatura del subsuelo en los entisoles respecto alsustrato geológico ni la textura del subsuelo. 7) La temperatura media anual del subsuelo en los inceptisoles (N=37) fue 296,0 +/1,51°K. 8) Existe una relación lineal inversa significativa entre la temperatura del subsuelo en los inceptisoles respecto a la elevación. 9) Existe una relación significativa entre la temperatura del subsuelo en los inceptisoles respecto a la temperatura del aire y la coordenada norte. 10) La temperatura media anual del subsuelo en los pastizales desarrollados sobre los inceptisoles fuesignificativamente mayor que en los otros usos de suelo;en los pastos naturales fue significativamente menor. 11) En los inceptisoles sobre el lahar la temperatura media anual del subsuelo fue significativamente mayor que sobre las otras litologías. 12) Sobre la cuadrícula equidistanciado cada kilómetro se determinó quehay significativamente más bosque que otros usos de suelo en el área de estudio. 65 13) La profundidad promedio de los agujeros en los entisoles fue 122,74 cm, mientras que en los incpetisoles fue 119,43 cm. No obstante, la profundidad de la medida no fue una variable significativa en la temperatura del subsuelo. 14) Las mediciones periódicas de la temperatura del subsuelo durante el año permitieron observar un comportamiento estacional oscilante no significativode la temperatura del subsuelo tanto en los entisoles como en los inceptisoles,que se interpreta como el efecto de una baja onda térmica anual. 15) Los menores valores de la temperatura del subsuelo fueron detectados en el inicio de la estación seca (diciembre), y permanecieron en aumento a través de la época seca hasta alcanzar las mayores temperaturas medidas, previo a la época lluviosa (mayo), cuando las temperaturas empezaron a disminuir.Esto podría ser el reflejo de la onda térmica anual. 16) En los inceptisoles la temperatura media anual del subsuelo es afectada significativamente por variables de intervalo (temperatura del aire, coordenadas geográficas, elevación) y variables nominales (uso de suelo y sustrato geológico). En cambio, en los entisoles solamente existe una diferencia significativa en la temperatura del subsuelo por diferencias en el uso de suelo. 17) El gradiente térmico varió entre -0,006 y 0,016 ºK/cm a partir de los 50 cm, y que los primeros 20 cm de suelo no pueden ser utilizados para determinar el gradiente térmico, dado que la temperatura medida a estas profundidades está fuertemente afectada por la onda térmica diurna y el efecto de albedo, así que era muy común encontrar un pronunciado enfriamiento del suelo en ese rango, posiblemente debido a la evaporación. 18) Existe un gradiente conductivo entre 20 y 50 cm de profundidad y entre los 50 y 150 cm, la temperatura varió menos que 1ºC en la mayoría de los puntos de observación, lo cual sugiere que cualquier variación en la onda térmica diurna entre 50 y 150 cm es mínima y en muchos casos prácticamente nula. 19) Tanto en los entisoles como en los inceptisoles, la temperatura media anual del subsuelo es significativamente más alta en los pastizales que en los bosques. 20) En los inceptisoles, existe una relación estadísticamente significativa entre la temperatura media anual del subsuelo y la temperatura del aire, la elevación, el uso del 66 suelo y el sustrato geológico de manera que una alta temperatura del subsuelo en el bosque, desarrollado sobre lavas andesíticas, es un indicador ambiental para la prospección geotérmico sostenible cada vez más significativa mientras a mayor elevación está. 67 7 RECOMENDACIONES Adicionales investigaciones geotérmicas, incluyendo medidas de la Tsubsuelo, deben llevarse a cabo entre las elevaciones de 750 – 850 m.s.n.m. en el Campo Geotérmico Las Pailas, posiblemente enfocándose específicamente en el flujo de calor (mW/m2) en la zonas fumarólicas para determinar la orientación y extensión de la fuente de calor de las mismas, además de en los sitios de TS-038 y TS-040. Se sugiere el uso de mediciones de la Tsubsuelo en agujeros de 1 – 2 m en otros campos geotérmicos alrededor del mundo, para complementar los datos geocientíficos existentes y así determinar si funciona este tipo de prospección geotérmica en otras partes del mundo. Se recomiendaninvestigaciones geocientíficas adicionales, que incluyan estudios detallados de la temperatura del subsuelo tanto como investigaciones geoquímicas al nivel del subsuelo (flujo de CO2, Hg, As, Rn), y se enfoquen específicamente entre las elevaciones de 750 – 850 m.s.n.m. en el Campo Geotérmico Pailas y los puntos en el campo donde parecen existir anomalías térmicas según esta investigación (TS-038 y TS-040). Series de dataloggers han sido utilizados en otros estudios, y de contar con el equipo se recomienda usarlos según la siguiente configuración. Se entierran cinco dataloggersa diferentes profundidades (0 cm, 50 cm, 100 cm, 150 cm, y 200 cm) para conseguir series temporales de la temperatura del subsuelo durante periodos de 24 horas, y así determinar hasta qué profundidad penetra la honda térmica diurna en diferentes áreas y conseguir datos más confiables del gradiente térmico del subsuelo y del flujo de calor (mW/m2). De realizar este tipo de estudio, se sugiere utilizar un RTD (o serie de RTDs), dado que comercialmente estos son los tipos de termómetros que se utilizan para calibrar las mediciones de los termopares. Son útiles los métodos ópticos pasivos mediante el uso de imágenes satelitales tipo ASTER (Advanced Spaceborn Thermal Emission and Reflection Radiometer), empleando las bandas 4, 5 y 6, para cartografiar el calor del suelo. En el caso de que la deteccion sea debil o despreciable con las imagenes ASTER corregidas, es importante considerar el uso de metodos activos que emplean las micro-ondas de radar en la confección de imágenes térmicas infrarojas (TIR) las cuales pueden penetrar unos pocos metros debajo de la superficie y,en combinación con el análisis multispectral, puede resaltar anomalías. 68 Complementariamente, es importante considerar estudiar el perfil del suelo a nivel de unidades cartográficas, debido a la posible hidromorfía edáfica que puede influir en los resultados, especialmente en el subsuelo. Entre los factores que están relacionados con la hidromorfía del sitio, está la textura del suelo, la mineralogía o sustrato geológico, el color, la permeabilidad y conductividad hidráulica, la temperatura del subsuelo y el flujo de calor. Adicionalmente se considera de utilidadcomplementar el perfil de la temperatura del subsuelo con otros métodos geofísicos comosondeos eléctricos verticales con una separación corta de ab/2 para caracterizar la conductividad eléctrica del subsuelo a poca profundidad y estudios magnetométricos para localizar sitios donde existe una posible alteración hidrotermal subterránea cercana a la superficie y que se podrían relacionar con la hidromorfía del sitio. Hubo varias lecciones aprendidas durante esta investigación,las cuales son motivo para aplicar algunas modificaciones a la metodología empleada, ya que se considera que podrían mejorar la calidad de los resultados, específicamente para la prospección geotérmica.Por tanto, se propone las siguientes modificaciones a esta metodología empleada para la prospección geotérmica: 1) Definir el área de prospección en función de la localización de manifestaciones termales (fumarolas, nacientes termales, sinter, travertino, alteración argílica avanzada) y realizar perforaciones más profundas (mínimo hasta dos metros de profundidad), equidistanciadas en esos suelos térmicamente activos, con la finalidad de tomar la temperatura en esos agujeros y medir el flujo de calor para delimitar la forma de la fuente de calor allí, según lo recomendado por Eneva et al.(2007). 2) Confeccionar un tubo rígido con un punto de acero u otro metal con alta conductividad térmica y dureza, que se puede insertar en el suelo en el fondo de los agujeros, y luego bajar el termopar para registrar la temperatura del subsuelo dentro del tubo, mientras se mide simultáneamente la temperatura del suelo con otro termopar a 50 cm; o bien 3) Medir la temperatura del suelo simultáneamente a 0, 50, 100, 150 y 200 cm en un agujero sin revestimiento, además de medir la temperatura del aire a 1,5 m sobre el nivel del suelo con seis termistores y un datalogger a diferentes horas del día y periódicamente durante el año. 4) Medir las tres propiedades termodinámicas del suelo in situ empleando el método de doble probeta (una que emite pulsaciones de una Q conocida y el otro que es un sensor 69 de temperatura) separado por una distancia fija (r). Mediante la transferencia de calor en función de tiempo (s) se mide directamente capacidad calorífica volumétrica y la difusividad térmica del suelo. Con estos dos datos medidos en el campo, se calcula la conductividad térmica del suelo. 5) Además, en el análisis granulométrico hubo algunos procedimientos que no fueron empleados en esta investigación que se consideran importantes para la obtención de datos más confiables y que deben ser realizados en futuras investigaciones de este tipo: a. Eliminar la materia orgánica del suelo lavándolo con peróxido de hidrógeno (H2O2); y b. Sumergir la muestra de suelo en una solución de hexametafosfato de sodio para dispersar las arcillas. Como parte del análisis estadístico, se recomienda realizar una regresión linealo polinómicamúltiple de todos los datos medidos con el análisis de residuales para resaltar puntos donde podría existir una anomalía térmica de origen profundo,siguiendo el ejemplo de Coolbaugh (2011). Para reducir el posible efecto del enfriamiento del suelo por aguas pluviales durante la época lluviosa y así aumentar la señal del flujo de calor, se sugiere llevar a cabofuturas investigaciones de este tipo al final de la época seca y previo a la época lluviosa. 70 8 COMENTARIOS FINALES La medición de la temperatura del suelo ha resultado ser una herramienta útil para la prospección geotérmica en otros campos geotérmicos en otras partes del mundo (LeShack et al., 1983; & Bjornsson, 1991; Eneva et al., 2007; Coolbaugh et al., 2006 a y b, 2007 & 2011, Sladek et al., 2009; Leaman, 1978; LeSchack & Lewis, 1983; Lechler P., 2004; Mongillo, 1992; Saba et al., 2007; Ehara, 2000) aunque en lugares principalmente desérticos y a otras latitudes. Por esto, se quiso probar la efectividad de esta forma de prospección en un país tropical. El flujo de calor es un parámetro utilizado en la prospección geotérmica y es el producto del gradiente térmico y la conductividad térmica. Según Coolbaugh (2011), los gradientes térmicos medidos entre 150 y 200 cm son más confiables para los cálculos del flujo de calor ya que por la profundidad se verían menos afectados por la onda térmica diurna. En esta investigación la mayor profundidad alcanzada fue tan solo 164 cm por lo cual el tramo más profundo que se pudo analizar en cuanto al gradiente térmico fue el de entre 100 y 150 cm (36 de los 56 agujeros) y resultó en un la estimación del flujo de calor, en un promedio de 86,5 mW/m2 para suelo seco con base en datos tabulados en la literatura de la conductividad térmica del suelo según la granulometría del mismo.Se tuvo la inconveniente en esta investigación de no contar con las herramientas para medir la conductividad térmica del suelo, y por tanto existe duda en cuanto a la confiabilidad de los valores estimados del flujo de calor en este estudio. A pesar de ello se recomienda en futuras investigaciones profundidades mayores para minimizar la influencia de las ondas térmicas diurna y anual a la temperatura del subsuelo (Williams, 1976; Poley, 1970; LeSchack, 1983; Witter et al., 2007), especialmente en los suelos húmedos y con una granulometría media a gruesa por tener una mayor conductividad térmica, lo cual facilita una mayor penetración de la onda térmica diurna. De acuerdo con Coolbaugh (2011),los gradientes térmicos serían más significativos y confiables para el cálculo del flujo de calor ya que por la misma profundidad y menor afectación por la onda térmica diurna el gradiente térmico sería más constante en el tiempo. Los métodos de bajo impacto ambiental, como lo es la medición de la temperatura del subsuelo, son necesarios para en la prospección geotérmica, ya que existen muchos lugares sin explorar en Costa Rica. La energía geotérmica es producida constantemente, de manera que puede ser utilizada como carga base ante la creciente demanda energética del país sin tener que recurrir al uso de combustibles fósiles, los cuales son mucho más contaminantes. Adicionalmente, con 71 el continuado desarrollo tecnológico, la energía geotérmica podría llegar a ser utilizable para cubrir las necesidades energéticas de demanda pico. La energía geotérmica es un recurso natural utilizado en varias aplicaciones, de uso directo (recursos de baja a media entalpía),así como para la generación de electricidad (recursos de alta entalpía). La medición de la temperatura del subsuelo es un método de prospección factible para ambas aplicaciones, pero podría ser particularmente eficaz para los recursos de baja a media entalpía dado que en muchos casos estos recursos están localizados a poca profundidad. La energía geotérmica es un recurso natural energético beneficioso para los costarricenses por ser autóctono, poco contaminante y sostenible en el tiempo desde el punto de vista ambiental. No obstante lo anterior, debido a la colindancia al norte del Proyecto Geotérmico Las Pailas con el Parque Nacional Rincón de la Vieja, las futuras etapas de prospección geotérmica tradicional hacia el norte están prohibidas según la legislación actual, a pesar de que estas zonas forman parte del área de posible interés geotérmico, y por tanto se requiere de métodos de prospección menos invasivos para determinar la extensión del reservorio. Las propiedades térmicas del suelo están cobrando mayor importancia en las ciencias ambientales para la determinación de la dirección del flujo de agua, al igual que en aplicaciones tales como ingeniería, climatología, agricultura y la prospección geotérmica. Es posible que en el acenso del calor hacia la superficie las aguas subterráneas de acuíferos fríos someros reduzcan el flujo de calor proveniente del interior de la tierra (mW/m2), y hagan que este no llegue a la superficie. La exploración geotérmica tradicional por medio de la perforación de pozos de gradiente está prohibida dentro del Parque Nacional Rincón de la Vieja, al norte del Proyecto Geotérmico Las Pailas, y está limitada en la propiedad privada llamada Mundo Nuevo, al oeste. Por el otro lado, la medición de la temperatura del subsuelo es una forma de investigación geotérmica que no tiene ningún impacto ambiental y que podría ser compatible con las políticas de manejo de los terrenos dentro de los parques nacionales y áreas protegidas. Además, la medición de la temperatura del subsuelo podría localizar anomalías térmicas al nivel del subsuelo en estas áreas, especialmente si estuvieran relacionadas con alguna falla o estructura geológica sepultada que alberga un calor remanente que es transmitido hacia la superficie. 72 La medición de la temperatura del subsuelo es un buen método para determinar la forma de una anomalía de calor en lugares con manifestaciones termales en superficie. Además son útiles para corregir imágenes satelitales con detectores de calor(heat sensing satellite imagery). Estudios sobre la temperatura del subsuelo no son nuevos en las investigaciones geotérmicas, pero representan un método de investigación subutilizado en esta disciplina, que puede proveer información importante y a un bajo costo. La medición de la temperatura del subsuelo a 1,5 metros de profundidad es una herramienta geofísica que puede ser utilizada para determinar la existencia de anomalías térmicas de una forma rápida y que ha sido relacionada con otras mediciones geofísicas en otros campos, además es rápida y fácil de realizar. No obstante, por ser mediciones muy someras, para la identificación definitiva de estructuras geológicas las anomalías tienen que ser sustentadas por otra evidencia geofísica y geológica (Poley &Van Steveninck, 1970). La medición de la temperatura del suelo en perforaciones de poca profundad (hasta 100 cm) es una herramienta eficiente para la prospección geotérmica en campos ocultos, ya que puede identificar anomalías térmicas independientes de variables ambientales como: 1) la elevación; 2) el uso del suelo;y 3) el sustrato geológico. Existe una inversión térmica muy común en los primeros 20 cm, posiblemente debido al efecto de la onda térmica diurna. A partir de esta profundidad se observa un gradiente térmico conductivo en el subsuelo, hasta aproximadamente 50 cm de profundidad. A partir esa profundidad el gradiente térmico es menor. Este comportamiento del gradiente térmico disminuye exponencialmente a partir de los 20 cm de profundidad, lo que podría continuar hasta los primeros 20 metros de profundidad (o hasta una profundidad donde las temperaturas se mantienen constantes y no están afectadas por la oscilación de la onda térmica anual). En el bosque fue común observar que el gradiente térmico era ascendiente, mientras que en los pastizales el gradiente térmico era descendente, a pesar de que en ningún caso entre una misma cota elevacional la temperatura al fondo del agujero en el bosque fuera mayor que en los pastizales. Esto se puede explicar por la tendencia de disminuir exponencialmente la temperatura del subsuelo (mencionado en el párrafo anterior) mientras busca un equilibrio o una temperatura media anual del subsuelo no variante a una mayor profundidad. Por eso en los pastizales la temperatura del subsuelo tendría que necesariamente disminuir desde la superficie para alcanzar ese valor, mientras que en los bosques tendría que aumentar. 73 Una profundidad de 50 cm es apta para la temperatura media anual del subsuelo en el área de estudio (dada la oscilación insignificante de la onda térmica anual),pero para cálculos de flujo de calor (los cuales requieren una estimación confiable del gradiente térmico), se recomiendan mayores profundidades. Las temperatura media anual del subsuelo para cada punto de observación (292,35 – 300,85°K) se aproxima bastante a la biotemperatura de las zonas de vida en que se ubican (291,15 – 303,15°K). La temperatura del subsuelo disminuye exponencialmente desde la superficie hasta alcanzar una temperatura media estable. Por tanto, la profundidad mínima para tomar la temperatura del suelo sin que este sea afectado por la onda térmica diurnadonde la oscilación de la temperatura del subsuelo es1 𝑒 (≈ 37%), o menor de la oscilación de la temperatura del suelo en superficie. Por estar el área de estudio ubicada en un clima tropical donde no existen fuertes cambios en la temperatura del aire durante el día,y por tanto hay bajas ondas térmicas diurna y anual,es probable que la profundidad mínima para tomar la temperatura del subsuelo sea menor que en un lugares de clima templado. En esta investigación el flujo de calor del suelo no se pudo medir de manera directa, ya que conductividad térmica del suelo no fue medida ni en el laboratorio ni en el campo. Dada la relación matemática directa de la conductividad térmica con el flujo de calor a través del gradiente térmico, se considera que en una futura investigación la conductividad térmica debe de ser medida directamente, ya sea en el campo o en el laboratorio. Lo que se puede decir es que del análisis granulométrico, los suelos con un mayor porcentaje de arenas tienen una mayor conductividad térmica y teóricamente una mayor humedad relativa (menor densidad aparente y por ende mayor porosidad). Hizo falta en esta investigación cuantificar las propiedades termodinámicas del suelo para el cálculo del flujo de calor (conductividad térmica, difusividad térmica, capacidad térmica volumétrica), por lo cual mediante los datos obtenidos aún no se puede afirmar alguna relación confiable del comportamiento del flujo de calor en los inceptisoles y entisoles que prevalecen en el área de estudio. 74 9 COMUNICACIONES PERSONALES Durante mi participación en el National Geothermal Academy 2011 en Reno, Nevada, de junio a agosto del 2011 conocí personalmente a Mark Coolbaugh, PhD., quien ha realizado mucho trabajo relacionado con la utilización de la temperatura del subsuelo para la prospección geotérmica en Nevada, EE UU, específicamente en los campos geotérmicos Desert Peak, Brady, y Pyramide Lake. Entre los principales frutos de esta comunicación fue el de la orientación sobre el uso de residuales para la detección de anomalías en el análisis de la temperatura del suelo. 75 10 REFERENCIAS CITADAS ABU-HAMDEH, N.H.&REEDER, R.C., 2000: Soil Thermal Conductivity. Effects of Density, Moisture, Salt Concentration and Organic Matter.Soil Science Society of America Journal 64.1285-1290. ALVARADO, A. & FORSYTHE, W., 2005: Variación de la Densidad Aparente en Órdenes de Suelos de Costa Rica. Agronomía Costarricense. 29(1). 85-94. ARADÓTTIR, E., GUNNARSSON, I., SIGFÚSSON, B., GUNNARSSON, G., GUNNLAUGSSON, E. SIGURÐARDÓTTIR, H. ÁSBJÖRNSSON, E., SONNENTHAL, E. 2012. Towards Cleaner Geothermal Energy Utilization: Capturing and Sequestering CO 2 and H2S Emisions from Geothermal Power Plants. Proceedings, TOUGH Symposium. Berkley, California. September 17-19, 2012. 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Valores Z Valores Z para la temperatura media anual del suelo. 𝑍= Jerarquía 1 2 3 4 5 5 7 8 9 9 9 12 13 14 14 16 17 18 19 20 21 21 21 24 25 25 27 28 TMAS (°K) 292.35 293.55 293.75 293.95 294.05 294.05 294.65 294.75 294.95 294.95 294.95 295.05 295.15 295.45 295.45 295.55 295.70 295.85 296.15 296.18 296.35 296.35 296.35 296.45 296.55 296.55 296.68 296.85 Z -2.501 -1.800 -1.683 -1.566 -1.507 -1.507 -1.157 -1.098 -0.981 -0.981 -0.981 -0.923 -0.864 -0.689 -0.689 -0.630 -0.543 -0.455 -0.280 -0.265 -0.163 -0.163 -0.163 -0.104 -0.046 -0.046 0.027 0.130 𝑥−𝑥 𝑠 Jerarquía 29 30 31 32 32 32 32 32 32 32 39 39 41 42 42 44 44 44 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 TMAS (°K) 296.90 297.05 297.15 297.25 297.25 297.25 297.25 297.25 297.25 297.25 297.35 297.35 297.48 297.65 297.65 297.75 297.75 297.75 297.85 297.95 298.15 298.25 298.35 298.95 299.25 300.15 300.25 300.85 Z 0.159 0.247 0.305 0.364 0.364 0.364 0.364 0.364 0.364 0.364 0.422 0.422 0.495 0.597 0.597 0.656 0.656 0.656 0.714 0.773 0.890 0.948 1.007 1.358 1.533 2.059 2.118 2.469 83 Anexo2. Pruebas estadísticas no paramétricas Prueba Kruskal-Wallis 12 𝐻 = 𝑁(𝑁+1) 2 𝑘 𝑅𝑘 𝑗 =1 𝑛 𝑘 −3 𝑁+1 (8) Donde: 𝐻: 𝑁: 𝑛𝑘 : 𝑅𝑘 : Estadístico H Número de muestras en la población Número de muestras en el grupo k. Suma de la jerarquía del grupo k Hipótesis nula y alternativa de la prueba Kruskal-Wallis 𝐻0 : 𝜇1 = 𝜇2 = 𝜇3 = 𝜇4 = 𝜇5 𝐻1 : 𝑎𝑙𝑚𝑒𝑛𝑜𝑠𝑢𝑛𝑜𝑑𝑒𝑙𝑎𝑠𝑚𝑒𝑑𝑖𝑎𝑠𝑒𝑠𝑑𝑖𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛𝑡𝑒 Prueba Mann-Whitney U1 = n1 n2 + U2 = n1 n2 + n 1 n 1 +1 2 n 2 n 2 +1 2 − 𝑅1 (9) − 𝑅2 Donde: 𝑈: 𝑛1 𝑛2 : 𝑅: Estadístico U Número de muestras del grupo 1 Número de muestras del grupo 2 Suma de las jerarquías del grupo Hipótesis nula y alternativa de la prueba Mann-Whitney: 𝐻0 : 𝜇1 = 𝜇2 𝐻0 : 𝜇1 ≠ 𝜇2 84 Anexo 3. Análisis estadística descriptiva. Temperatura media anual del subsuelo (°K) Media Error típico Mediana Moda Desviación estándar Varianza de la muestra Curtosis Coeficiente de asimetría Rango Mínimo Máximo Suma Cuenta Nivel de confianza(95,0%) 296,63 0,23 296,88 297,25 1,71 2,93 0,28 -0,01 8,50 292,35 300,85 16611,18 56,00 0,46 Temperatura media anual del aire (°K) Media Error típico Mediana Moda Desviación estándar Varianza de la muestra Curtosis Coeficiente de asimetría Rango Mínimo Máximo Suma Cuenta Nivel de confianza(95,0%) 298,95 0,27 299,15 298,85 2,03 4,13 0,11 -0,23 9,90 293,65 303,55 16741,20 56,00 0,54 85 Anexo 4. Prueba Kruskal-Wallis 4.1 Población (N=56) Uso del suelo Bosque Pastizal Pastos Naturales Plantación Totales n 37 12 6 1 56 ΣR 921.5 539 84.5 51 1596 ΣR^2 / n SSbg(R) 22950.33 5465.456081 24210.08 1190.042 2601 45486 Media 798 H Valor p -04 20.54683 1.31 x 10 Tipo de suelo Entisol Inceptisol Totales n 19 37 56 ΣR 759.5 836.5 1596 ΣR^2 / n 30360.01 18911.68 45486 SSbg(R) 3785.69559 Media 266 H Valor p -04 14.23194 1.62 x 10 Sustrato geológico Formación Alcántaro Formación Pital Formación Libería Lahar Lavas Andesíticas Productos Recientes Totales n 6 5 1 17 25 2 56 ΣR 297.5 188 35 594 474.5 7 1596 ΣR^2 / n 14751.04 7068.8 1225 20755.06 9006.01 24.5 45486 SSbg(R) 7344.41049 Media 1330 H Valor p -05 27.61057 4.34 x 10 Textura del subsuelo Arena Arena Francosa Franco Arenoso Franco Areno Arcilloso No Reportado Totales n 5 21 21 ΣR 177 619 536.5 ΣR^2 / n 6265.8 18245.76 13706.3 SSbg(R) 1346.140774 1 1 1 8 56 262.5 1596 8613.281 45486 Media 1064 H 5.06068 Valor p -01 2.81x 10 86 4.2Prueba Kruskal-Wallis en los Entisoles (N=19) Uso del suelo Bosque Pastizal Plantación Totales n 12 6 1 19 ΣR 89 86 15 190 ΣR^2 / n 660.0833 1232.667 225 1900 SSbg(R) 217.75 Media 63.33333 H 6.87631 Valor p -02 3.212 x 10 Sustrato geológico Formación Alcántaro Formación Pital Formación LiberÍa Lahar Totales n 6 5 1 7 19 ΣR 87 45 7 51 190 ΣR^2 / n 1261.5 405 49 371.5714 1900 SSbg(R) 187.07 Media 95 H 5.90751 Valor p -01 1.162x 10 Textura del subsuelo Arena Francosa Franco Arenoso No Reportado Totales n 9 5 5 19 ΣR 98 35 57 190 ΣR^2 / n 1067.111 245 649.8 1900 SSbg(R) 61.91 Media 63.33333 H 1.95508 Valor p -01 3.762 x 10 H 7.34836 Valor p -02 2.537 x 10 4.3 Prueba Kruskal-Wallis en los Inceptisoles (N=37) ΣR^2 / n 8390.56 4873.5 840.166667 13243.2432 SSbg(R) 860.98 Media 234.3333 ΣR 284 409 7 700 ΣR^2 / n 8065.6 6691.24 24.5 13243.243 SSbg(R) 1538.10 Media 234.3333 n 5 12 16 ΣR 142 198 310 ΣR^2 / n 4032.8 3267 6006.25 SSbg(R) 864.14 Media 468.6666 1 1 1 3 37 49 700 800.33333 13243.243 Uso del suelo Bosque Pastizal Pastos Naturales Totales n 25 6 6 37 Sustrato geológico Lahar Lavas Andesíticas Productos Recientes Totales n 10 25 2 37 Textura del subsuelo Arena Arena Francosa Franco Arenoso Franco Areno Arcilloso No Reportado Totales ΣR 458 171 71 700 H Valor p -03 13.12742 1.411 x 10 H 7.37530 Valor p -01 1.173 x 10 87 Anexo 5. Prueba Mann-Whitney 5.1 Población (N=56) Desviación Z Valor P estándar -02 351.50 57.79 -2.302 1.068 x 10 -05 264.00 50.08 -3.934 4.182 x 10 Uso del suelo N1 N2 gl ΣR1 ΣR2 U1 U2 Bosque Pastizal Pastos Naturales Plantación 37 12 19 44 55 55 921 539 674 484 1057 67 218 461 6 50 55 84.5 1511 236 1 55 55 51 1545 5 50 Tipo de suelo N1 N2 gl ΣR1 ΣR2 U1 U2 Entisol Inceptisol 19 37 37 19 55 55 759 836 836 759 133 569 569 133 Desviación Z Valor P estándar -05 351.50 57.79 -3.773 8.080 x 10 -05 351.50 57.79 -3.773 8.080 x 10 N1 N2 gl ΣR1 ΣR2 U1 U2 Media Desviación estándar 6 50 55 297 1298 23.5 276 150.00 37.75 -3.351 4.025 x 10 5 51 55 188 1408 82 173 127.50 34.80 -1.307 9.555x 10 0 56 55 0 1596 0 0 0.00 0.00 17 39 55 594 1002 222 441 331.50 56.12 -1.951 2.551 x 10 25 31 55 474 1121 625 149 387.50 60.67 -3.923 4.379 x 10 2 54 55 7 1589 104 4 54.00 22.65 -2.208 1.364 x 10 Sustrato geológico Formación Alcántaro Formación Pital Formación Liberia Lahar Lavas Andesíticas Productos Recientes Media 63.5 150.00 27.50 -02 37.75 -2.291 1.097 x 10 16.16 -1.392 8.195x 10 -02 Media Z Valor P -04 -02 - -02 -05 -02 88 5.2 Prueba Mann-Whitney en los Entisoles (N=19) Desviación Z Valor P estándar -03 11.83 -2.620 4.397 x 10 -02 11.40 -2.280 1.129 x 10 Uso del suelo N1 N2 gl ΣR1 ΣR2 U1 U2 Media Bosque Pastizal Pastos Naturales Plantación 12 6 7 13 54 54 89 86 101 104 73 13 11 65 42.00 39.00 0 19 54 0 190 0 0 0.00 0.00 1 18 54 15 175 4 14 9.00 5.48 - -01 -0.913 1.807x 10 5.3 Prueba Mann-Whitney en losInceptisoles (N=37) Grupo N1 N2 gl ΣR1 ΣR2 U1 U2 Bosque Pastizal Pastos Naturales 25 6 12 31 54 54 458 171 242 529 167 36 136 153 Desviación Z Valor P estándar -01 150.00 30.82 -0.454 3.248 x 10 -03 93.00 24.27 -2.349 9.421 x 10 6 31 54 71 629 136 53 93.00 Grupo N1 N2 gl ΣR1 ΣR2 U1 U2 Lahar Lavas Andesíticas Productos Recientes 10 27 54 284 416 41 232 Desviación Z Valor P estándar -04 135.00 29.24 -3.215 6.528 x 10 25 12 55 409 291 216 87 150.00 30.82 -2.044 2.048 x 10 2 35 56 7 693 66 7 35.00 14.89 -1.881 3.001 x 10 Media 24.27 -02 -1.648 4.966 x 10 Media -02 -02 89 Anexo 6. Regresion múltiple de la temperatura del subsuelo en los inceptisoles Estadísticas de la regresión Coeficiente de correlación múltiple Coeficiente de determinación R^2 R^2 ajustado Error típico Observaciones 0.9193 0.8451 0.8077 0.6481 37 ANÁLISIS DE VARIANZA Regresión Residuos Total Intercepción Elev. TMAA (°K) Norte Bosque Pastizal Lahar Lavas andesíticas Grados de libertad Suma de cuadrados Promedio de los cuadrados 9.4929 0.4200 F Valor crítico de F 7 29 36 66.4502 12.1803 78.6306 22.6015 3.8973E-10 Coeficientes Error típico Estadístico t 195.5707 -0.0052 0.2165 0.0001 0.1295 1.4737 0.6672 32.9104 0.0010 0.0723 0.0001 0.3320 0.4062 0.6045 5.9425 -4.9977 2.9964 1.4552 0.3900 3.6277 1.1037 1.865x 10-06 2.553 x 10-05 5.549 x 10-03 1.563 x 10-01 6.993 x 10-01 1.088 x 10-03 2.788 x 10-01 128.2614 -0.0074 0.0687 -0.0001 -0.5496 0.6429 -0.5692 Superior 95% 262.8801 -0.0031 0.3643 0.0003 0.8086 2.3046 1.9035 -0.0074 0.5364 -0.0137 9.891 x 10-01 -1.1045 1.0897 Probabilidad Inferior 95% 90 Anexo 7. Columnas pedológicas 7.1 Columnas pedológicas en los entisoles TS-002 TS-001 383997E, 302013 N 475 m s.n.m TS-001 0 0 0-24 cm: franco arcilloso café grisáceo con vetillas anaranjadas arcillosas estratificadas y esporádicos cristales de plagioclasa que forma peds blocosas centimétricas endurecidas conteniendo raíces y preservando bioturbaciones. 20 30 40 60 70 24-123 cm: subsuelo franco arcilloso café claro. 80 90 100 0-50 cm: franco limoso pedregoso seco de tonalidad café grisaceo conteniendo peds blocosos milimétricos a centrimétricos y líticos lávicos dacíticos angulares. 20 30 40 60 80 90 130 140 150 150 160 160 160 170 170 170 TS-004 386003 E, 302004 N 511 m s.n.m 0 10 20 TS-004 0 0-24 cm: suelo cinerítico gris 10 0-24 cm: suelo cinerítico gris parduzco. 24-30cm: cm: suelo franco 24-30 suelo franco cafécafé. 70 80 90 100 90-130 subsuelo arcilloso 90-130cm: cm: suelo arcilloso blanco con líticos blancopardo pardo con líticos 110 lávicos anaranjados arcillificados y oxidados. 30 130 140 150 160 170 130-166cm: cm: franco arcilloso 130-166 franco arcilloso pardoanaranjado anaranjado pardo concon unauna mayorconcentración concentración mayor de de fragmentos lávicos fragmentos lávicos anarananjados oxidadosanarananjados oxidadosarcillificados arcillificados. 10 50 60 30 40 50-90 arcilla anaranjada anaranjada 50-90 cm: cm: arcilla moderadamente moderadamentehúmeda. húmeda 70 80 90 100 110 130 140 0-90 0-90cm: cm:franco franconegro negro moderadamenteseco. seco moderadamente 20 30-50 pedregoso. 30-50 cm: cm: nivel pedregoso 40 120 120 TS-006 0 0-30 cm: cm: franco negro 0-30 franco negro moderadamenteseco. seco moderadamente 20 30-90cm: cm: franco grueso 30-90 franco grueso anaranjado con fragmentos anaranjado con fragmentos de lava oxidada de lava oxidada. 60 TS-006 388047E, 302086N 526 m s.n.m TS-005 Profundidad (cm) Profundidad (cm) 50 TS-005 387001 E, 302011 N 526 m s.n.m 30 40 90 110 140 150 80 120 130 140 . 70 100 120 130 40 50 110 120 30 60 100 110 20 50 70 0-47 cm: franco café grisácea seco conteniendo peds blocosos milimétricos y líticos lávicos dacíticos angulares milimétricos. 10 90-110cm: cm: una arcilla 90-110 arcilla anaranjadamoderadamente moderadamente anaranjada húmeda. húmeda. 110-167 cm: franco arcilloso 110-167 cm: franco arcilloso pardo moderadamente pardo moderadamente húmedo con parches húmedo con parches anaranjadas. anaranjadas. 50 Profundidad (cm) Profundidad (cm) 50 TS-003 0 10 Profundidad (cm) 10 TS-003 385007E, 302000 N 516 m s.n.m TS-002 Profundidad (cm) 383000E, 301997 N 422 m s.n.m 60 70 80 90 100 110 120 90-105 90-105cm: cm:nivel nivelpedregoso. pedregoso 105-150 cm: franco arcilloso 105-150 franco arcilloso café pardocm: moderadamente café pardo moderadamente húmedo. húmedo. 130 140 150 150 160 160 170 170 91 TS-007 TS-008 389952 E, 301995 N 580 m s.n.m 388997 E, 302005 N 583 m s.n.m TS-007 10 20 0 0-150 cm: Toba pumítica blanca seca con líticos 0-24 cm: suelo cinerítico gris negros milimétricos angulares parduzco. y sincm: biotita. 24-30 suelo franco café. 10 30 30-90 cm: franco grueso anaranjado con fragmentos de lava oxidada. 60 70 80 90 100 110 90-130 cm: suelo arcilloso blanco pardo con líticos lávicos anaranjados arcillificados y oxidados. 120 130 140 150 160 170 40 50 Profundidad (cm) Profundidad (cm) 50 60 70 10 20 24-146cm: cm:nivel material 30-50 pedregoso. desboronado de una facies lítica de la Formación Liberia que forma franco arenoso, 50-90 cm: un arcilla anaranjada moderadamente seco, de moderadamente húmeda. tonalidad blanco grisáceo y compuesto de pómez blanco, cuarzo y biotita 80 90 100 110 120 130-166 cm: franco arcilloso pardo anaranjado con una mayor concentración de fragmentos lávicos anarananjados oxidadosarcillificados. 0-24 cm: suelo mineral blanco 0-30 cm: franco negrode a grisáceo compuesto moderadamente seco. pómez, cuarzo y biotita 20 30 40 383001 E, 303000 N 513 m s.n.m 0 130 140 150 30 40 50 60 Profundidad (cm) 0 TS-009 TS-008 70 80 90 100 90-110 cm: arcilla anaranjada moderadamente húmeda. 110-167 cm: franco arcilloso pardo moderadamente húmedo con parches anaranjadas. TS-009 0-24 cm: suelo limoso café 0-24 cm:fragmentos suelo limoso claro con líticoscafé claro con lávicos fragmentos líticos angulares de hasta 1 cm. angulares lávicos de hasta 1 cm. 24-45 cm: suelo café franco moderadamente con 24-45 cm: sueloseco café franco escasos fragmentosseco oxidados moderadamente con (+/- 1mm). escasos fragmentos oxidados (+/1mm). 45-105 cm: arcilla gris anaranjada 24-45 cm: amarillento. suelo café franco moderadamente seco con escasos fragmentos oxidados (+/- 1mm). 45-105 cm: arcilla gris anaranjada amarillento 110 105-134 cm: Arcilla café claro. 120 105-134 cm: café claro 130 140 150 160 170 160 170 92 7.1 Columnas pedológicas en los entisoles TS-011 TS-010 TS-010 384998E, 302999 N 522 m s.n.m 383997 E, 303000 N 513 m s.n.m 0 0-23 cm: suelo café seco que 0-23 café seco que forma la cm: matrizsuelo de un aluvión forma la matriz de un aluvión lado derecho del río Blanco. Allado fondo derecho del agujero hay del un río Blanco. bloque o una toba Al fondo del agujero hay un silicificada(?) que no permitió bloque más.o una toba profundizar 10 20 30 40 10 50 Profundidad (cm) Profundidad (cm) 80 90 100 110 24-89 cm: flujo piroclástico blanco pumítico. 30 40 40 50 50 60 60 70 80 90 100 80 90 110 110 120 130 130 130 150 150 160 160 170 120-157 cm: subsuelo arcilloso blanco pardo con biotita. 140 140 160 arcilla 100 120 150 60-120 cm: anaranjada. 70 120 140 0-60 cm: suelo café seco. 10 20 30 60 70 gris 20 silicificada(?) que no permitió profundizar más . TS-12 0 0-24 cm: suelo blancuzco cinerítico. Profundidad (cm) 0 TS-012 385995 E, 303003 N 563 m s.n.m. TS-11 170 170 TS-013 TS-014 387000 E, 303001 N 588 m s.n.m 0 387999 E, 302999 N 620 m s.n.m TS-13 0 0-30 cm: suelo café rocoso moderadamente seco 10 90-120 cm:nivel rocoso. 70 80 120-140 cm:arcilla blanca parda veteada con anaranjado moderadamente húmedo. 90 100 130 140 150 160 TS-016 389999 E, 303002N 622 m s.n.m 30 40 Profundidad (cm) 50 60 blanca con líticos 150-163 cm:Arcilla blanca parda con vetas anaranjadas y amarillas y líticos lávicos milimétricos sanos a oxidados 90-105 cm: nivel pedregoso. 105-150 cm: franco arcilloso café pardo moderadamente húmedo. 130 140 150 160 170 60 80 90-120 cm:arcilla café con parches amarillos de toba. 90 100 40 70 80 90 100 110 120 120 120-135,5 cm:arcilla moderadamente seco. 130 140 café 150 160 160 170 170 TS-017 384005 E, 304006 N 522 m s.n.m 0 10 20 30 40 TS-018 384979 E, 304004 N 536 m s.n.m TS-017 TS-018 0 0-24 cm: franco limoso café 0-24 cm: franco limoso café claro a grisáceo con claro a grisáceo con esporádicos líticos lávicos esporádicos líticos lávicos subangulares subangulares. 24-76 cm: subsuelo negro 24-76 cm: subsuelo negro franco arcilloso franco arcilloso. 10 30 40 50 60 60 70 80 90 100 76-80 nivel pedregoso. 76-80 cm:cm: nivel pedregoso 80-150 cm: subsuelo café húmedo anaranjado arcilloso. 80-150 cm: subsuelo café . húmedo anaranjado arcilloso 70 90 100 110 110 120 150 160 170 60-150 cm: toba anaranjada 60-150 seca cm: toba anaranjada seca 80 120 140 0-60 cm: suelo negro húmedo 0-60 cm: suelo negro húmedo. 20 50 130 130 130-150 cm: toba blanca cristalina conteniendo cristales de plagioclasa, hornblenda y biotita en una matriz blanca parduzca parcialmente oxidada 130 140 150 24-130 cm: franco café oscuro moderadamente seco, veteado con arcilla anaranjada 100 120 50 55-90 cm: arcilla café anaranjada moderadamente seco. 70 0-24cm: cm:franco franconegro limo arcilloso 0-90 café oscuro moderadamente moderadamente seco. seco conteniendo esporádicos cristales sueltos de plagioclasa 80 110 45-55 cm:nivel pedregoso. 60 TS-016 70 90 50 30 Profundidad (cm) 140-150 cm:Arcilla parda veteada anaranjada y milimétricos lávicos. 120 20 40 110 110 10 Profundidad (cm) 60 Profundidad (cm) Profundidad (cm) 50 20 30-45 cm:un nivel arcilloso pardo moderadamente húmedo. 30 0-75 cm: suelo café oscuro moderadamente seco. En el fondo del agujero hay una toba pumítica blanca de la Formación Pital que no permitió profundizar más. 10 Profundidad (cm) 30-90 cm: subsuelo anaranjado arcilloso moderadamente húmedo 40 0 0-30 cm: suelo café arcilloso moderadamente húmedo. 20 30 TS-15 0 10 20 170 TS-015 389014 E, 303004 N 599 m s.n.m TS-14 150-160 cm: subsuelo rojo arcilloso húmedo 150-160 cm: subsuelo rojo arcilloso húmedo. 160-165.5 cm: nivelcm: de 160-165.5 nivel de alteración hidrotermal alteración hidrotermal (?). 140 150 160 170 . 93 TS-019 7.1 Columnas pedológicas en los entisoles TS-19 385995 E, 304007 N 573 m s.n.m. 0 10 20 30 40 0-24 cm: suelo cinerítico seco café grisáceo a moderadamente oscuro 24-91 cm: subsuelo pardo grisáceo seco. café 50 Profundidad (cm) 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 94 TS-021 7.2 Columnas pedológicas en los inceptisoles TS-020 TS-20 TS-21 388997 E, 303999 N 693 m s.n.m 0-64 cm: cm: franco arenoso 0-64 Francocafé arenoso pardo Al fondo del Al fondo caféseco. pardo seco. agujero se encontró una del agujero se encontró una piedra que no permitio piedra más. que no permitió profundizar 10 20 30 0-24 cm: suelo franco café rojizo seco poco cohesivo con líticos lávicos hasta 7mm subangulares a subredondeados. 10 20 30 profundizar más. 40 40 50 24-30 seco. 50 cm:subsuelo 80 90 100 110 30 40 café 30-90 cm:subsuelo café arcilloso moderadamente seco. 50 70 80 90 100 60 80 110 120 120 130 130 150 170 150 160 160 170 TS-023 390000 E, 304002 N 711 m s.n.m 0 0-30 cm: suelo franco negro moderadamente seco. 10 20 30 40 0 40 20 30 40 50 60 60 60 70 70-80 cm:nivel pedregoso. 80 80-120 cm:subsuelo pardo arcilloso moderadamente húmedo. 90 100 Profundidad (cm) 50 Profundidad (cm) 50 70 80 90 100 110 120 120164.5cm:subsuelo pardo arcilloso con parches anaranjadas. 130 140 145-167 cm:subsuelo café arcilloso húmedo con parches anaranjadas arcillosas. TS-025 0-24 cm: suelo café claro 0-24 cm: limoso suelo seco cafécon claro amarillento amarillento limoso seco con pequeños raíces en los peque;os raíces en los primeros 5 cm. primeros 5 cm. 24-66 cm: suelo café oscuro 24-66 seco. cm: suelo café oscuro seco. 10 24-59 cm: subsuelo café 24-59 cm: subsuelo café claro claro cinerítico cinerítico moderadamente seco. moderadamente seco. 30 30-70 cm:subsuelo café arcilloso moderadamente húmedo. TS-025 388003 E, 305000 N 628 m s.n.m TS-024 0-24 cm: limoso café café 0-24 cm:fanco fanco limoso grisáceo grisáceo. 10 20 170 TS-024 385003E, 304996 N 571 m s.n.m TS-23 0 140-145 cm:nivel rocoso. 140 160 café 100 130 140 90-140 cm:subsuelo arcilloso húmedo. 90 110 150 60-90 cm:nivel rocoso. 70 120 140 Profundidad (cm) 20 Profundidad (cm) Profundidad (cm) 60 0-60 cm: suelo franco negro arcilloso húmedo. 10 60 70 TS-22 0 0 0 Profundidad (cm) TS-022 388009 E, 304001 N 620 m s.n.m 387009 E, 304002 N 617 m s.n.m 70 80 90 100 110 110 120 120 130 130 140 140 150 150 . 150 160 160 170 TS-026 0 10 20 30 TS-026 0 0-24 cm: suelo café claro 0-24 cm:fragmentos suelo café claro seco con lávicos seco con fragmentos lávicos lapíllicos 10 lapíllicos. 24-42 cm: suelo café claro seco cm: suelo café claro 24-42 seco. 40 50 60 60 80 90 70 80 90 10 20 30 40 50 60 0-24 cm: suelo café limo arcilloso con estructura y peds de hasta 1.5 cm moderadamente seco conteniendo raices y no se observan fragmentos líticos. 24-42 cm: subsuelo café que conforma la matriz del lahar. 70 80 90 100 100 110 110 110 120 120 120 130 130 130 140 140 150 150 160 160 170 170 100 TS-28 0 0-50: negro Suelo negro 0-50suelocm: moderadamente seco. seco. moderadamente 50-90 cm: Arena café seca compacta. 50-90: arena café seca compacta. TS-028 389005 E, 305003 N 723 m s.n.m 30 50 70 170 TS-27 20 Profundidad (cm) Profundidad (cm) 40 160 TS-027 388006 E, 305003 N 693 m s.n.m Profundidad (cm) 386999 E, 305002 N 654 m s.n.m 170 140 150 160 170 95 7.2 Columnas pedológicas en los inceptisoles TS-029 TS-030 TS-29 TS-030 390000 E, 304997 N 798 m s.n.m 0-60 cm: suelo moderadamente seco. 10 café 20 30 30 30 40 40 40 50 50 60 60 80 90 100 70 80 80-90 cm: arcilloso. 90 100 110 Suelo negro 90-130 cm: Suelo café arcilloso con fragmentos de lava gris. 110 120 130-154 anaranjado. 140 150 70 80 90 110 cm: Suelo 120-150 cm: subsuelo café 120-155 cm: subsuelo café anaranjado arcilloso húmedo anaranjado arcilloso húmedo. 130 140 150 160 franco arcilloso húmedo. 120 130 140 20-120 cm: subsuelo negro 20-120 cm:húmedo subsuelo negro franco arcilloso 100 120 130 raices en los primeros 2 cm. 20 Profundidad (cm) 70 Profundidad (cm) 60-160 cm: anaranjado pardo arcilloso húmedo. 0-20 cm: franco 0-20 cm: cinerítico franco cinerítico café claro seco con pocos café claro seco con pocos raices en los primeros 2 cm 10 20 60 150 160 170 160 170 TS-032 387070 E, 305945 N 763 m s.n.m 0 TS-032 170 0-24 cm: franco café limoso seco y suelto. 10 oscuro seco y suelto. 24-80 cm: subsuelo negronegro 24-80 cm: subsuelo semi-húmedo semi-húmedo. 50 50 60 60 80-90 cm: subsuelo compacto gris pardo seco 80 80-90 cm: subsuelo 90-140 cm:gris subsuelo compacto pardonegro seco. semi-húmedo 90-140 cm: subsuelo negro semi-húmedo. 90 100 110 Profundidad (cm) 40 70 20 24-50 seco. 30 40 cm: subsuelo café 50-60 cm:nivel pedregoso en una matriz café. 60-70 cm:subsuelo café arcilloso. 70-83 cm:subsuelo anaranjado arcilloso moderadamente húmedo. 80 90 100 110 120 130 130 30 40 70 120 0-110 cm: arcilla roja con mineralización en superficie. 10 20 30 TS-34 0 0 20 TS-034 389007 E, 305964 N 776 m s.n.m TS-033 0-24 cm: limoso cafécafé 0-24 cm:franco franco limoso oscuro seco y suelto 10 TS-033 387991 E, 305998 N 765 m s.n.m 50 60 Profundidad (cm) Profundidad (cm) 0-80 cm: Suelo café claro cinerítico. 10 50 TS-031 0 0 0 Profundidad (cm) TS-031 385996 E, 306005 N 731 m s.n.m 384994 E, 305999 N 646 m s.n.m 70 80 90 100 110 110-120 cm:arcilla gris. 120 130 140 140-165 cm: subsuelo franco café moderadamente seco 150 140-165 cm: subsuelo franco café moderadamente seco. 160 170 140 140 150 150 160 160 170 170 390000 E, 304997 N 798 m s.n.m. . TS-036 10 30 30 40 40 50 50 60 60 90 100 110 120 130 140 150 160 170 Profundidad (cm) Profundidad (cm) 0-79 cm: suelo café oscuro húmedo. 20 80 TS-037 0 20 70 383993 E, 306990 N 698 m s.n.m TS-036 0 10 TS-037 382993 E, 306984 N 632 m s.n.m TS-35 70 80 90 100 110 0 0-24 cm: franco cinerítico café grisáceo. 10 20 24-114 cm: subsuelo pardo moderadamente seco con contenido de pómez amarillento milimétrico. 30 0-130 cm: franco cinerítico moderadamente seco de tonalidad café oscura que contiene fragmentos de pómez al fondo del agujero. 40 50 Profundidad (cm) TS-035 60 70 80 90 100 110 120 120 130 130 140 140 150 150 160 160 170 170 96 TS-039 7.2 Columnas pedológicas en los inceptisoles TS-038 TS-038 TS-039 0 0 0-59 cm: Suelo pardo anaranjado cinerítico seco. 10 386985E, 307009 N 804 m s.n.m 0-64 cm: suelo cinerítico amarillento pardo seco. 10 0-20 cm: suelo negro moderadamente húmeda. 10 20 20 30 30 30 20-144.5 cm: subsuelo café pardo cinerítico. 40 40 50 TS-040 0 20 40 50 50 Profundidad (cm) 60 70 80 90 100 64-90 cm:subsuelo negro arcilloso moderadamente húmedo veteado con arcilla anaranjada 70 80 90 Profundidad (cm) 60 60 Profundidad (cm) TS-040 385996 E, 307001 N 766 m s.n.m 384968 E, 307021 N 746 m s.n.m 70 80 90 100 100 110 110 120 130 120 130 140 130 150 140 160 150 170 160 110 120 140 150 160 TS-041 170 387982 E, 306970 N 832 m s.n.m TS-042 TS-044 388946 E, 306986 N 866 m s.n.m TS-041 0-80 cm: suelo negro moderadamente húmedo. 10 0-85 cm: aluvión formado por un suelo café claro húmedo en la confluencia de una quebrada con el río Colorado (lado izquierdo). 10 30 40 40 40 50 50 50 60 60 60 80-113 cm: lava gris parda arcillificada y parcialmente oxidada, moderadamente húmeda. 90 110 80 90 100 140 150 160 170 110 130 130 140 140 150 150 160 160 40 50 60 10 20 30 24-145 cm: franco arcilloso pardo anaranjado moderadamente seco con fragmentos de pómez amarillo. 50 80 90 100 0-24 cm: franco cinerítico pardo grisáceo. 10 24-150 cm: franco arcilloso cinerítico húmedo de tonalidad café parda con fragmentos lava alterada grisáceo . 30 40 70 80 90 70 80 90 100 110 110 120 130 120 130 140 130 160 170 145-150 cm: franco arcilloso café. 140 150 140 150 20-50 cm: subsuelo café oscuro moderadamente seco con parches anaranjadas. 60 100 150 0-20 cm: suelo gris polvorizo seco. 50 120 110 TS-047 20 60 Profundidad (cm) 70 40 TS-047 0 0 0-24 cm:suelo franco cinerítico pardo seco con pómez amarillo. 133-159 cm: subsuelo anaranjado cinerítico moderadamente seco. 384999 E, 307998 N 766 m s.n.m TS-046 Profundidad (cm) 30 170 TS-046 384003 E, 307998 N 774 m s.n.m 0 20 90 120 TS-045 10 80 110 383002 E, 308002 N 680 m s.n.m 60-133 cm: café grisáceo arcilloso moderadamente seco. 70 120 170 TS-045 30 100 120 130 20 Profundidad (cm) 80 Profundidad (cm) 20 70 0-60 cm: suelo gris cinerítico seco polvorizo. 10 30 70 TS-044 0 20 100 Profundidad (cm) 382000E, 307996 N 627 m s.n.m TS-42 0 0 Profundidad (cm) 170 . 160 170 160 170 97 7.2 Columnas pedológicas en los inceptisoles TS-048 TS-049 TS-048 TS-049 385997 E, 307995 N 928 m s.n.m 0 0 0-24 cm: Suelo cinerítico café anaranjada moderadamente húmedo con peds blocosos centiméticos y conteniendo pequeñas raices. 20 30 40 10 60 70 80 90 100 20 10-69 cm: claro seco. 30 Profundidad (cm) 24-158 cm: subsuelo café claro moderadamente húmedo. subsuelo café 110 130 30 40 40 50 50 60 60 70 80 90 100 120 90 100 110 110 120 120 130 140 140 160 150 150 170 160 160 170 170 TS-052 0-24 cm: suelo gris cinerítico seco polvorizo (poca recuperación). 10 20 30 24-90 cm: subsuelo polvorizo seco. . 40 TS-054 0 0-40 cm: suelo cinerítico gris polvorizo. 10 gris 20 20 30 30 40 40 40-135 cm: franco café claro. 60 60 60 80 90 90-120 cm: pómez amarillo. 110 120 120-166 cm: subsuelo anaranjado cinerítico moderadamente seco. 130 140 150 Profundidad (cm) 50 Profundidad (cm) 50 70 70 80 90 100 110 130 130 135-140 cm: pómez. 140-162cm: franco claro. 140 140 café 0 10 10-140 cm: subsuelo franco de tonalidad café claro. 20 110 120 130 10 0-100 cm: suelo gris polvorizo cinerítico seco. 20 30 50 50 Profundidad (cm) 60 60 Profundidad (cm) 100 0-110 cm: suelo café pardo arcilloso moderadamente húmedo. 40 60 90 TS-058 0 40 50 80 384003E, 309999 N 911 m s.n.m 30 40 70 TS-058 TS-056 0 0-10 cm: pómez. café 170 TS-056 386995 E, 308988 N 1262 m s.n.m TS-055 145-150 cm:pómez. 150-156 cm: franco claro. 150 160 170 30 90 120 TS-055 20 80 110 385932 E, 308987 N 1102 m s.n.m 10 70 120 160 170 40-145 cm: franco café claro. 100 150 160 0-40 cm: suelo cinerítico gris polvorizo. 10 50 100 Profundidad (cm) TS-054 384995 E, 309006 N 998 m s.n.m TS-053 0 0 Profundidad (cm) TS-053 384005 E, 308995 N 873 m s.n.m TS-052 muy 80 130 382998 E, 308995 N 793 m s.n.m 50-127 cm:nivel pedregoso. 70 150 140 0-50 cm: suelo negro. 10 20 50 TS-51 0 0-10 cm: suelo café oscuro en superficie. Profundidad (cm) 10 Profundidad (cm) TS-051 388756 E, 308017 N 1057 m s.n.m 387060 E, 307829 N 953 m s.n.m 70 80 90 110 100 120 80 100 90 110 70 110-140 cm: subsuelo gris café húmedo. 120 130 100-152 cm: lava arcillificada gris anaranjada moderadamente seco. 140 140 130 150 140 160 160 150 170 170 160 150 170 98 7.2 Columnas pedológicas en los inceptisoles TS-059 TS-060 TS-059 TS-060 384954E, 310037 N 1059 m s.n.m 386048 E, 309891 N 1291 m s.n.m 0 10 20 0 0-150 cm: franco compuesto de ceniza de tonalidad café claro. 10 20 30 30 40 40 50 120 50 60 Profundidad (cm) 60 ) m70 c ( d a 80 d i d 90 n fu o r100 P 110 0-100 cm: pómez Amarillo. 70 80 90 100 110 130 120 140 130 150 140 160 150 170 160 100-130 cm: subsuelo cinerítico franco café. . 130-150 negro. cm: Subsuelo 170 99 Anexo 8. Revisión filológica 100 Anexo 9. Tribunal Examinadora 101 Anexo 9. 102