Modelamiento de estructuras geotérmicas ocultas a partir de la

Modelamiento de estructuras geotérmicas
ocultas a partir de la interpretación de
anomalías magnetotelúricas de resistividad
en la región de Paipa, Boyacá, Colombia
Ismael Enrique Moyano Nieto
Universidad Nacional de Colombia
Facultad de Ciencias
Departamento de Geociencias
Bogotá, Colombia
2015
Modelamiento de estructuras geotérmicas
ocultas a partir de la interpretación de
anomalías magnetotelúricas de resistividad
en la región de Paipa, Boyacá, Colombia
Ismael Enrique Moyano Nieto
Tesis de investigación presentada como requisito parcial para optar al título de:
Magister en Ciencias-Geofísica
Director:
MSc, PhD Orlando Hernández Pardo
Universidad Nacional de Colombia
Facultad de Ciencias
Departamento de Geociencias
Bogotá D.C, Colombia
2015
Para Gisse, Tomás y Mateo
Agradecimientos
A la Universidad Nacional de Colombia, particularmente al Dr. Orlando Hernández Pardo
por su tutoría, aportes y apoyo.
Al Dr. Jaume Pous, asesor en magnetotelúrica de la Universidad de Barcelona por sus
enseñanzas y sugerencias en la aplicación del método
Al Servicio geológico Colombiano, sus directivos y personal administrativo por su apoyo
en la ejecución de este proyecto, en especial a la Química Claudia Alfaro, Coordinadora
del Grupo de Investigación y Exploración de Recursos Geotérmicos, por su entusiasmo y
ayuda incondicional.
A los profesores: PhD John Jairo Sánchez Aguilar y PhD Jaime Arturo Romero León por
su dedicación y entusiasmo en la evaluación de este trabajo.
A mis padres, esposa e Hijos por su ejemplo, comprensión y paciencia durante el tiempo
de estudio.
Resumen y Abstract
IX
Resumen
Esta investigación ha tenido como objeto el modelamiento de la estructura resistiva del
subsuelo en el área geotérmica de Paipa mediante la adquisición, procesamiento e
interpretación a partir de datos de Magnetotelúrica (AMT y MT) en 58 estaciones. El
procesamiento de los datos incluyó procesado robusto, análisis de dimensionalidad,
inversión 2D y análisis de sensibilidad en nueve perfiles distribuidos en dirección N55W y
EW. Esta información se integró con información de resistividad por corriente directa
indicando que las resistividades bajas (menor a 10 ohm.m) se relacionan con alteración
hidrotermal, rocas arcillolìticas o presencia de fluidos salobres (calientes o no); las
resistividades intermedias (menor a 500 ohm.m) que representan rocas porosas y altas
resistividades (más de 500 ohm.m) que marcan el basamento resistivo con muy baja
porosidad del área de estudio. Se contrastó esta información con los modelos del
subsuelo a partir de datos gravimétricos y magnetométricos que muestran una buena
correspondencia con la información resistiva, particularmente en la delineación de
estructuras en el basamento, no identificadas en superficie, como es el caso de una
estructura orientada NNE-SSW que se encuentra en medio de los cuerpos volcánicos de
Olitas y El Manzano (Falla Paipa-Toca). Como elementos principales asociados al
sistema geotérmico se identifica una zona de discontinuidad con gradientes fuertes
interpretada como una fractura en el basamento entre los domos de Olitas y el cuerpo de
El Manzano que puede constituir la fuente de calor y fluidos al sistema, la distribución en
profundidad de la formación Une como reservorio geotérmico con área de recarga en la
zona de páramo hacia el oriente, la propuesta de un sello del sistema geotérmico sobre
la zona de gradientes altos asociada a la falla Paipa-Toca y el control estructural sobre
los manantiales termales en donde las zonas de falla propician el escape de fluidos del
sistema hacia la superficie.
Palabras clave: Geofísica, Magnetotelúrica, Geotermia.
X
Modelamiento de estructuras geotérmicas ocultas a partir de la interpretación de
anomalías magnetotelúricas de resistividad en la región de Paipa, Boyacá, Colombia
Abstract
The present investigation had as its object the modeling of the subsurface resistivity
structure in the Paipa geothermal area with the acquisition, processing and interpretation
of magnetotelluric data distributed in of 58 AMT/MT stations. The data analysis included
robust processing of time series, dimensionality analysis, 2D inversion and sensitivity
analysis on 5 E-W and 4 N55W profiles. These data were integrated with DC method
resistivity data indicating that low resistivity (<10 ohm.m) is related with hydrothermal
alteration, fine-grained rocks or the presence of salty fluids (high temperature or not),
middle resistivity (<500 ohm.m) that represent porous rocks and higher resistivity (>500
ohm.m) that represents the low porosity basement below the study area. Gravity and
magnetic data showed good correlation with resistivity data, especially on the delineation
of deep basement structures that are not identified at the surface as the Paipa-Toca
Fault, a NNE-SSW structure located between the Olitas and El Manzano volcanic bodies.
The main elements related to the geothermal system that were identified are: steep
gradient zone proposed as a deep basement fracture area (Paipa-Toca) that could be the
heat and fluid source to the system, the Une Formation as the main reservoir with
recharge area at the East, the proposal of a reservoir closure over the Paipa-Toca Fault
and the structural control on the hot springs where the fault zones provide the way to hot
fluids flow-up to the surface.
Keywords: Geophysics, Magnetotellurics, Geothermal
Contenido
XI
Contenido
Pág.
Resumen y Abstract ....................................................................................................... IX
Lista de figuras ............................................................................................................. XIII
Lista de fotografías ......................................................................................................XVI
XIII
Lista de tablas ............................................................................................................ XVII
Introducción .................................................................................................................... 1
1.
Objetivos ................................................................................................................... 3
1.1 Objetivo General .................................................................................................. 3
1.2 Objetivos Específicos ........................................................................................... 3
2.
Planteamiento del problema .................................................................................... 4
3.
Generalidades .......................................................................................................... 5
3.1
Antecedentes ..................................................................................................... 5
3.2
Marco Geológico general ................................................................................... 8
3.3
Sistema geotérmico.......................................................................................... 11
3.4
Método Magnetotelúrico ................................................................................... 12
3.4.1 Inducción electromagnética ............................................................................... 13
3.4.2 Resistividad aparente y fase............................................................................ 15
3.4.3 Impedancia magnetotelúrica............................................................................ 15
3.4.4 Sondeo magnetotelúrico .................................................................................. 16
3.4.5 Análisis de Distorsión ...................................................................................... 18
3.5
Aplicación de las propiedades físicas evaluadas al estudio de un sistema
geotérmico .................................................................................................................. 21
3.5.1 Resistividad (Sondeos eléctricos verticales, MT) ............................................. 21
3.5.2 Densidad (Gravimetría) ................................................................................... 22
3.5.3 Susceptibilidad magnética (Magnetometría) .................................................... 22
4.
Adquisición y procesamiento de información ......................................................... 25
4.1
Localización de estaciones y diseño de adquisición ......................................... 25
4.2
Procedimiento de campo .................................................................................. 27
4.3
Procesamiento de datos ................................................................................... 32
4.4
Dimensionalidad ............................................................................................... 36
4.5 Modelos 2D........................................................................................................... 39
4.5.1 Parámetros de inversión .................................................................................. 40
4.5.2 Resultados de inversión 2D ............................................................................. 42
XII
Modelamiento de estructuras geotérmicas ocultas a partir de la interpretación de
anomalías magnetotelúricas de resistividad en la región de Paipa, Boyacá, Colombia
4.6 Análisis de sensibilidad de los modelos 2D................................................................... 51
4.6.1 Sensibilidad perfil 1 (Figura 4-23) ...........................................................................52
4.6.2 Sensibilidad perfil 2 (Figura 4-24)....................................................................53
4.6.3 Sensibilidad perfil 3 (Figura 4-25:)....................................................................54
4.6.4 Sensibilidad perfil 4 (Figura 4-26:)....................................................................55
4.6.5 Sensibilidad perfil A (Figura 4-27:) ...................................................................56
4.6.6 Sensibilidad perfil B (Figura 4-28:) ...................................................................57
4.6.7 Sensibilidad perfil C (Figura 4-29) ......................................................................58
4.6.8 Sensibilidad perfil D (Figura 4-30:) ...................................................................59
4.6.9 Sensibilidad perfil E (Figura 4-31:) ...................................................................60
5.
Interpretación de modelos 2D ................................................................................61
5.1
Información de otros métodos geofísicos .......................................................... 61
5.1.1 Resistividad (Sondeos eléctricos verticales).....................................................61
5.1.2 Métodos potenciales (Gravimetría y Magnetometría) ......................................64
5.2
Identificación de estructuras de interés geotérmico ........................................... 71
5.2.1 Perfil 1 (Figura 5-11) ........................................................................................73
5.2.2 Perfil 2 (Figura 5-12) ........................................................................................73
5.2.3 Perfil 3 (Figura 5-13) ........................................................................................73
5.2.4 Perfil 4 (Figura 5-14) ........................................................................................77
5.2.5 Perfil A (Figura 5-15) ........................................................................................77
5.2.6 Perfil B (Figura 5-16) ........................................................................................79
5.2.7 Perfil C (Figura 5-17)........................................................................................79
5.2.8 Perfil D (Figura 5-18)........................................................................................80
5.2.9 Perfil E (Figura 5-19) ........................................................................................80
5.3
Visualización 3D ............................................................................................... 82
5.4
Modelo resistivo del sistema geotérmico ........................................................... 87
6.
Conclusiones ..........................................................................................................91
6.1 Conclusiones ......................................................................................................... 91
6.2 Recomendaciones ................................................................................................. 92
Bibliografía .....................................................................................................................95
Contenido
XIII
Lista de figuras
Pág.
Figura 3-1. Modelo conceptual preliminar del sistema geotérmico de Paipa. (Tomado de
INGEOMINAS, 2005) ......................................................................................................... 7
Figura 3-2. Geología regional y localización de estructuras de origen volcánico (Tomado
de INGEOMINAS, 2004). ............................................................................................... 10
Figura 3-3. Modelo ideal de un sistema geotérmico de alta entalpía (modificado de
Dickson y Fanelli, 2004). . ............................................................................................... 12
Figura 3-4. Ejemplo de sondeo MT con corrimiento estático. ........................................ 19
Figura 3-5. Sondeo de la figura 4 con corrección por corrimiento estático. ................... 19
Figura 3-6. Esquema de la relación entre el la resistividad de las rocas y el gradiente de
temperatura. (Modificado de Gupta, 2007) ....................................................................... 22
Figura 4-1 Localización de estaciones AMT/MT ............................................................. 27
Figura 4-2. Equipo de adquisición MT (Tomado de www.phoenix-geophysics.com)) ...... 28
Figura 4-3. Esquema de instalación de una estación MT. ............................................. 29
Figura 4-4. Ejemplo de series de tiempo para los cinco componentes de un sondeo MT .. 33
Figura 4-5 Vista de la interface del software de procesamiento de series de tiempo
(TBL), a partir de las cuales se realiza análisis de Fourier (fcn) y se hace el
procesamiento robusto de productos cruzados (PRM), integrado con las calibraciones de
los sensores (CLC) y equipo (CLB) utilizados................................................................... 34
Figura 4-6. Ejemplo de edición de productos cruzados. ................................................ 35
Figura 4-7. Ángulo de rumbo para todas las estaciones, calculado para cada
frecuencia evaluada. ........................................................................................................ 37
Figura 4-8. Ángulo de rumbo para todas las estaciones, calculado para frecuencias
menores a 1 Hz. ............................................................................................................... 37
Figura 4-9. Angulo de rumbo para todas las estaciones calculado para frecuencias
mayores a 1 Hz ................................................................................................................ 38
Figura 4-10 Parámetro k (eje Y) para todos los sondeos a frecuencias mayores de 1 Hz
(eje x) ............................................................................................................................... 39
Figura 4-11 Parámetro k (eje Y) para todos los sondeos a frecuencias menores a 1 Hz
(eje X) .............................................................................................................................. 39
Figura 4-12 Orientación y extensión de los perfiles para modelación 2D. ....................... 40
Figura 4-13. Evaluación de rugosidad versus RMS para los modelos. El círculo negro
marca el valor óptimo para ............................................................................................. 41
XIV
Modelamiento de estructuras geotérmicas ocultas a partir de la interpretación de
anomalías magnetotelúricas de resistividad en la región de Paipa, Boyacá, Colombia
Figura 4-14. Modelo 2D de resistividad para el perfil 1-1’. Se obtuvo un RMS de 2.4
para un total de 300 iteraciones para un valor de =7 ...................................................... 43
Figura 4-15. Modelo 2D de resistividad para el perfil 2-2’. Se obtuvo un RMS de 2.9
para un total de 300 iteraciones para un valor de =7 ...................................................... 44
Figura 4-16. Modelo 2D de resistividad para el perfil 3-3’. Se obtuvo un RMS de 3.7
para un total de 300 iteraciones para un valor de =10 .................................................... 45
Figura 4-17. Modelo 2D de resistividad para el perfil 4-4’. Se obtuvo un RMS de 1.6
para un total de 300 iteraciones para un valor de =10 .................................................... 46
Figura 4-18. Modelo 2D de resistividad para el perfil A-A’. Se obtuvo un RMS de 2.7
para un total de 300 iteraciones para un valor de =10 .................................................... 47
Figura 4-19. Modelo 2D de resistividad para el perfil B-B’. Se obtuvo un RMS de 2.5
para un total de 300 iteraciones para un valor de =10 .................................................... 48
Figura 4-20 Modelo 2D de resistividad para el perfil C-C’. Se obtuvo un RMS de 2.14
para un total de 300 iteraciones para un valor de =7 ...................................................... 49
Figura 4-21. Modelo 2D de resistividad para el perfil D-D’. Se obtuvo un RMS de 3.13
para un total de 300 iteraciones para un valor de =10 .................................................... 50
Figura 4-22. Modelo 2D de resistividad para el perfil E-E’. Se obtuvo un RMS de 2.4
para un total de 300 iteraciones para un valor de =10 .................................................... 51
Figura 4-23 Zonas para el análisis de sensibilidad perfil 1 (NW-SE) .............................. 52
Figura 4-24. Zonas para el análisis de sensibilidad perfil 2 (NW-SE) ............................. 53
Figura 4-25. Zonas para el análisis de sensibilidad perfil 3 (NW-SE) ............................. 54
Figura 4-26. Zonas para el análisis de sensibilidad perfil 4 (NW-SE) ............................. 55
Figura 4-27 Zonas para el análisis de sensibilidad perfil A (W-E) .................................... 56
Figura 4-28. Zonas para el análisis de sensibilidad perfil B (W-E) .................................. 57
Figura 4-29. Zonas para el análisis de sensibilidad perfil C (W-E) .................................. 58
Figura 4-30. Zonas para el análisis de sensibilidad perfil D (W-E) .................................. 59
Figura 4-31. Zonas para el análisis de sensibilidad perfil E (W-E) .................................. 60
Figura 5-1 Localización de los SEV realizados en el área de estudio (Moyano, 2013) ... 63
Figura 5-2 Localización de estaciones de gravimetría y magnetometría (Vásquez, 2012) ..... 64
Figura 5-3. Mapa de anomalía completa de Bouguer (Tomado de Vásquez, 2012). ...... 65
Figura5-4. Mapa de anomalía de campo magnético total. (Tomado de Vásquez, 2012) 66
Figura 5-5. Componente gravimétrico residual. .............................................................. 67
Figura 5-6. Anomalía magnética residual de tercer orden .............................................. 68
Figura 5-7. Componente residual gravimétrico sobreimpuesto al mapa de estructuras
principales para el área de estudio................................................................................... 69
Figura 5-8. Componente residual magnético sobreimpuesto al mapa de estructuras
principales para el área de estudio. ................................................................................ 70
Figura 5-9. Localización de las estaciones de MT y modelos 2D sobre el mapa residual
gravimétrico. .................................................................................................................... 71
Figura 5-10. Localización de fuentes termales. ............................................................ 72
Figura 5-11. Interpretación del Perfil 1. S ...................................................................... 74
Figura 5-12. Interpretación del Perfil 2............................................................................ 75
Figura 5-13. Interpretación del Perfil 3............................................................................ 76
Contenido
XV
Figura 5-14. Interpretación del Perfil 4. ......................................................................... 77
Figura 5-15. Interpretación del Perfil A. ......................................................................... 78
Figura 5-16. Interpretación del Perfil B. ......................................................................... 79
Figura 5-17. Interpretación del Perfil C. .......................................................................... 80
Figura 5-18. Interpretación del Perfil D. ........................................................................ 81
Figura 5-19. Interpretación del Perfil E. ......................................................................... 81
Figura 5-20. Montaje de modelos 2D (xyz). A partir de los modelos 2D se exportan los
valores de cada nodo del modelo en formato de posición (x,y) profundidad (z) y valor de
resistividad asociado. ....................................................................................................... 82
Figura 5-21. Visualización de modelos 2D en 3D. ........................................................ 83
Figura 5-22. Vista 3D resaltando superficies con isovalores de resistividad asociados a
sello geotérmico (menor a 10 ohm.m, rojo) y basamento (mayor a 500 ohm.m, azul) ...... 84
Figura 5-23. Vista 3D de los isovalores correspondientes al basamento resistivo (azul,
500 ohm.m) y el mapa de anomalía gravimétrica residual con trazos de falla interpretados ...... 86
Figura 5-25. Visualización 3D de isovalores del basamento resistivo (500 ohm.m) y
orientación de planos de falla inferidos. . .......................................................................... 87
Figura 5-26.
Visualización 3D del sistema geotérmico a partir de los datos
magnetotelúricos. ........................................................................................................... 88
Figura 5-27. Vista en planta de la localización de los manantiales termales (cuadrados)
respecto al modelo geotérmico planteado. ....................................................................... 89
Contenido
XVI
Lista de fotografías
Pág.
Fotografía 4-1.
Fotografía 4-2.
Fotografía 4-3.
Fotografía 4-4.
Instalación de electrodos no polarizables............................................... 29
Equipo de adquisición. ........................................................................... 30
Instalación, orientación y nivelación de sensores magnéticos................ 31
Instalación del equipo para registro MT ................................................. 32
Contenido
XVII
Lista de tablas
Pág.
Tabla 3-1. Unidades geológicas presentes en el área de estudio ..................................... 8
Tabla 3-2. Rangos de frecuencia método MT ................................................................. 13
Tabla 3-3. Dimensionalidad del medio respecto a los valores de Z. ................................ 18
Tabla 4-1. Valores de Tau Vs RMS para los modelos 2D ............................................... 42
Tabla 5-1. Rangos de resistividad asociados a las unidades geológicas presentes en el
área…………………………………………………………………………………………….... 62
Introducción
Los recursos geotérmicos son fuente de energía (térmica y eléctrica), de minerales y de
agua. El conocimiento de estos recursos en Colombia es limitado y no ha permitido el
desarrollo de proyectos de aprovechamiento, con excepción de usos balnearios como el
implementado en el municipio de Paipa y cerca de 30 municipios más en el país. El de
Paipa es uno de los proyectos balneológicos más importantes, sin embargo no existe un
conocimiento suficiente del sistema que respalde el uso sostenible del recurso, cuya
demanda aumenta en proporción al turismo, una de las principales actividades para la
economía del municipio (INGEOMINAS, 2005).
En el presente proyecto de Tesis de Maestría, se aplicará el método Magnetotelúrico
orientado hacia la exploración de áreas con potencial geotérmico, particularmente en el
área de Paipa (Boyacá), con el cual además se aportará al conocimiento de ésta zona
geotérmica, colaborando así con el Programa de Exploración de Recursos Geotérmicos
del Servicio Geológico Colombiano (SGC).
1. Objetivos
1.1 Objetivo General
Modelar el sistema geotérmico de la región de Paipa a partir de la interpretación de
anomalías magnetotelúricas de resistividad y su integración con la información geológica
y geofísica existente.
1.2 Objetivos Específicos
Evaluar la estructura resistiva del subsuelo dentro del área de estudio
Integrar la información obtenida a partir del método aplicado con la información
geológica y geofísica (Magnetometría, Gravimetría, Resistividad) existente.
Identificar, a partir de la información generada, los rasgos característicos asociados
con un sistema geotérmico (reservorio, fuente de calor, capa sello, zona de
descarga).
2. Planteamiento del problema
Se quiere conocer la estructura del subsuelo en el área geotérmica de Paipa como aporte
y complementación del conocimiento del sistema geotérmico y su modelo conceptual
preliminar. Lo anterior con miras a establecer sus usos potenciales e incrementar y
optimizar los actuales, con base en el estudio de la estructura resistiva en los primeros
5000 metros de profundidad mediante Magnetotelúrica e integración con otras técnicas
geofísicas. Adicionalmente se profundiza en el estudio y aplicación del método
magnetotelúrico como técnica geofísica poco explorada en Colombia.
Generalidades
5
3. Generalidades
3.1 Antecedentes
La cronología de los trabajos realizados sobre este sistema geotérmico se resume en:
Boussingault y Roulín, 1849, describieron las aguas termales de Paipa, resaltando su
gran contenido mineral. Su trabajo presenta el primer análisis químico registrado de
estas aguas.
Navia y Barriga, 1929, realizaron una descripción geológica del área en la que
incluyen la existencia de bancos salinos, la caracterización fisicoquímica y radiactiva
de algunos manantiales y un estudio terapéutico.
OLADE, ICEL, Geotérmica Italiana y CONTECOL 1982, realizaron el estudio de
reconocimiento de los recursos geotérmicos de Colombia en el que se incluyó el área
de Paipa. Ésta fue seleccionada como área de interés con prioridad media alta. Las
interpretaciones sobre las que se basó esta selección incluyen la existencia de anillos
volcánicos de depósitos piroclásticos, intensos fenómenos de alteración hidrotermal,
rocas de composición riolítica y carácter alcalino, de edad Plioceno superior (2.5
m.a.). El estudio hidroquímico de este trabajo incluyó la clasificación de los
manantiales de acuerdo con la composición química de la fase acuosa y la
formulación de la mezcla somera con una fuente salina.
JAPAN CONSULTING INSTITUTE, 1983, realizó un trabajo preliminar de factibilidad
para la construcción de una planta geotérmica en Boyacá, solicitado por el Instituto
Colombiano de Energía Eléctrica (ICEL). Su concepto, basado en la revisión del
estudio de reconocimiento y una breve visita a la zona, es que es posible encontrar
un reservorio geotérmico promisorio para la explotación geotérmica en Paipa. Sin
embargo señaló la necesidad de realizar etapas avanzadas del estudio de
exploración.
Ferreira y Hernández, 1988, postularon a partir de geología y geoquímica e isotopía
de aguas y gases, un sistema geotérmico identificando como fuente de calor una
intrusión magmática dentro de la secuencia sedimentaria, un reservorio de porosidad
primaria (Formación Une) presente dentro de la misma secuencia, presencia de
acuíferos someros con porosidad secundaria (Formaciones Labor y Tierna) y una
capa sello (Grupo Churivita). La zona de recarga se ubica en la Formación Une y la
de descarga se interpreta controlada por fracturamientos profundos orientados NESW, con una temperatura de reservorio estimada en 200ªC.
6
Modelamiento de estructuras geotérmicas ocultas a partir de la interpretación de
anomalías magnetotelúricas de resistividad en la región de Paipa, Boyacá, Colombia
Bertrami et al., 1992, plantean un sistema de alta temperatura, a partir del estudio
químico e isotópico de aguas y gases.
Rodríguez, 1998, realizó para CORPOBOYACÁ, un trabajo orientado a determinar la
demanda anual y la disponibilidad de agua termal, que fueron calculadas en 350.000
m3 y 480.000 m3, respectivamente.
INGEOMINAS, 2005, realiza la formulación de un modelo geotérmico conceptual
preliminar (Figura 3-1), a partir de la integración de los resultados de estudios
geológicos, geofísicos y geoquímicos. Concluye que el sistema geotérmico de Paipa
está ubicado en una caldera, de unos 3 km de diámetro, formada por el Volcán de
Paipa, al término de su Primera Época Eruptiva. Su fuente de calor es magmática,
de edad inferior a 2.5-2.1 millones de años. Tiene un reservorio profundo
probablemente asociado a fallas distensivas que alcanzan el basamento metamórfico
(Paipa-Iza y Cerro Plateado, principalmente). La temperatura del reservorio actual no
está definida, pero la fuente de calor magmática, la actividad volcánica postcaldérica,
la alteración hidrotermal y algunos geotermómetros, indican que el sistema
probablemente es de alta temperatura. La zona de descarga está controlada
estructuralmente y el flujo ascendente más importante, a partir del flujo lateral que
proviene del sur e intercepta la superficie, ocurre en el Sector ITP-Lanceros. El fluido
descargado por los manantiales no es representativo del fluido del reservorio, debido
a procesos de mezcla que ocurren en la secuencia sedimentaria. En este documento
se recomienda la ampliación del conocimiento geológico-geofísico del área para su
posterior integración al modelo propuesto.
El Servicio Geológico Colombiano ha adelantado estudios Geofísicos mediante
métodos potenciales (Gravimetría-Magnetometría, Vázquez, 2012) y de resistividad
(sondeos eléctricos verticales y tomografías, Moyano, 2010) dentro del área con el fin
de aportar a la integración y revisión del modelo geotérmico existente.
Adicionalmente realizaron estudios de alteración hidrotermal superficial e inventario
de puntos de agua, orientados a la revisión de la hipótesis de trabajo.
Generalidades
7
Figura 3-1: Modelo conceptual preliminar del sistema geotérmico de Paipa. (Tomado de
INGEOMINAS, 2005)
8
Modelamiento de estructuras geotérmicas ocultas a partir de la interpretación de
anomalías magnetotelúricas de resistividad en la región de Paipa, Boyacá, Colombia
3.2 Marco Geológico general
El área geotérmica de Paipa se localiza en el eje de la Cordillera Oriental de Colombia,
área en donde el basamento está conformado por rocas metamórficas y sedimentarias
del Paleozoico, así como rocas intrusivas y extrusivas del Jurásico las cuales se
observan expuestas en el Macizo de Floresta, localizado hacia el NE del área de estudio
(Figura 3-2) En la Tabla 3-1 se sintetiza una descripción generalizada de las unidades
geológicas identificadas dentro del área de trabajo, de la más antigua a la más reciente.
Tabla 3-1: Unidades geológicas presentes en el área de estudio
COD
UNIDAD GEOLOGICA
Kit4
Formación Tibasosa, miembro basal. Conglomerados, areniscas conglomeráticas limolitas
Kit3
Formación Tibasosa, miembro calcáreo inferior. Shales con niveles de calizas y arenas
Kimt2
Formación Tibasosa, miembro arenáceo intermedio. Areniscas cuarzosas y shales
Kimt1
Formación Tibasosa, miembro calcáreo superior. Calizas y shales
Ku
Formación Une. Areniscas cuarzosas con intercalaciones de shales.
Kch
Kc
Kpl
Klp
Formación Churuvita.
Shales negros con intercalaciones de areniscas cuarzosas con
glauconita
Formación Conejo. Shales negros y grises con algunas intercalaciones de areniscas finas
Formación Plaeners. Limolitas silíceas en capas finas o medias con algunas intercalaciones
de fosforitas y shales.
Formación Los Pinos. Shales negros y grises con intercalaciones de areniscas cuarzosas y
capas finas de limolitas silíceas
Klt
Formación Labor y Tierna. Areniscas cuarzosas, friables y bien seleccionadas
KPgg
Formación Guaduas. Arcillolitas, limolitas, mantos de carbón y areniscas cuarzosas
Pgb
Formación Bogotá. Areniscas cuarzosas y líticas, niveles de limolitas.
NgQt
Formación Tilatá. Predominancia de arenas con intercalaciones de limos y conglomerados,
hacia la base conjunto de conglomerados aluviales, hacia el techo intercalaciones de ceniza.
I.1/I.3
Ignimbritas/cenizas pómez
II.5d
Caídas de ceniza
IIO.6/II.1/II.9
Flujos de ceniza y Bloques de Domo
Cuaternario
Cuaternario. Arenas, limos, arcillas y conglomerados de depósitos aluviales, lacustres y
fluvio-lacustres.
Sobre el basamento se encuentra una secuencia sedimentaria cretácica con diferencias
en facies y espesores debido al control tectónico ejercido por fallas profundas como las
de Boyacá y Soápaga. Se presentan igualmente rocas del Paleógeno y depósitos
inconsolidados del Neógeno y Cuaternario así como depósitos y materiales volcánicos
Generalidades
9
que cubren parte del área y restringen la interpretación de relaciones estructurales entre
las unidades preneógenas.
Como estructuras de origen volcánico se identifican, en el sector de Olitas (Figura 3-2),
una estructura circular que puede corresponder al remanente de un colapso de caldera
(círculo rojo), en donde se encuentran una serie de domos emplazados y una estructura
relacionada con un foco volcánico (volcán de Paipa), responsable de los depósitos
cartografiados en el área (INGEOMINAS, 2004). Otro cuerpo de interés está presente en
el sector de El Manzano, vía Paipa-Toca (Qhb, al NW de Olitas) que muestra una intensa
alteración hidrotermal por fluidos probablemente asociados a la actividad volcánica en el
centro de Olitas.
10
Modelamiento de estructuras geotérmicas ocultas a partir de la interpretación de
anomalías magnetotelúricas de resistividad en la región de Paipa, Boyacá, Colombia
Figura 3-2: Geología regional y localización de estructuras de origen volcánico (Tomado de INGEOMINAS, 2004). Los símbolos
para las unidades geológicas corresponden a los presentados en la Tabla 3-1
Generalidades
3.3
11
Sistema geotérmico
La geotermia es la disciplina científica que comprende el estudio de las variaciones de
temperatura dentro de la corteza y los fenómenos naturales que influyen sobre la
distribución de los flujos térmicos. En términos generales se considera que el aumento
normal de la temperatura de la corteza terrestre en función de la profundidad es de 33º C
por kilómetro (Dickson y Fanelli, 2004).
En el planeta se conocen regiones donde el valor del gradiente geotérmico es varias
veces superior al normal, fenómeno que se destaca por la presencia de temperaturas
elevadas en niveles superficiales. Las causas de estas anomalías pueden ser de origen
químico (reacciones exotérmicas por procesos de alteración), radiométrico
(desintegración natural de elementos radiactivos) o mecánico (fricción), pero la más
importante para la generación de calor consiste generalmente en el emplazamiento de un
cuerpo magmático a niveles poco profundos de la corteza (Gupta, 2007).
Un campo geotérmico es fundamentalmente un sistema natural que permite la extracción
de un fluido preexistente a alta temperatura. Los elementos esenciales, o variables
imprescindibles que determinan su conformación son (Figura 3-3)
La existencia de una importante fuente de calor.
La presencia de formaciones geológicas que cumplan funciones de reservorios y
permitan la circulación de fluidos.
La existencia de un área de recarga hídrica.
La presencia de unidades o estructuras geológicas que actúen de cubierta
impermeable y cierren el sistema para que se produzca la concentración del calor.
En función de la temperatura existente en el reservorio, los campos geotérmicos
se dividen en campos de alta y de baja entalpía. En general, los primeros están
vinculados al emplazamiento de un cuerpo magmático en niveles superiores de la
corteza, en tanto que los segundos se vinculan con cuencas sedimentarias
relacionadas con zonas fracturadas, por donde ascienden las aguas que se
calientan por efecto de una anomalía térmica.
El estudio de los campos geotérmicos de alta y baja entalpía requiere estrategias de
exploración diferentes, pero en general, la localización, caracterización y tipificación de
los yacimientos se realiza mediante análisis que involucran estudios de geología,
estratigrafía,
petrografía,
volcanología,
geotectónica,
hidrología-hidrogeología,
hidrogeoquímica, geotermometría, geoquímica de volátiles, estudios geoquímicos
(temperatura en profundidad, CO2), técnicas isotópicas, geocronología, geofísica
(gravimetría, sísmica, resistividad, magnetometría), pozos de gradiente y pozos
exploratorios profundos (Gupta, 2007).
12
Modelamiento de estructuras geotérmicas ocultas a partir de la interpretación de
anomalías magnetotelúricas de resistividad en la región de Paipa, Boyacá, Colombia
Figura 3-3: Modelo ideal de un sistema geotérmico de alta entalpía (modificado de Dickson y
Fanelli, 2004). Se identifican los elementos principales del sistema como son el área de
recarga, fuente de calor (magmática), roca impermeable que actúa como sello y
manifestaciones superficiales del sistema como manantiales calientes o ventiladeros de vapor.
3.4 Método Magnetotelúrico
El método Magnetotelúrico es una técnica que utiliza las variaciones naturales del campo
geomagnético como fuente de señal que genera inducción electromagnética en la Tierra.
Se basa en la medición en superficie de las fluctuaciones de los componentes
ortogonales de los campos eléctrico y magnético (EM) como una vía para determinar la
estructura resistiva de la tierra a profundidades entre decenas de metros hasta cientos de
kilómetros (Simpson, 2005).
La profundidad de penetración de los campos está relacionada directamente con la
resistividad e inversamente con la frecuencia, es decir, que cuanto mayor sea la resistividad
del subsuelo y menor la frecuencia, mayor será la profundidad de los campos EM
detectados. El concepto de profundidad de capa o “skin depth” define la profundidad teórica
de investigación para un medio homogéneo e isotrópico y está dada por (Vozoff, 1972):
Dónde: ω=2πƒ es la frecuencia angular, μ es la permeabilidad magnética y ρapp es la
resistividad aparente media del subsuelo).
Generalidades
13
Al ser un método de fuente natural lo hace versátil y práctico en el terreno, debido a que la
profundidad de investigación depende del tiempo de registro y no está condicionada por
configuraciones que implican grandes longitudes de cable, grandes fuentes de poder ni
extensos recorridos como otros métodos geofísicos (sísmico, sondeos eléctricos verticales).
Las fuentes que generan los campos electromagnéticos en el subsuelo están asociadas
principalmente a los fenómenos de interacción entre el viento solar y la magnetósfera de la
Tierra, cuyas fluctuaciones tienen periodos entre 0.001 hasta 100.000 segundos y a las
descargas por tormentas que se generan en la atmósfera del planeta y que tienen periodos
inferiores a 1 segundo (Simpson, 2005). De acuerdo con el rango de frecuencias que se
analicen, el método se puede dividir en: Magnetotelúrico (MT) y Audiomagnetotelúrico (AMT)
(Tabla 3-2)).
Tabla3-2: Rangos de frecuencia método MT
METODO
MT
AMT
RANGO DE FRECUENCIAS
-4
10 - 10 Hz
10 – 10.000 Hz
RANGO DE PERIODOS
-1
4
10 – 10 segundos
-4
-1
10 – 10 segundos
3.4.1 Inducción electromagnética
Para el propósito de estudiar la inducción electromagnética en la Tierra y la aplicación del
método MT, se requieren de algunas consideraciones y simplificaciones (Simpson, 2005):
1. El método cumple con las ecuaciones de Maxwell.
2. La Tierra no genera energía electromagnética, sólo la disipa o absorbe.
3. Todos los campos deben ser tratados como conservativos y analíticos fuera de la fuente.
4. Las fuentes de los campos electromagnéticos naturales se asumen suficientemente
alejadas de la superficie de la Tierra para ser tratados como ondas planas uniformes que
inciden en la superficie de manera casi vertical.
5. En un modelo de capas planas, horizontales y paralelas no hay acumulación de cargas.
En un modelo multi-dimensional las cargas se acumulan a lo largo de las
discontinuidades generando un corrimiento estático (“Static Shift”).
6. La carga se conserva y la Tierra se comporta como un conductor que cumple la
ecuación:
Dónde: j es la densidad de corriente (Am-2),
y E es el campo eléctrico (Vm-1).
es la conductividad del medio (Sm-1)
7. El desplazamiento eléctrico es casi estático para los periodos de registro de MT. Las
corrientes de desplazamiento eléctrico originadas por efectos de polarización se
14
Modelamiento de estructuras geotérmicas ocultas a partir de la interpretación de
anomalías magnetotelúricas de resistividad en la región de Paipa, Boyacá, Colombia
pueden considerar insignificantes comparadas con las corrientes de conducción,
permitiendo considerar la inducción electromagnética de la Tierra como un proceso
de difusión.
8. Cualquier variación de la permitividad eléctrica y permeabilidad magnética de las
rocas se asumen mínimas comparadas con las variaciones en la conductividad total
de las mismas.
La propagación de los campos electromagnéticos es descrita por las ecuaciones de
Maxwell, que para un medio magnetizable y polarizable que no contiene fuentes
eléctricas ni magnéticas, se cumplen en todo el rango de frecuencias consideradas:
Dónde: E=Campo eléctrico (V/m), B= inducción magnética (T), H= intensidad magnética (A/m), D=
2
3
desplazamiento eléctrico (C/m ), jf=densidad de corriente (A/m), nf= densidad de carga (C/m ).
Para el caso de la existencia de un medio lineal e isotrópico, se introducen las siguientes
relaciones constitutivas:
Dónde: =permeabilidad magnética (Vs/Am), = permitividad dieléctrica (As/Vm).
Por otra parte, en presencia de un campo eléctrico, la corriente fluye sólo si la
conductividad del medio es diferente de cero (consideración 6). Teniendo en cuenta lo
anterior, las ecuaciones de Maxwell toman la siguiente forma:
Para un semi-espacio homogéneo, el desarrollo de la última expresión para un sistema
de coordenadas geográficas con los ejes x, y y z orientados hacia el norte, sur y hacia
abajo respectivamente, resulta en:
B0, B1, E0 y E1 son los campos magnético y eléctrico medidos en superficie. Como B y E
se tienden a desvanecer con la profundidad (z), entonces B1=E1=0, simplificando las
ecuaciones a:
Generalidades
15
Que son la solución de las ecuaciones de difusión de los campos magnético y eléctrico.
Este comportamiento difusivo de los campos en el rango de frecuencias de MT, ubica el
método entre las técnicas de exploración dependientes de la ecuación de onda (GPR,
sísmica) y los métodos potenciales (gravimetría, magnetometría, resistividad DC)
(Simpson, 2005).
3.4.2 Resistividad aparente y fase
Expandiendo la expresión:
para los ejes x, y y z, se obtienen las relaciones para los componentes ortogonales de los
campos eléctrico y magnético:
Como se asumen ondas planas, se encuentra que el campo magnético inductor sólo
tiene componentes horizontales y se propaga verticalmente en dirección de z (Bz=0), por
lo que el campo eléctrico inducido no tiene componente en esa dirección (Ez=0). Lo
anterior implica que las expresiones Ex/ y y Ey/ x son también cero. Por ejemplo, la
derivada con respecto al tiempo de Bx en la superficie de la Tierra es igual a la derivada
de Ey con respecto a z.
3.4.3 Impedancia magnetotelúrica
La impedancia magnetotelúrica (Z), también llamada función de transferencia
magnetotelúrica, es el operador que relaciona de forma lineal las componentes
ortogonales del campo eléctrico (E) y del campo magnético (B):
16
Modelamiento de estructuras geotérmicas ocultas a partir de la interpretación de
anomalías magnetotelúricas de resistividad en la región de Paipa, Boyacá, Colombia
La relación entre los componentes ortogonales de los campos Eléctrico y Magnético
tienen el mismo valor de Z pero con signos opuestos; reorganizando la ecuación anterior
se obtiene la resistividad para un semi-espacio homogéneo:
En el dominio de la frecuencia, Z( ) es compleja y tiene una fase asociada:
Para un medio no homogéneo, la impedancia Z tiene valores diferentes y representa las
relaciones de los componentes ortogonales de los campos medidos en superficie:
De acuerdo con los valores y relaciones entre los cuatro componentes de Z (Zxx, Zxy, Zyx y
Zyy) es posible determinar la dimensionalidad del medio, identificando un modelo 1D
compuesto por capas planas horizontales y paralelas, 2D con presencia de una
tendencia regional tipo pliegues o monoclinales o 3D en ambientes más complejos con
presencia de estructuras resistivas con variación en todas direcciones.
3.4.4 Sondeo magnetotelúrico
Un sondeo MT consiste en la medición de las tres componentes del campo magnético hx,
hy y hz y de las componentes horizontales del campo eléctrico ex y ey. Estas
componentes se miden en la forma de series de tiempo individuales que son
transformadas al dominio de la frecuencia (Hx, Hy, Hz, Ex, y Ey) .
Luego de hacer las transformaciones anteriores se aplica una convolución de dos
señales, en donde se multiplican dos funciones de campo eléctrico y magnético, una
función desplazada un pequeño intervalo de tiempo respecto a la otra y luego se suman
sus productos. A partir de esta operación se obtiene lo que se denomina crosscorrelation o ―correlación cruzada‖, la cual se considera mejor cuando el producto es
grande (próximo a la unidad) y es cero cuando no existe similitud entre las señales. La
correlación cruzada en el dominio de frecuencias recibirá el nombre de cross-powers o
productos cruzados. Esta correlación es sumamente útil para determinar una señal
conocida dentro de una señal ―ruidosa‖, ya que maximiza la señal respecto a los ruidos al
hacer el producto (Simpson, 2005).
El tensor de impedancia Z, que es el operador que relaciona de forma lineal las
componentes horizontales del campo eléctrico (E) y del campo magnético (H), se
relaciona a través de la ecuación:
Generalidades
17
Que, como se describió anteriormente, en forma matricial se expresa como:
Los elementos del tensor Zij se calculan como promedios en diferentes bandas de
frecuencias a partir de los productos cruzados entre las componentes del campo
relacionadas utilizando las siguientes ecuaciones (Madden y Nelson, 1964):
En donde Hx* y Hy* son los complejos conjugados de Hx y Hy. En éste sistema de
ecuaciones las componentes Zij son las incógnitas en tanto que las componentes
horizontales del campo, medidas en superficie, son los coeficientes.
A partir de la estimación de la impedancia para cada una de las frecuencias analizadas,
se procede a calcular las resistividades y los ángulos de fase correspondientes utilizando
las ecuaciones:
(i, j = x o y, e Im y Re son las partes imaginaria y real de Zij respectivamente).
Estrictamente hablando, a partir de los cuatro elementos del tensor de impedancia es
posible obtener cuatro resistividades del medio (ρxx, ρxy, ρyy, y ρyx) y sus
correspondientes fases (φxx, φxy, φyy, y φyx) con las cuales es posible evaluar la
estructura del subsuelo en el sitio de medición (Simpson, 2005).
Sin embargo, es posible hacer simplificaciones basadas en la naturaleza resistiva del
medio (Tabla 3-3). El caso más simple es el de un medio homogéneo o unidimensional
(1D), que geológicamente puede corresponder a una cuenca sedimentaria estable o una
plataforma marina, en donde Z tiene la forma:
En éste caso hay solamente un valor de resistividad ρa y uno de fase φa para cada
frecuencia, los cuales dependen solamente de variaciones verticales de la conductividad
del subsuelo.
Cuando el medio es bidimensional (2D), pueden ocurrir dos casos, según si la dirección
de las estructuras coincide o no con el sistema de referencia de la medición. Si la
medición se lleva a cabo en la dirección de los ejes principales, es decir a lo largo y
perpendicularmente a una estructura resistiva regional (por ejemplo un plano de falla),
entonces el tensor de impedancia está representado por:
18
Modelamiento de estructuras geotérmicas ocultas a partir de la interpretación de
anomalías magnetotelúricas de resistividad en la región de Paipa, Boyacá, Colombia
De acuerdo a lo anterior, se definen dos resistividades y dos fases: una a lo largo de la
estructura regional y la otra perpendicular a ésta. Esto determina dos modos de
polarización de los campos, uno cuando el flujo de corriente máximo (mínima
resistividad) es paralelo a la estructura regional, el cual se define como el modo
Transverso Eléctrico (TE); y otro, cuando el flujo magnético máximo es paralelo a la
estructura, el modo de polarización se conoce como Transverso Magnético (TM). Si el
eje coordenado en el que fue realizado el sondeo no coincide con los ejes de la
estructura regional principal entonces el tensor Z tiene que ser girado a los ejes
principales utilizando:
Con
En donde R es el operador de rotación y RT su transpuesta, Zm es la impedancia medida
en un sistema de referencia diferente al de la estructura principal y el ángulo θ
corresponde al acimut del rumbo regional de dicha estructura. Lo anterior si las
mediciones fueron realizadas a lo largo de los ejes magnéticos NS y EW.
Cuando la distorsión de los campos es importante (debido a la presencia de estructuras
más complejas o 3D), entonces hay otros métodos para probar si el sondeo puede
todavía ser considerado o no como 2D, los cuales se trataran más adelante.
Tabla 3-3 Dimensionalidad del medio respecto a los valores de Z.
1D
DIMENSIONALIDAD
2D
3D
Componentes del tensor
Tensor de impedancia Z
3.4.5 Análisis de Distorsión
Corrimiento estático “Static shift”
Se debe a la acumulación de cargas en discontinuidades en las capas más superficiales
que se manifiesta como un desplazamiento en la vertical de las curvas de resistividad
(Figura 3-4). Es decir, las resistividades se ven multiplicadas por un mismo factor si bien
las fases no son afectadas por este fenómeno, debido a que en un medio 1D la fase es
la derivada logarítmica de la resistividad (Simpson, 2005).
Generalidades
19
Figura 3-4: Ejemplo de sondeo MT con corrimiento estático. En la parte superior se
observan las curvas de resistividad aparente (y) versus periodo (x) de los componentes
principales del tensor de impedancia: Rxy (rojo) y Ryx (azul) y sus fases respectivas
(abajo). Las curvas son esencialmente paralelas pero presentan una diferencia en los
valores de resistividad.
Figura 3-5: Sondeo de la figura 3-4 con corrección por corrimiento estático. Se
observan las dos curvas de resistividad paralelas y con valores similares (modelo 1D).
Nótese como las fases no han cambiado.
20
Modelamiento de estructuras geotérmicas ocultas a partir de la interpretación de
anomalías magnetotelúricas de resistividad en la región de Paipa, Boyacá, Colombia
Frecuentemente el procedimiento más sencillo y efectivo para corregir el corrimiento
estático es la comparación directa de las curvas obtenidas para un área dada y observar
si existe un valor de resistividad de inicio de las curvas que sea recurrente, siempre y
cuando las estaciones estén medidas sobre zonas con características litológicas
similares. Si este es el caso se asume que el resto de las estaciones AMT/MT están
afectadas por variaciones locales de resistividad (estática) y se considera que el valor de
resistividad que se repite es el correcto, al cual son desplazadas verticalmente el resto de
las curvas de resistividad (Figura 3-5).
Otra forma de corrección es el uso de información de la resistividad del suelo por otros
medios, ya sean directos o indirectos, los cuales se pueden utilizar directamente para
corregir la posición de las curvas de resistividad. Alternativamente, el conocimiento de la
geología de la zona de estudio puede aproximar los valores de resistividad comunes a
los tipos de roca identificados, como base para la corrección de las curvas afectadas por
corrimiento estático.
Inducción electromagnética
Este tipo de distorsión está muy relacionado a estructuras locales o regionales del
subsuelo que determinan la dimensionalidad del medio. Existen diferentes enfoques
para determinar dicha dimensionalidad, que se construyen a partir de componentes
invariantes del tensor de impedancia. Estas componentes reciben el nombre de
invariantes ya que no dependen del eje de coordenadas en que se mide, es decir, si se
rota la matriz se obtiene el mismo valor invariante. Esta propiedad es muy útil para
determinar el comportamiento del tensor a diferentes frecuencias independiente del
marco de referencia en el cual se encuentre (Simpson, 2005).
Uno de los criterios más importantes es el de la asimetría del tensor de impedancias (k) o
skew (Swift, 1967).
En esta ecuación se emplea el criterio que Zxx+Zyy y Zxy-Zyx son invariantes ante las
rotaciones, por lo tanto k también es invariante.
Bahr (1991), define hasta 7 clases de distorsión telúrica entre las cuales para el presente
trabajo se utilizan dos: respecto al de asimetría del tensor de impedancia (k, Swift 1967),
define que si k<0.1 no existe distorsión del tensor de impedancia, por lo que el modelo
1D es apropiado para interpretar los datos. Cuando k es inestable, es decir, varia
erráticamente de una frecuencia a otra, significa que Zxy ≈ Zyx, por lo que el denominador
sería muy pequeño y k tendería a infinito indicando también que el medio es
unidimensional. Si los valores de k son estables y consistentes menores a 0.4 indica que
el medio se puede considerar 2D. Cuando el medio es bidimensional el giro del tensor
de impedancias se hace empleando la ecuación para θ presentada anteriormente.
Otra forma de asimetría, también invariante ante las rotaciones es la definida por Bahr
(1991), es el parámetro ―μ‖, diferente de la permeabilidad magnética, que se considera
un indicador de la dimensionalidad del medio. Si μ es aproximadamente 0 entonces el
medio se puede considerar homogéneo. La expresión está dada por:
Generalidades
21
Para medir el ángulo de la estructura regional se utiliza la siguiente expresión (Bahr,
1991):
3.5 Aplicación de las propiedades físicas evaluadas al
estudio de un sistema geotérmico
Para la investigación de un sistema geotérmico mediante métodos geofísicos, es
necesario establecer los parámetros de variación en las diferentes propiedades físicas
que se pueden medir o inferir (densidad, conductividad eléctrica y susceptibilidad
magnética) en relación a las variaciones de temperatura en el sistema, con el fin de
relacionar anomalías en estas propiedades con elementos del sistema.
3.5.1 Resistividad (Sondeos eléctricos verticales, MT)
El cambio en la resistividad eléctrica de los paquetes roca/fluido, es el cambio en la
propiedad física más importante que puede indicar la presencia de un sistema hidrotermal,
por encima de la elevada temperatura o flujo de calor. La movilidad iónica aumenta con la
temperatura hasta cerca de 300ºC, resultando en una mayor conductividad; la movilidad
iónica en rocas aumenta también con una mayor porosidad, salinidad del fluido y aumento
de la presencia de minerales como arcillas y zeolitas. Los sistemas hidrotermales, que
contienen algunas de las características anteriores, son asociados con la presencia de
anomalías de baja resistividad (cerca de 50 ohm.m) mientras que las rocas adyacentes
pueden exceder los 1000 ohm.m (Gupta, 2007, (Figura 3-6).
La resistividad de las salmueras frías y agua de mar es inferior a 10 ohm.m por lo que se
pueden encontrar zonas anómalas de baja resistividad no relacionadas con altas
temperaturas, de igual forma la presencia de arcillas puede mostrar bajas resistividades,
por lo que en una cuenca sedimentaria no siempre una reducción en la resistividad
puede ser asociada a la presencia de un sistema geotérmico.
22
Modelamiento de estructuras geotérmicas ocultas a partir de la interpretación de
anomalías magnetotelúricas de resistividad en la región de Paipa, Boyacá, Colombia
Figura 3-6: Esquema de la relación entre el la resistividad de las rocas y el gradiente de
temperatura. (Modificado de Gupta, 2007)
3.5.2 Densidad (Gravimetría)
En el contexto de la exploración geotérmica, la gravimetría se ha usado para definir las
variaciones laterales en la densidad del subsuelo relacionadas con un cuerpo magmático
profundo, el cual se puede constituir en la fuente de calor. Las anomalías residuales
positivas pueden reflejar altos estructurales, geometría de fracturamientos y fallas,
densificación de sedimentos debido a metamorfismo y silicificación por la circulación de
fluidos hidrotermales (Gupta, 2007).
En las regiones en donde otras técnicas geológicas y geofísicas indican la presencia de
reservorios geotérmicos, los estudios gravimétricos han sido útiles para delinear áreas en
donde los procesos relacionados con la actividad hidrotermal han ocurrido. Contrario a lo
anterior, las anomalías gravimétricas por sí mismas no son indicativas de un área
geotérmica.
3.5.3 Susceptibilidad magnética (Magnetometría)
El potencial más grande del método magnetométrico radica en que los materiales
ferromagnéticos muestran un fenómeno caracterizado por la pérdida casi total de
Generalidades
23
susceptibilidad magnética a una temperatura critica, llamada temperatura Curie. La
temperatura Curie de la titanio-magnetita, el mineral más común dentro de las rocas
ígneas, está en el rango desde algunos cientos hasta 570°C (Gupta, 2007), por lo que la
posibilidad de determinar mediante la magnetometría la profundidad a la que tiende a
desaparecer la susceptibilidad y el punto Curie podría ser importante para el estudio de la
fuente de calor dentro de un sistema geotérmico.
Otro uso en la exploración geotérmica es el mapeo de las zonas de alteración hidrotermal
que tienen una susceptibilidad menor en relación a la roca caja, como por ejemplo
cuando se presentan procesos de conversión de magnetita a pirita.
De nuevo, el método magnético en sí no es completamente útil en la detección de
anomalías geotérmicas, debido a que las anomalías magnéticas son complejas por su
naturaleza bipolar y su interpretación detallada es ambigua.
Sin embargo, en
combinación con otras técnicas puede llegar a indicar gradientes anómalos de
temperatura mediante la estimación de la profundidad de la isoterma de Curie, a partir de
la cual las rocas pierden sus propiedades.
Generalidades
25
4. Adquisición y procesamiento de información
Teniendo como base la información geológica y geofísica de otros métodos recopilada
sobre el área de estudio, se procedió al diseño de la adquisición y procesamiento de
datos de magnetotelúrica.
4.1 Localización de estaciones y diseño de adquisición
Para la selección de los sitios de instalación de las estaciones de campo para la adquisición
de datos de Magnetotelúrica (AMT, MT), se deben tener en cuenta aspectos básicos
relacionados con las aproximaciones teóricas y aplicación del método tales como:
La estación debe localizarse en un área plana alejada de cambios abruptos de
pendiente, con unas dimensiones mínimas de 50x50 metros para la adecuada
extensión e instalación de los dipolos para registro del campo eléctrico.
Debe estar alejada de fuentes de ruido electromagnético como líneas de corriente,
cercas eléctricas, viviendas, paso de vehículos, vías férreas, generadores o cualquier
otra fuente.
Debe garantizarse la seguridad de los equipos durante la adquisición de los datos, ya
que se deben dejar instalados durante la noche para la adquisición MT.
La logística de traslado y montaje de las estaciones. Un grupo integrado por un
operador y dos auxiliares, puede instalar y activar una estación AMT en alrededor de
40 minutos, para un tiempo de registro de una a dos horas; entre tanto se puede
movilizar hacia otra estación y realizar el mismo procedimiento, regresar a la estación
anterior y cambiar sensores para toma de datos MT.
En lo referente al diseño de la adquisición se debe considerar:
El modelo geotérmico conceptual para el área de estudio, el cual propone la posible
localización de los principales elementos del sistema como son la fuente de calor, área
de recarga y descarga.
La tendencia regional de las estructuras geológicas presentes en el área, ya que la
mayor variación en la resistividad se espera que sea por los cambios de litología entre
unidades geológicas, es decir, perpendicular al rumbo y por lo tanto un modelo de
resistividad 2D se debe construir cortando estas estructuras.
26
Modelamiento de estructuras geotérmicas ocultas a partir de la interpretación de
anomalías magnetotelúricas de resistividad en la región de Paipa, Boyacá, Colombia
Se deben considerar los atributos geométricos de las unidades geológicas (espesor,
buzamiento) y las dimensiones esperadas de los elementos a interpretar, a partir de
los modelos de resistividad, para establecer la distancia óptima entre estaciones de
medida (resolución horizontal).
La profundidad de investigación deseada, la cual no depende de la longitud del perfil
sino únicamente del skin depth (Simpson, 2005):
Según lo anterior, para modelar estructuras dentro de los primeros 5000 metros de
profundidad, se requiere una frecuencia mínima equivalente a 0.1 Hz, asumiendo una
resistividad promedio del subsuelo de 10 ohm.m. No obstante, teniendo en cuenta que en
algunas áreas de la zona evaluada las resistividades superficiales son muy bajas, debido
a la presencia de fuentes de agua salobres y termales, se consideró necesario muestrear
frecuencias aún más bajas (cerca de 0.01 Hz) y realizar adquisición durante 12 o más
horas, a fin de tener series de tiempo suficientemente extensas para obtener un buen
número de muestras de cada frecuencia para el procesamiento robusto y alcanzar
profundidades superiores a los 7000 metros.
Generalidades
27
Figura 4-1. Localización de estaciones AMT/MT
Para este proyecto se realizó un diseño de 58 puntos para adquisición de datos AMT/MT,
abarcando un rango de frecuencias desde 10400 Hz hasta 0.01 Hz (Figura 4-1). El
diseño de los modelos 2D se centró en la construcción de perfiles cortando el rumbo
regional de las estructuras geológicas (NE), el cual tiene una tendencia general N35W y
una distancia entre estaciones de medición de entre 700 hasta 2000 metros según la
presencia de zonas de especial interés que requirieran una mayor densidad de estaciones
para un modelamiento adecuado.
4.2 Procedimiento de campo
Para el presente estudio se utilizaron instrumentos marca Phoenix modelo V-8 (Figura 42), construidos por la firma Canadiense Phoenix Geophysics, que están integrados por
28
Modelamiento de estructuras geotérmicas ocultas a partir de la interpretación de
anomalías magnetotelúricas de resistividad en la región de Paipa, Boyacá, Colombia
una unidad de adquisición, filtrado y amplificación de las señales magnéticas y eléctricas,
que contiene un módulo de pre-procesado y almacenamiento de la información. El equipo
se complementa con batería de 12V, antena de GPS para sincronizar las series de
tiempo, filtros análogos (XLPF) para ganancia en frecuencias bajas, seis bobinas de
inducción para registro del campo magnético (tres AMTC-30 para AMT y tres MTC-80H
para MT) y cinco electrodos no-polarizables, cuatro conformando los dos dipolos
eléctricos (Ex y Ez) y el otro para la conexión a tierra del instrumento.
Figura 4-2: Equipo de adquisición MT (Tomado de www.phoenix-geophysics.com)
Bobinas de inducción
Electrodos no
polarizables
La instalación de cada estación AMT/MT en campo consiste en colocar dos dipolos
eléctricos de 50 metros de longitud orientados en direcciones NS y EW (Figura 4-3) Cada
dipolo está conectado a tierra a través de dos electrodos no polarizables, que facilitan el
paso de la señal al instrumento. Para mejorar el contacto con el suelo, los electrodos se
entierran a unos 30 cm de la superficie, humedeciendo la base con agua salobre y
cubriendo posteriormente para mantener estables las condiciones de medición
(Fotografía 4-1) . Los dos dipolos se conectan al instrumento de medida mediante cables
coaxiales para evitar ruido electromagnético en la señal. Luego se coloca un quinto
electrodo en el centro del arreglo que funciona como descarga a tierra para protección del
instrumento (Fotografía 4-2)
Generalidades
29
Figura 4-3: Esquema de instalación de una estación MT. Hx, Hy y Hz corresponden a
las bobinas magnéticas orientadas N-S, E-W y vertical respectivamente, las líneas
discontinuas corresponden a la orientación de los dipolos eléctricos norte-sur (Ex) y esteoeste (Ey)
Norte
Magnético
Dipolo Ey
Dipolo Ex
Fotografía 4-1: Instalación de electrodos no polarizables. Se observa que se encuentran
inmersos totalmente en lodo salobre.
20cm
30
Modelamiento de estructuras geotérmicas ocultas a partir de la interpretación de
anomalías magnetotelúricas de resistividad en la región de Paipa, Boyacá, Colombia
Fotografía 4-2: Equipo de adquisición. Se identifican los cables de los dipolos eléctricos
Ex y Ey), conexión de sensores magnéticos (Hx, Hy, Hz) y conexión de antena GPS.
30cm
Ex
Ey
GPS
Hx, Hy, Hz
El siguiente paso es la colocación de los sensores magnéticos o bobinas receptoras. La
colocación de los dipolos divide el terreno en cuatro cuadrantes (Figura 4-3) en donde se
procede a ubicar las tres bobinas para la medición de las componentes del campo
magnético Hx, Hy y Hz (Figura 4-3) Cada una de estas es orientada y nivelada en tres de
los cuadrantes (Fotografía 4-3) una orientada NS, la otra EW y la tercera se coloca vertical.
Las tres son enterradas y cubiertas, para evitar ser perturbadas por el movimiento del aire.
Tanto los dipolos como los sensores magnéticos se conectan al equipo central con sus
respectivos cables y se evita que éstos queden despegados del suelo para evitar
vibraciones por efectos de movimiento con el aire que puedan generar ruido en la señal.
La medición se lleva a cabo en dos partes, la primera corresponde a la adquisición de
señales de alta frecuencia (10-10,000 Hz) para lo cual se utilizan las bobinas para AMT (o
AMT-30) proceso que dura de 1 a dos horas según la localización del sondeo y las
condiciones de ruido electromagnético presentes. Una vez concluida ésta fase, se procede
a cambiar las bobinas de inducción magnética para la medición del campo magnético en las
frecuencias medias-bajas (10 a 0.0001 Hz), utilizando para esto las bobinas MT (o MT80H). La duración de esta medición, de acuerdo a la profundidad de investigación planteada
y de la precisión deseada se estableció en un mínimo de 14 horas, teniendo suficiente
tiempo para alcanzar los 5000 metros establecidos como de interés para el proyecto.
Generalidades
31
Fotografía 4-3: Instalación, orientación y nivelación de sensores magnéticos
Previo a la medición y sólo al inicio de un levantamiento se realiza una calibración tanto
del equipo como del conjunto de sensores magnéticos (6 en total). Los archivos de
calibración obtenidos se utilizan durante el procesamiento de cada uno de los sondeos
adquiridos posteriormente, por lo cual es esencial que la calibración del sistema (equipo +
sensores) se realice lo más alejado de ruido electromagnético cultural.
Este arreglo permite medir las componentes horizontales del campo eléctrico (ex y ey) y
las dos componentes horizontales y una vertical del campo magnético (hx, hy y hz) para el
intervalo de frecuencias entre 10,000 y aproximadamente 0.01 Hz. Esta información es
registrada en series de tiempo que son almacenadas en el equipo desde cual se
descargan a una computadora portátil para su posterior procesamiento e interpretación.
(Figura 4-4)
32
Modelamiento de estructuras geotérmicas ocultas a partir de la interpretación de
anomalías magnetotelúricas de resistividad en la región de Paipa, Boyacá, Colombia
Fotografía 4-4: Instalación del equipo para registro MT. Arriba: instalación de equipo,
batería y antena GPS. Abajo: carpa protectora del equipo para el registro MT durante la
noche.
Batería 12V
GPS
4.3 Procesamiento de datos
A partir de las series de tiempo registradas (ex, ey, hx, hy y hz, (Figura 4-4), se realiza la
transformación de las series de tiempo a su forma espectral, mediante transformada de
Fourier. Como la calidad de la señal presenta variaciones durante el tiempo de registro,
cada serie de tiempo se divide en varios segmentos para realizar la descomposición
espectral, por lo que para la misma frecuencia se tienen múltiples lecturas sobre las que
se estiman los productos cruzados entre las componentes Hx y Ey y entre las
componentes Hy y Ex utilizando el software SSMT2000 proporcionado por el fabricante del
equipo (Figura 4-5). A partir de éstos productos cruzados se calculan las impedancias
magnetotelúricas en los ejes principales (Zxy y Zyx), de donde se obtienen dos curvas de
Generalidades
33
resistividad y dos de fase correspondientes a la dirección de la estructura principal y a la
dirección perpendicular a ésta.
Figura 4-4: Ejemplo de series de tiempo para los cinco componentes de un sondeo MT.
El eje X corresponde al tiempo de registro y el eje Y la magnitud de la señal para dipolos
eléctricos y bobinas de inducción.
34
Modelamiento de estructuras geotérmicas ocultas a partir de la interpretación de
anomalías magnetotelúricas de resistividad en la región de Paipa, Boyacá, Colombia
Figura 4-5: Vista de la interface del software de procesamiento de series de tiempo (TBL), a
partir de las cuales se realiza análisis de Fourier (fcn) y se hace el procesamiento robusto de
productos cruzados (PRM), integrado con las calibraciones de los sensores (CLC) y equipo
(CLB) utilizados.
Como se realizan varios cálculos de la resistividad y fase para cada frecuencia
muestreada, se puede realizar una edición de los productos cruzados individualmente,
eliminando los valores fuera de la media y que fueron adquiridos durante periodos con
alto nivel de ruido (p.e. paso de vehículos por el sitio) o con baja amplitud de la señal,
obteniendo así un valor más robusto de la resistividad y fase en cada frecuencia. Este
procedimiento se aplica para cada sondeo y cada una de las frecuencias muestreadas.
Después del proceso de edición de productos cruzados, se unen los espectros de los
sondeos AMT y MT para obtener un sondeo llamado ―de espectro amplio‖. Este sondeo
compuesto se edita nuevamente (¡Error! No se encuentra el origen de la referencia.),
eliminando los valores de resistividad y fase de las frecuencias anómalas con sus vecinas,
como también las que presentan gran desviación estándar (a partir de los múltiples
valores obtenidos previamente). Como resultado se obtienen dos curvas de resistividad y
dos de fase en función de la frecuencia, corregidas y listas para el proceso de
interpretación. Cada una de éstas curvas se puede utilizar independientemente para la
estimación de la estructura del subsuelo, pero de la interpretación conjunta de resistividad
y fase se obtiene un ajuste mucho más robusto y por lo tanto más preciso.
Generalidades
35
Figura 4-6: Ejemplo de edición de productos cruzados. Arriba, curvas de resistividad aparente (Rhoxy, verde y Rhoyx,
amarillo) versus frecuencia (izquierda) y 40 productos cruzados para la frecuencia 640 Hz (derecha). Abajo, izquierda, fases
xy (verde) y yx (amarillo) y productos cruzados para la fase a la frecuencia 640 Hz (derecha)
640Hz
36
Modelamiento de estructuras geotérmicas ocultas a partir de la interpretación de
anomalías magnetotelúricas de resistividad en la región de Paipa, Boyacá, Colombia
Esta fase de procesado robusto a partir de los productos cruzados para cada frecuencia
analizada se realiza con el software MTEditor suministrado también por el fabricante del
equipo, a partir de este software se generan archivos planos de texto (*.edi), los cuales están
en una codificación generalizada que permite su importación a cualquier software de
modelamiento de datos MT. Para el caso del presente proyecto se utilizó el software
WinGLink (Schlumberguer) para el manejo, procesamiento e interpretación de datos MT
mediante modelación 2D.
Previo a la interpretación de los sondeos es necesario aplicar la corrección por efecto del
corrimiento estático. Es importante recordar que el fenómeno de corrimiento estático genera
un desplazamiento en el eje Y en una o ambas curvas, es decir que aparecen con resistividad
mayor o menor a la real, por lo que los modelos de capas interpretados a partir de un sondeo
no corregido por este efecto, tendrán valores de resistividad errados pero los espesores
calculados para las capas no presentarán alteración.
4.4 Dimensionalidad
Una vez realizado el procesamiento de las series de tiempo y la generación de las curvas de
resistividad versus frecuencia para los sondeos realizados, se procedió a evaluar la
dimensionalidad de acuerdo con los parámetros K y ángulo
descrito por Bahr (1991).
Para optimizar la modelación 2D, se deben utilizar las estaciones rotadas al ángulo del rumbo
geoeléctrico regional y los perfiles se deben trazar cortando perpendicularmente la estructura
geoeléctrica. En primera instancia se calculó el ángulo que corresponde a la orientación de
la estructura geoeléctrica para cada frecuencia evaluada, observando una alta dispersión de
los valores para éste ángulo entre -40 y 40 grados de azimuth (Figura 4-7).
En vista de la dispersión observada en el ángulo de rumbo, se realizó una revisión de los
datos en diferentes rangos de frecuencia encontrando que, en las frecuencias inferiores a 1
Hz (las más profundas), el ángulo de strike tiene una tendencia muy cercana a 0° o N-S
(Figura 4-8), mientras que las frecuencias mayores mantienen la misma dispersión de los
datos totales (Figura 4-9)
Generalidades
Figura 4-7: Ángulo de rumbo
evaluada
37
para todas las estaciones, calculado para cada frecuencia
Figura 4-8: Ángulo de rumbo
para todas las estaciones, calculado para frecuencias
menores a 1 Hz.
Como criterio adicional, se utilizó el parámetro ―skew” (k) (Swift, 1967), el cual da una
idea complementaria de la dimensionalidad del medio, mostrando que cuando éste es
muy cercano a 0 (<0.1) la estructura se puede considerar esencialmente 1D y, a valores
mayores, 2D ó hasta 3D.
38
Modelamiento de estructuras geotérmicas ocultas a partir de la interpretación de
anomalías magnetotelúricas de resistividad en la región de Paipa, Boyacá, Colombia
Figura 4-9: Angulo de rumbo
mayores a 1 Hz
para todas las estaciones calculado para frecuencias
Graficando éstos valores para los rangos de frecuencia evaluados (< a 1Hz y >1Hz) se
encuentra que las frecuencias mayores a 1 Hz (Figura 4-10), que son las que muestran
la mayor dispersión en el ángulo de rumbo regional, la mayoría de los valores de k son
menores a 0.1, indicando que el medio es principalmente 1D por lo que el ángulo de
rotación del sondeo dentro de éste rango de frecuencias no afecta la forma de las curvas
de resistividad. Por su parte, las frecuencias menores a 1 Hz presentan valores de k
mayores a 0.1 (Figura 4-11), indicando que el medio puede ser 2D ó incluso 3D. Por esta
razón, se definió que todos los sondeos fueran rotados 0°, ángulo de rumbo que
corresponde a las estructuras más profundas (Figura 4-8), y sobre éstos construir los
perfiles para interpretación 2D
Generalidades
39
Figura 4-10:: Parámetro k (eje Y) para todos los sondeos a frecuencias mayores de 1 Hz
(eje x)
Figura 4-11: Parámetro k (eje Y) para todos los sondeos a frecuencias menores a 1 Hz
(eje X)
4.5 Modelos 2D
Una vez establecido el ángulo de rotación de los sondeos, se trazaron nueve perfiles
sobre los cuales se realizó la modelación 2D: cinco con azimut 90° (A-A’, B-B’, C-C’, D-D’,
y E-E’, Figura 4-12), es decir perpendiculares al rumbo de la estructura geoeléctrica de
acuerdo con el análisis realizado anteriormente, y cuatro con azimut 125° (1-1’, 2-2’, 3-3’ y
4-4’), cortando perpendicularmente las estructuras geológicas superficiales.
40
Modelamiento de estructuras geotérmicas ocultas a partir de la interpretación de
anomalías magnetotelúricas de resistividad en la región de Paipa, Boyacá, Colombia
Figura 4-12: Orientación y extensión de los perfiles para modelación 2D, construidos ya sea
cortando perpendicularmente el rumbo de las estructuras geológicas principales (1 al 4) o el
rumbo de las estructuras resistivas en profundidad calculado a partir de datos MT (A al E).
4.5.1 Parámetros de inversión
Un parámetro muy importante para realizar una óptima inversión 2D del método
magnetotelúrico es el ―tau‖ ( ), el cual controla la rugosidad del modelo, es decir, que tan
rápidos y abruptos son los contrastes de resistividad del modelo (Israil, 2008).
De acuerdo con los principios teóricos de la Magnetotelúrica, se entiende que con éste
método no es posible visualizar cambios abruptos en la conductividad del suelo, por lo
que un modelado que permita este tipo de contrastes llevaría a errores de interpretación.
En éste sentido se aplicó el criterio de la ―curva L‖ (Tichonov 1977: en Israil, 2008), en
donde, para varios valores de y un mismo número de iteraciones, se toman los valores
de RMS y rugosidad del modelo buscando un valor óptimo de que minimice la rugosidad,
Generalidades
41
sin incrementar marcadamente el error de ajuste. Este criterio se aplicó para cada uno de
los perfiles propuestos determinando así el valor de
más apropiado (Figura 4-13 y
Tabla 4-1)
Figura 4-13: Evaluación de rugosidad versus RMS para los modelos. El círculo negro
marca el valor óptimo para (Tabla 4-1)
42
Modelamiento de estructuras geotérmicas ocultas a partir de la interpretación de
anomalías magnetotelúricas de resistividad en la región de Paipa, Boyacá, Colombia
Tabla 4-1: Valores de Tau Vs RMS para los modelos 2D. Se resalta en verde el Tau
seleccionado para cada Modelo.
4.5.2 Resultados de inversión 2D
Una vez definido el valor de
óptimo para cada modelo se procedió a realizar la inversión
de cada perfil, hasta 300 iteraciones cada uno, llegando a errores de ajuste satisfactorios
menores a 4%. (Figuras 4-14 a 4-22).
Generalidades
43
Figura 4-14: Modelo 2D de resistividad para el perfil 1-1’. Se obtuvo un RMS de 2.4 para un total de 300 iteraciones para un
valor de =7
NW
SE
44
Modelamiento de estructuras geotérmicas ocultas a partir de la interpretación de
anomalías magnetotelúricas de resistividad en la región de Paipa, Boyacá, Colombia
Figura 4-15: Modelo 2D de resistividad para el perfil 2-2’. Se obtuvo un RMS de 2.9 para un total de 300 iteraciones para un valor de =7
NW
SE
Generalidades
45
Figura 4-16: Modelo 2D de resistividad para el perfil 3-3’. Se obtuvo un RMS de 3.7 para un total de 300 iteraciones para un
valor de =10
NW
SE
46
Modelamiento de estructuras geotérmicas ocultas a partir de la interpretación de
anomalías magnetotelúricas de resistividad en la región de Paipa, Boyacá, Colombia
Figura 4-17: Modelo 2D de resistividad para el perfil 4-4’. Se obtuvo un RMS de 1.6 para
un total de 300 iteraciones para un valor de =10
NW
SE
Generalidades
47
Figura 4-18: Modelo 2D de resistividad para el perfil A-A’. Se obtuvo un RMS de 2.7
para un total de 300 iteraciones para un valor de =10
W
E
48
Modelamiento de estructuras geotérmicas ocultas a partir de la interpretación de
anomalías magnetotelúricas de resistividad en la región de Paipa, Boyacá, Colombia
Figura 4-19: Modelo 2D de resistividad para el perfil B-B’. Se obtuvo un RMS de 2.5
para un total de 300 iteraciones para un valor de =10
W
E
Adquisición y procesamiento de información
49
Figura 4-20: Modelo 2D de resistividad para el perfil C-C’. Se obtuvo un RMS de 2.14
para un total de 300 iteraciones para un valor de =7
W
E
50
Modelamiento de estructuras geotérmicas ocultas a partir de la interpretación de
anomalías magnetotelúricas de resistividad en la región de Paipa, Boyacá, Colombia
Figura 4-21: Modelo 2D de resistividad para el perfil D-D’. Se obtuvo un RMS de 3.13
para un total de 300 iteraciones para un valor de =10
W
E
Adquisición y procesamiento de información
51
Figura 4-22: Modelo 2D de resistividad para el perfil E-E’. Se obtuvo un RMS de 2.4
para un total de 300 iteraciones para un valor de =10
W
E
4.6 Análisis de sensibilidad de los modelos 2D
Una vez realizada la inversión de datos, se debe evaluar la sensibilidad de cada modelo 2D
respecto a los diferentes rasgos y contrastes de resistividad que se generaron, los cuales pueden
representar aspectos o estructuras de interés geotérmico.
Para esto se tomó el modelo final de cada perfil, se identifica una zona anómala de interés para la
interpretación y se suprimió, dándole a la zona una resistividad promedio a la del medio
circundante; posteriormente se generó un modelo directo para este perfil y se registró la variación
en el error (RMS) de cada estación y el del modelo total, y se comparó con los valores obtenidos
52
Modelamiento de estructuras geotérmicas ocultas a partir de la interpretación de
anomalías magnetotelúricas de resistividad en la región de Paipa, Boyacá, Colombia
inicialmente. De ésta manera se pudo evaluar que un incremento en el error para las estaciones
localizadas sobre el rasgo anómalo eliminado, es indicador de que éste rasgo existe en el terreno
ya que afecta el modelo de resistividad obtenido a partir de los datos de campo. Para el caso en
que el error no se vea incrementado sustancialmente, se espera que este rasgo pueda ser un
artefacto generado por la inversión o que está muy cerca de límite de detección del método MT, por
lo que cualquier interpretación geológica sin apoyo de otros elementos tiene un alto grado de
incertidumbre que debe ser considerado.
Este procedimiento se repitió con todos los elementos y rasgos resistivos objeto de interés en cada
uno de los modelos.
4.6.1 Sensibilidad perfil 1 (Figura 4-23)
En este perfil se identificaron cinco estructuras de posible interés geotérmico: zona de baja
resistividad asociada a cuerpos volcánicos y subvolcánicos, y posible alteración hidrotermal (A),
basamento resistivo mostrado con color azul(B), zona de fractura y posible ascenso de fluidos, y
cuerpos subvolcánicos, domo Iza (C) y fracturas en basamento resistivo (azul) con posible ascenso
de fluidos (D y E).
El análisis muestra que las estructuras A, B y C son necesarias para el ajuste del modelo, ya que el
RMS se incrementa cuando son removidas, mientras que las D y E no parecen afectar el modelo.
Figura 4-23: Zonas para el análisis de sensibilidad perfil 1 (NW-SE)
Adquisición y procesamiento de información
53
4.6.2 Sensibilidad perfil 2 (Figura 4-24)
Se encuentran cuatro estructuras de interés: zonas de alteración hidrotermal (A y B) y
zonas de fractura en el basamento resistivo (C y D). La estructura que más se refleja en
el análisis es la zona B, que puede constituir un sello importante dentro del reservorio
geotérmico.
Figura 4-24: Zonas para el análisis de sensibilidad perfil 2 (NW-SE)
54
Modelamiento de estructuras geotérmicas ocultas a partir de la interpretación de
anomalías magnetotelúricas de resistividad en la región de Paipa, Boyacá, Colombia
4.6.3 Sensibilidad perfil 3 (Figura 4-25:)
Se observan tres estructuras de interés: zona de alteración (A), fractura en el basamento
y ascenso de fluidos (B) y basamento resistivo (C). Las zonas A y C tienen influencia en
el modelo mientras que la presencia de la zona B no parece afectarlo.
Figura 4-25: Zonas para el análisis de sensibilidad perfil 3 (NW-SE)
Adquisición y procesamiento de información
55
4.6.4 Sensibilidad perfil 4 (Figura 4-26:)
Se observan dos zonas superpuestas: zona de alteración superficial (A) y zona de
fractura de basamento y ascenso de fluidos (B). De éstos la zona A es la que tiene
influencia sobre el modelo.
Figura 4-26: Zonas para el análisis de sensibilidad perfil 4 (NW-SE)
56
Modelamiento de estructuras geotérmicas ocultas a partir de la interpretación de
anomalías magnetotelúricas de resistividad en la región de Paipa, Boyacá, Colombia
4.6.5 Sensibilidad perfil A (Figura 4-27:)
Se observan tres zonas: alteración hidrotermal (A), cambio en la geometría del
basamento (B), zona de fractura en el basamento resistivo (C). la zona A es la única que
tiene influencia clara sobre el modelo.
Figura 4-27:Zonas para el análisis de sensibilidad perfil A (W-E)
Adquisición y procesamiento de información
57
4.6.6 Sensibilidad perfil B (Figura 4-28:)
Se observan tres zonas: alteración hidrotermal y ascenso de fluidos (A), zona de
alteración (B) y posible fractura en basamento resistivo (C). Las zonas A y B tienen
influencia sobre el modelo final.
Figura 4-28: Zonas para el análisis de sensibilidad perfil B (W-E)
58
Modelamiento de estructuras geotérmicas ocultas a partir de la interpretación de
anomalías magnetotelúricas de resistividad en la región de Paipa, Boyacá, Colombia
4.6.7 Sensibilidad perfil C (Figura 4-29)
Se observan tres zonas de interés: posible alteración hidrotermal (A y B) y, como punto de
control, basamento resistivo (C). Los tres rasgos tienen influencia sobre el modelo final.
Figura 4-29: Zonas para el análisis de sensibilidad perfil C (W-E)
Adquisición y procesamiento de información
59
4.6.8 Sensibilidad perfil D (Figura 4-30:)
Se observan cuatro zonas: alteración hidrotermal y/o presencia de fluidos salobres (A y
B), y presencia de basamento resistivo o fracturado (C y D). Solo las estructuras
superficiales tienen representatividad en el modelo final
Figura 4-30:. Zonas para el análisis de sensibilidad perfil D (W-E)
60
Modelamiento de estructuras geotérmicas ocultas a partir de la interpretación de
anomalías magnetotelúricas de resistividad en la región de Paipa, Boyacá, Colombia
4.6.9 Sensibilidad perfil E (Figura 4-31:)
Se observan cuatro zonas: alteración hidrotermal (A), basamento resistivo (B), zona de
fractura y ascenso de fluidos (C) y posible fractura en el basamento resistivo (D). Las tres
primeras tienen claro efecto sobre el modelo final mientras que la D lo afecta
moderadamente.
Figura 4-31: Zonas para el análisis de sensibilidad perfil E (W-E)
Adquisición y procesamiento de información
61
5. Interpretación de modelos 2D
Como apoyo para la interpretación de la información de resistividad inferida, a partir de los
modelos 2D, se utilizaron datos obtenidos a partir de otros métodos geofísicos, la relación
con estructuras geológicas superficiales y herramientas de visualización 3D de los datos
generados, con el objeto de interpretar contrastes y atributos que puedan ser relacionados
con elementos de un sistema geotérmico.
5.1 Información de otros métodos geofísicos
5.1.1 Resistividad (Sondeos eléctricos verticales)
Como parte del proyecto de exploración de recursos geotérmicos adelantado por
INGEOMINAS en el área del Municipio de Paipa (Departamento de Boyacá), se
adquirieron 77 Sondeos Eléctricos Verticales (SEV) dentro del área de trabajo (Moyano,
2010, Figura 5-1)
En este trabajo se presentó una caracterización los rangos de resistividad encontrados
para cada una de las unidades geológicas presentes en el área (Tabla 5-1-1), lo cual es
de gran utilidad para el presente proyecto por cuanto se tiene un parámetro de
comparación de los resultados de los modelos MT.
62
Modelamiento de estructuras geotérmicas ocultas a partir de la interpretación de
anomalías magnetotelúricas de resistividad en la región de Paipa, Boyacá, Colombia
Tabla 5-1: Rangos de resistividad asociados a las unidades geológicas presentes en el
área
UNIDAD GEOLOGICA
Formación Une (Ku)
Formación Conejo (Kc)
CARACTERIZACION GEOELECTRICA
Presenta capas de alta resistividad (mayores a 8000 .m) intercaladas con
otras de menor valor (100-200 .m) relacionables con la alternancia de
areniscas y shales descrita en la columna litológica
Resistividad menor a 25 .m llegando hasta 4 .m en profundidad,
concordante con la predominancia de shales y posibilidad de saturación con
agua salobre en profundidad, SEV realizado en el sector de ―La Playa‖ cerca a
la piscina ―El Delfín‖.
Formación Plaeners (Kpl)
Resistividad baja a media (10 a 250
Formación Los Pinos (Klp)
Predominancia de resistividad baja (10-50
media (150-270 .m) con areniscas.
Formación Labor y Tierna (Klt)
Formación Guaduas (KPgg)
.m)
.m) relacionada con shales y
Resistividad media-alta (400-600 .m) relacionada con areniscas, llegando a
ser muy alta en superficie (más de 2000 .m) por disminución en la saturación
de agua.
Resistividad baja predominante (menor a 50
(100-400 .m) para niveles más arenosos
.m) para las arcillolitas y media
Formación Bogotá (Pgb)
Resistividad muy alta (mayor a 1500
baja saturación.
Formación Tilatá (NgQt)
Resistividad predominante de 20 a 100 .m (arenas-limos), puede presentar
valores hasta más de 1000 .m por presencia de conglomerados.
Ignimbritas cristalo-vìtreas
Miembro Vulcano sedimentario I.4
Caídas de ceniza
Cuaternario
.m) correspondiente con areniscas con
Resistividad baja predominante (menor a 20
resistividad media-baja (100 a 200 .m)
Presenta valores menores a 100
.m (areniscas-conglomerados)
.m) con algunas capas de
.m (arenitas-limolitas) y entre 300 a 600
Presenta variaciones desde menos de 60
(lapilli)
.m (ceniza), hasta 100-300
.m
Rangos de resistividad menores a 100 .m (arcilla-arena) con ocasionales
capas de 100-300 .m (arena-conglomerado).
Adquisición y procesamiento de información
63
Figura 5-1: Localización de los SEV realizados en el área de estudio (Moyano, 2013)
Del análisis realizado a partir de la información de los SEV (Tabla 5-1) se puede
evidenciar que la resistividad de las rocas arenosas con alto grado de litificación
(Formación Une) es muy alta respecto a rocas con carácter más arcilloso e inclusive
mayor que otras rocas arenosas con menor grado de compactación (Formación Arenisca
Tierna). También se estableció que los materiales que se encuentran saturados con
comparación con las demás rocas y materiales que están secos o saturados con agua
dulce.
Adicionalmente, se encontró que el método geofísico aplicado (resistividad por corriente
directa) permite determinar zonas de muy baja resistividad asociada a fluidos salobres de
alta conductividad pero no establece claramente si estos son termales o no. Lo anterior
se evidenció comparando ensayos realizados sobre sedimentos saturados con agua
64
Modelamiento de estructuras geotérmicas ocultas a partir de la interpretación de
anomalías magnetotelúricas de resistividad en la región de Paipa, Boyacá, Colombia
salobre fría con otros realizados en una zona donde se conoce que hay fluidos salobres
de alta temperatura, entre los cuales no se establecieron diferencias de resistividad que
permitieran identificar si la fuente es caliente o no.
5.1.2 Métodos potenciales (Gravimetría y Magnetometría)
De igual manera, para el proyecto de exploración de recursos geotérmicos, se realizó un
levantamiento gravimétrico y magnetométrico terrestre con un total de 740 estaciones
distribuidas dentro del área de estudio (Vasquez, 2012, Figura 39).
Figura 5-2: Localización de estaciones de gravimetría y magnetometría (Vásquez, 2012)
Esta información fue compilada y procesada por el Servicio Geológico Colombiano
(Vásquez, 2012), proyecto del cual se tomaron los datos de anomalía completa de
Bouguer (Figura 5-3) y anomalía de campo magnético total (Figura 5-4).
Adquisición y procesamiento de información
Figura 5-3: Mapa de anomalía completa de Bouguer (Tomado de Vásquez, 2012).
65
66
Modelamiento de estructuras geotérmicas ocultas a partir de la interpretación de
anomalías magnetotelúricas de resistividad en la región de Paipa, Boyacá, Colombia
Figura 5-4: Mapa de anomalía de campo magnético total. (Tomado de Vásquez, 2012)
A partir de la información de anomalía completa de Bouguer y anomalía de campo
magnético total, se realizó un procesamiento en el Software Oasis Montaj consistente en
la aplicación de un filtro de remoción de tendencia de tercer orden, para obtener un mapa
del componente residual de cada anomalía (Figura 5-5 y 5-6).
Adquisición y procesamiento de información
Figura 5-5: Componente gravimétrico residual.
67
68
Modelamiento de estructuras geotérmicas ocultas a partir de la interpretación de
anomalías magnetotelúricas de resistividad en la región de Paipa, Boyacá, Colombia
Figura 5-6: Anomalía magnética residual de tercer orden
La información de las anomalías gravimétrica y magnética residuales se contrastaron con el mapa
de estructuras regionales para el área de trabajo encontrando una buena respuesta del método y
filtros aplicados respecto a las estructuras de orden regional (Fallas de Boyacá, Chivatá y
Soápaga), así como varias fracturas de escala semi-local que han sido propuestas como
potenciales controladores de la dinámica del sistema geotérmico (Figuras 5-7 y 5-8).
En estas figuras también se interpreta una estructura que no tiene expresión superficial y que se
extiende en dirección NNE-SSW entre los municipios de Toca y Paipa, la cual reviste gran
importancia por cuanto se localiza en medio de los focos volcánicos de Olitas (oriente) y el
Manzano (occidente). El aspecto más relevante de esta estructura inferida a partir de la
información de métodos potenciales, es que guarda una alta correlación con el rasgo de gradiente
marcado en la resistividad del basamento, interpretado a partir de los modelos 2D de
Magnetotelúrica (Figura 5-9), sobre el cual el análisis realizado a cada perfil no mostraba una
buena respuesta de sensibilidad del modelo en lo referente a dicha estructura.
Adquisición y procesamiento de información
69
Entonces es posible, a partir de la integración de información geológica, gravimétrica,
magnetométrica y de resistividad, dar un mayor grado de confianza a éste rasgo del basamento
en el área de estudio, toda vez que guarda coherencia con los datos de campo.
Figura 5-7: Componente residual gravimétrico sobreimpuesto al mapa de estructuras
principales para el área de estudio. Se observa la buena correspondencia entre la
distribución de las anomalías y los rasgos estructurales interpretados a partir de geología
de superficie. En línea roja discontinua se marca la zona donde se infiere la presencia de
una fractura en el basamento.
70
Modelamiento de estructuras geotérmicas ocultas a partir de la interpretación de
anomalías magnetotelúricas de resistividad en la región de Paipa, Boyacá, Colombia
Figura 5-8: Componente residual magnético sobreimpuesto al mapa de estructuras
principales para el área de estudio. Se observa correspondencia, aunque no tan clara
como con el componente gravimétrico, entre la distribución de anomalías y los rasgos
estructurales interpretados, entre estos, la zona de posible fractura en el basamento (línea
discontinua roja).
Adquisición y procesamiento de información
71
Figura 5-9: Localización de las estaciones de MT y modelos 2D sobre el mapa residual
gravimétrico
.
5.2 Identificación de estructuras de interés geotérmico
Una vez verificada la sensibilidad de los contrastes más marcados presentes en cada uno
de los modelos 2D y su comparación con información gravimétrica, de resistividad
eléctrica y magnetométrica, se incluyó otro aspecto de soporte para la evaluación de las
características y posibles estructuras de interés geotérmico a partir de la localización de
los manantiales termales dentro del área de estudio (Figura 5-10), revisando su
asociación a planos de falla y la tendencia regional de su distribución.
72
Modelamiento de estructuras geotérmicas ocultas a partir de la interpretación de
anomalías magnetotelúricas de resistividad en la región de Paipa, Boyacá, Colombia
Figura 5-10: Localización de fuentes termales. La escala de colores muestra los puntos
más calientes en color naranja a rojo, los cuales se concentran en un eje casi NNE –SSW
hacia el nor-occidente de la zona de caldera
Complementario al evidente control estructural sobre la localización de las fuentes
termales, se debe resaltar que las más calientes están localizadas fuera de lo que se ha
identificado como una caldera en el área de Olitas y concentrados hacia el norteoccidente de ésta zona y con una tendencia lineal NNE-SSW que corresponde
cercanamente con la tendencia evidenciada con los datos geofísicos (Gravimetría,
Magnetometría y Resistividad MT).
Para la interpretación de la estructura resistiva modelada a partir de la inversión 2D de
datos MT, se debe tener en cuenta que, de acuerdo con la información de resistividad
aportada por otros métodos, y a la encontrada en el presente trabajo, se establece que las
unidades geológicas sedimentarias presentes en el área tienen resistividades inferiores a
500 ohm.m (Tabla 5-1), por lo que se espera que las tonalidades verdes hacia naranja
corresponderán a rocas sedimentarias siendo la más alta (verde) para la formación Une
(Figura 4-14) y subsiguientes) y las intermedias para las formaciones más arcillosas
(Conejo, Plaeners, Guaduas).
Adquisición y procesamiento de información
73
En este mismo orden, las resistividades más bajas (naranja-rojo) corresponderán a
materiales saturados con agua salobre ó caliente (Moyano, 2010) y también a zonas de
intensa alteración posiblemente por acción de fluidos calientes.
Igualmente las
resistividades más altas (azul-morado) constituyen la respuesta de las rocas con baja
porosidad que forman el basamento de la Cordillera Oriental.
De acuerdo a lo anterior, y para orientar la visualización de los datos obtenidos, se espera
que los tonos rojos y naranjas marquen zonas de alteración hidrotermal y/o presencia de
fluidos salobres (calientes o no) en lo que constituiría el sello del sistema geotérmico, los
tonos amarillos las unidades arcillosas que también pueden formar sellos del sistema y los
tonos verdes, unidades arenosas que formarían el reservorio geotérmico. Finalmente los
tonos azul-morado estarían marcando los contornos del basamento del sistema y sus
discontinuidades mostrarían zonas de fractura profunda.
5.2.1 Perfil 1 (Figura 5-11)
Este perfil muestra el contorno del basamento resistivo que se ve limitado hacia el oriente
por la falla de Soápaga, en donde es marcado el contraste por la presencia del domo
subvolcánico de Iza y sus fuentes termales asociadas (MTP-23, hacia el SE). Hacia el
área de interés se encuentra marcada la discontinuidad en el basamento en la zona que
se ha propuesto a partir de datos gravimétricos como la Falla de Paipa-Toca y que
muestra una conexión con las dos estructuras volcánicas de interés (Olitas y El Manzano,
flechas azules) y hacia el Occidente la Falla de Chivatá que igualmente parece afectar el
basamento resistivo. A nivel más superficial se observa una correspondencia entre la
presencia de fallas y la distribución de resistividades asociadas a sellos geotérmicos y
zonas de alteración. Una aspecto importante para resaltar es la ausencia de una
estructura en el basamento relacionada con la caldera propuesta en el área de Olitas
(MTP-31), sugiriendo como fuente más probable del vulcanismo, la zona de fractura de
Paipa-Toca, que además estaría conectada al cuerpo de El Manzano.
5.2.2 Perfil 2 (Figura 5-12)
Localizado un poco más hacia el norte, muestra relación entre las fallas cartografiadas en
superficie, los manantiales calientes (triángulos naranja) y la presencia de resistividades
bajas que pueden estar marcando el sello del sistema geotérmico.
5.2.3 Perfil 3 (Figura 5-13)
Es el que está localizado más hacia el norte del área de trabajo, en el punto en donde se
encuentran los manantiales más calientes (MTP-07) y la presencia intensa de fuentes
salobres calientes y frías, así como una llanura aluvial con depósitos muy conductivos
saturados de agua salobre, tal y como se reporta en el perfil entre los sondeos AMTP-02
hasta MTP-41B.
74
Modelamiento de estructuras geotérmicas ocultas a partir de la interpretación de
anomalías magnetotelúricas de resistividad en la región de Paipa, Boyacá, Colombia
Figura 5-11: Interpretación del Perfil 1. Se marcan las fallas cartografiadas en superficie y la presencia de manantiales
termales (triángulos rojos). Se marca la zona de alto gradiente sugerida como la Falla Paipa-Toca
NW
SE
Adquisición y procesamiento de información
75
Figura 5-12: Interpretación del Perfil 2. Se observa correspondencia entre las estructuras geológicas y la distribución de
resistividades, que sugiere control estructural sobre el ascenso de fluidos (triángulos rojos) y zonas de alteración.
NW
SE
76
Modelamiento de estructuras geotérmicas ocultas a partir de la interpretación de
anomalías magnetotelúricas de resistividad en la región de Paipa, Boyacá, Colombia
Figura 5-13: Interpretación del Perfil 3. Se observa control estructural sobre la zona de alteración, entre las fallas El Hornito y
Batán, así como la presencia de manantiales calientes asociados (triángulo rojo).
NW
SE
Adquisición y procesamiento de información
77
5.2.4 Perfil 4 (Figura 5-14)
Este perfil se localiza al extremo sur del área de estudio, no muestra resistividades asociadas
a alteración hidrotermal o fluidos calientes/salobres por lo que podría localizarse fuera del
sistema hidrotermal y constituiría el límite sur del mismo. En la estructura del basamento se
sigue encontrando la respuesta asociada a la falla Paipa-Toca.
Figura 5-14: Interpretación del Perfil 4. Se observa el alto gradiente sugerido como la
Falla Paipa-Toca y no se evidencian resistividades bajas relacionables a alteración
hidrotermal ni presencia de fluidos calientes.
NW
SE
5.2.5 Perfil A (Figura 5-15)
Localizado en el centro del área de estudio, muestra hacia el W la estructura resistiva del
basamento asociada a la falla Paipa-Toca, la distribución de resistividades relacionadas a
sellos del sistema geotérmico y zonas de alteración así como su relación con los planos
de falla. Hacia el centro del perfil (MTP-00), que corresponde a la zona de la caldera de
Olitas, no se encuentra una fractura del basamento que sustente el ascenso de fluidos o
magma directamente bajo la zona del volcán, pero se encuentra una depresión en el
basamento que pudiera sustentar el emplazamiento de estos depósitos volcánicos con
cierto control estructural.
78
Modelamiento de estructuras geotérmicas ocultas a partir de la interpretación de
anomalías magnetotelúricas de resistividad en la región de Paipa, Boyacá, Colombia
Figura 5-15: Interpretación del Perfil A. Se observa una depresión en el basamento hacia el área de la caldera de Olitas
(flecha roja)
W
E
<Caldera Olitas>
Adquisición y procesamiento de información
79
5.2.6 Perfil B (Figura 5-16)
Figura 5-16: Interpretación del Perfil B. Se observa control estructural sobre las zonas
de baja resistividad asociadas a zonas de alteración hidrotermal o sello del sistema
geotérmico y control sobre las fuentes termales (triángulo rojo).
W
E
Localizado al norte del perfil A, pasa sobre el área de El Manzano (MTP-40), en donde se
ve una amplia zona de baja resistividad asociada a alteración hidrotermal correlacionada
con los datos geológicos de superficie y una zona de iguales características hacia el
centro en la zona de influencia de las fallas El Bizcocho y El Batán, en donde además se
encuentran algunos de los manantiales más calientes de toda el área de estudio. A nivel
de basamento se evidencia la presencia de la falla Paipa-Toca.
5.2.7 Perfil C (Figura 5-17)
Localizado hacia el sur de Olitas, muestra la tendencia en el basamento resistivo
asociada a la Falla Paipa-Toca (extremo W) y una zona conductiva (MTP-31) reflejo de la
presencia de alteración hidrotermal asociada al emplazamiento de los domos de Olitas.
En este perfil se recalca la ausencia de una fractura en el basamento directamente bajo
el volcán, pero sí de una relación de éstos cuerpos con la falla Paipa-Toca como origen
localizado hacia el occidente.
80
Modelamiento de estructuras geotérmicas ocultas a partir de la interpretación de
anomalías magnetotelúricas de resistividad en la región de Paipa, Boyacá, Colombia
Figura 5-17: Interpretación del Perfil C. Se observa una zona de baja resistividad
asociada posiblemente a los domos de Olitas (MTP-31).
W
W
E
E
5.2.8 Perfil D (Figura 5-18)
Localizado al extremo norte del área de trabajo, sobre el área de descarga de los
manantiales más calientes del área de estudio (ITP Paipa-Lanceros), muestra un alto
nivel de ruido y baja resolución en profundidad que afecta la capacidad de penetración
del método por la reducción del skin depth al tener resistividades inferiores a 1 ohm.m.
Se resalta el espesor aparente de los depósitos salobres y/o alterados el cual puede ser
superior a 500 metros y el control estructural que las fallas El Batán y El Hornito hacen
sobre la distribución de éstos. Igualmente se encuentra una importante zona de baja
resistividad asociada a la falla de Chivatá, que en este punto ya se encontraría unida a la
falla Paipa-Toca).
5.2.9 Perfil E (Figura 5-19)
Localizado al extremo sur del área de trabajo, no logra cubrir hacia el occidente el trazo
de la falla Paipa-Toca, mas sin embargo, marca claramente el trazo de la falla de
Soápaga al Oriente y muestra allí una zona de alteración (MTP-40) que estaría localizada
al norte del domo de Iza, cerca al municipio de Firavitoba.
Interpretación de modelos 2D
81
Figura 5-18: Interpretación del Perfil D. Se observa una amplia zona de alteración y
saturación con agua salobre controlada por las fallas El Hornito y El Batán, localizada en
el sector del ITP y aeropuerto.
W
E
Figura 5-19: Interpretación del Perfil E. Se observa un alto gradiente en el basamento
asociado con la Falla de Soápaga y zona de alteración al Oriente.
W
E
82
Modelamiento de estructuras geotérmicas ocultas a partir de la interpretación de
anomalías magnetotelúricas de resistividad en la región de Paipa, Boyacá, Colombia
5.3 Visualización 3D
Con el fin de controlar la correspondencia geográfica y en profundidad entre los aspectos
resistivos de interés geotérmico encontrados en cada uno de los modelos 2D, se realizó
la exportación de los modelos 2D a archivos planos tipo xyz los cuales fueron cargados a
un software Voxler, para visualización de datos en 3D (Figura 5-7), desde el cual se
puede verificar y validar la interpretación integral del área además de incorporar otro tipo
de información (capas 2D de gravimetría) y generación de interpolaciones para hacer
vistas pseudo 3D
Figura 5-20: Montaje de modelos 2D (xyz). A partir de los modelos 2D se exportan los
valores de cada nodo del modelo en formato de posición (x,y) profundidad (z) y valor de
resistividad asociado
N
3
2
D
1
B
A
C
E
4
.
Dentro de este entorno de visualización integrado de los nueve perfiles generados, se
realizó un control de la solidez de cada modelo mediante su comparación con los
modelos adyacentes y los puntos en donde éstos se entrecruzan (Figura 5-21),
encontrando una muy buena correspondencia entre todos los modelos, lo que da un
mayor soporte a la interpretación que se hace de la información.
Interpretación de modelos 2D
83
Figura 5-21: Visualización de modelos 2D en 3D. Se observa buena correspondencia
espacial entre los valores obtenidos de cada uno de los modelos 2D.
N
A partir de los datos de resistividad 2D obtenidos mediante Magnetotelúrica, se
generaron interpolaciones 3D entre los perfiles xyz para obtener un ―volumen‖ de
resistividad a partir del cual se manejan diferentes escalas y capas de visualización por
rangos de resistividades o isovalores de resistividad que resaltan los aspectos que se
proponen como respuesta de la presencia de elementos relacionados con el sistema
geotérmico, tales como las resistividades altas asociadas al basamento que permiten
suponer zonas de fractura en éste y las muy bajas asociadas a zona de alteración y sello
del sistema geotérmico (Figura 5-22).
84
Modelamiento de estructuras geotérmicas ocultas a partir de la interpretación de
anomalías magnetotelúricas de resistividad en la región de Paipa, Boyacá, Colombia
Figura 5-22: Vista 3D resaltando superficies con isovalores de resistividad asociados a
sello geotérmico (menor a 10 ohm.m, rojo) y basamento (mayor a 500 ohm.m, azul)
El Manzano
Olitas
N
La información de resistividad interpolada en 3D se comparó con la información
gravimétrica (Figura 5-23) y magnetométrica (Figura 5-24) mostrando los principales
trazos de falla contrastados previamente (Figuras 5-7 y 5-8). En estas figuras se puede
inferir que tanto la información gravimétrica como la magnetométrica guardan una buena
correspondencia con la información de resistividad al mostrar no solo los rasgos
estructurales marcados en superficie, sino la zona propuesta como la falla de Paipa
Toca, la cual no tiene manifestación en superficie, pero sin embargo se puede evidenciar
en los datos geofísicos por los tres métodos integrados en el presente trabajo (Figura 525). De igual forma, en estas mismas figuras es posible encontrar una relación entre el
rasgo resistivo en el basamento relacionado con la caldera de Olitas y la respuesta de las
anomalías gravimétrica y magnética sobre esta misma zona.
Interpretación de modelos 2D
85
Figura 5-23: Vista 3D de los isovalores correspondientes al basamento resistivo (azul,
500 ohm.m) y el mapa de anomalía gravimétrica residual con trazos de falla interpretados
F. Soápaga
Olitas
F. Paipa-Toca
86
Modelamiento de estructuras geotérmicas ocultas a partir de la interpretación de
anomalías magnetotelúricas de resistividad en la región de Paipa, Boyacá, Colombia
Figura 5-24: Vista 3D de los isovalores correspondientes al basamento resistivo (azul,
500 ohm.m) y el mapa de anomalía Magnetica residual con trazos de falla interpretados
N
Olitas
Paipa-Toca
Interpretación de modelos 2D
87
Figura 5-25: Visualización 3D de isovalores del basamento resistivo (500 ohm.m) y
orientación del planos de falla inferidos (Paipa-Toca). Se señala el rasgo en el
basamento interpretado como una depresión bajo la zona de la caldera de Olitas.
5.4 Modelo resistivo del sistema geotérmico
A partir de la información procesada e integrada en el presente trabajo, se estructuró una
descripción del sistema geotérmico en el área de Paipa, mediante la cual se establecen
algunos aspectos de interés (Figura 5-26):
El reservorio geotérmico se establece en rocas de la Formación Une, la cual se
recarga hacia el oriente del área en donde aflora en un amplio anticlinal y además se
encuentra expuesto en zona de páramo.
No se identifica dentro del rango de profundidad investigado, cámara magmática o
zona de fractura bajo el área de Olitas, en donde se estableció la principal actividad
volcánica para la zona. Por lo anterior se considera como fuente de flujo de calor la
zona de fractura hacia el Occidente identificada como Paipa-Toca.
88
Modelamiento de estructuras geotérmicas ocultas a partir de la interpretación de
anomalías magnetotelúricas de resistividad en la región de Paipa, Boyacá, Colombia
Sobre la zona de fractura mencionada anteriormente, se encuentran las mayores
evidencias, desde el punto de vista resistivo, de grandes zonas de alteración
hidrotermal y materiales conductivos que constituyen el sello del sistema geotérmico.
El control estructural sobre las fuentes termales evidencia planos de debilidad en
el sello del sistema que facilitan el escape de los fluidos hacia la superficie
(Figura 5-27)
Figura 5-26: Visualización 3D del sistema geotérmico a partir de los datos
magnetotelúricos. Se resaltan resistividades relacionadas con el sello del sistema
(menor a 10 ohm.m, rojo), basamento (mayor a 500 ohm.m, azul) y reservorio geotérmico
(100-400 ohm.m, verde)
Zona de
Descarga
Zona de recarga
(Fm. Une
Sello
Reservorio
Fuente
de
calor?
Interpretación de modelos 2D
89
Figura 5-27: Vista en planta de la localización de los manantiales termales (cuadrados)
respecto al modelo geotérmico planteado.
6. Conclusiones
6.1 Conclusiones
Se realizó una modelación del sistema geotérmico de Paipa utilizando datos de
resistividad a partir de 58 estaciones de magnetotelúrica (AMT y MT), integrados con
información de resistividad eléctrica (Sondeos Eléctricos Verticales, SEV),
magnetometría y gravimetría y la información geológica disponible sobre el área de
estudio. A partir de esta información se interpretó y propuso la presencia de los
siguientes elementos del sistema geotérmico de Paipa:
El sello geotérmico, inferido a partir de la presencia de resistividades anómalamente
bajas (menores a 10 ohm.m), se localiza hacia el occidente del área de Olitas y fuera
de la zona marcada como el borde de la caldera del volcán de Paipa (Ingeominas,
2004).
Hacia los bordes y dentro de este sello propuesto, se localizan las principales áreas
de descarga del sistema en fuentes termales (también fuera del área de Olitas)
relacionadas estrechamente a fallas que indican control estructural en donde el
fracturamiento favorece el escape de fluidos del reservorio a través del sello hacia la
superficie.
Se propone la Formación Une como reservorio geotérmico, que aflora en el eje de
una estructura anticlinal localizada hacia el oriente del área de Olitas, desde donde se
recarga y almacena bajo la zona de sello hacia el occidente en el área de la zona de
fractura documentada como la falla de Paipa-Toca.
La fuente de calor para el sistema geotérmico no fue plenamente identificada dentro
del rango de profundidad evaluado en el presente estudio, sin embargo la información
geofísica (magnetotelúrica, magnética y gravimétrica) sugiere la presencia de una
estructura con orientación NNE-SSW, que está localizada entre los cuerpos de Olitas
y El Manzano (Falla Paipa-Toca), que los conecta como un origen común y se
propone como el posible conducto de ascenso de fluidos magmáticos hacia
superficie.
Respecto a la posible extensión del sistema geotérmico, se encuentra que a la zona
de alteración (sello), representada por resistividades muy bajas, es posible
establecerle unos límites hacia el Occidente, Oriente y Sur del área, en donde hay
control con datos de magnetotelúrica; sin embargo el sistema parece extenderse
92
Modelamiento de estructuras geotérmicas ocultas a partir de la interpretación de
anomalías magnetotelúricas de resistividad en la región de Paipa, Boyacá, Colombia
hacia el norte, en donde la zona de alteración es amplia y no se tiene control con
información de resistividad.
El comportamiento resistivo del subsuelo en el área de estudio, de acuerdo con la
información de los modelos MT y su integración con resistividades obtenidas con SEV,
muestra rasgos característicos asociables a los elementos de un sistema geotérmico,
como son la presencia de materiales de muy baja resistividad (menos de 10 ohm.m)
relacionados con zonas de alteración hidrotermal o rocas arcillolíticas que forman un
sello para el sistema, rocas con resistividades intermedias (menos de 500 ohm.m) que
forman el reservorio geotérmico y rocas de alta resistividad (mayor a 500 ohm.m) que
pueden ser relacionadas con el basamento de la cuenca sedimentaria en el cual se
propone una zona de fractura (Paipa-Toca) relacionada con gradientes fuertes de
resistividad, que pueden representar zonas de debilidad en la corteza que facilitan el
ascenso de magma y/o fluidos calientes que alimentan el sistema geotérmico.
Los datos gravimétricos muestran una alta correspondencia con la geología y estructuras
regionales del área de estudio, sugiriendo además el trazo NNE-SSW de la falla PaipaToca, rasgo que en los modelos de resistividad a partir de MT también se infiere pero con
una baja sensibilidad dentro del modelo general, pero que se ve sustentada y
evidenciada mediante la integración con este método potencial.
La información magnetométrica presenta una tendencia similar y correspondencia con la
información gravimétrica y un aceptable grado de correlación con la información
estructural y de resistividad a partir de MT, como por ejemplo en la zona documentada
como Falla Paipa-Toca.
6.2 Recomendaciones
Se recomienda ampliar la zona de investigación con el método magnetotelúrico,
mediante la extensión de los modelos 2D existentes y proyección de unos nuevos hacia
el occidente, norte y sur del área de estudio, con el fin de investigar sobre la extensión de
los elementos del sistema geotérmico propuestos en el presente trabajo. Para lo anterior
se deben ubicar minuciosamente las estaciones, ya que en estas zonas hay mayor
población, presencia de una planta termoeléctrica y líneas de alta tensión asociadas.
Para la investigación de la posible fuente de calor del sistema geotérmico de Paipa, se
recomienda la realización de sondeos MT con alcance más profundo, es decir a más baja
frecuencia, para lo cual se deberán ampliar los tiempos de adquisición posiblemente a
varios días y probablemente usar equipos con un rango dinámico más apropiado para
este tipo de estudios.
Se recomienda igualmente extender el área de investigación en gravimetría y
Conclusiones y Recomendaciones
93
magnetometría mediante el levantamiento, integración de datos de otros proyectos y un
reprocesamiento de la información para generar coberturas más detalladas que permitan
una interpretación más afinada de las diferentes anomalías observadas en este trabajo.
Se deben realizar pruebas con los equipos de magnetotelúrica en lo referente a los
valores de ganancia, filtros y demás parámetros de adquisición para asegurar una buena
calidad en la señal eléctrica y magnética registrada, lo que redundará en una mejor
resolución en las bajas frecuencias, mediante tiempos relativamente cortos de
adquisición para lo anterior es muy importante obtener apoyo de la gente local para
desconectar cercas eléctricas., motobombas y demás fuentes potenciales de ruido
durante la adquisición de datos MT.
Se debe considerar la inversión 3D de datos de magnetotelúrica como alternativa para
buscar una mejor visualización del sistema.
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