estudio_gases_cadena - Geotermia | El Salvador

Programa Regional de Entrenamiento
Geotérmico (PREG)
Diplomado de especialización en Geotermia-2013
Universidad de El Salvador
Facultad de Ingeniería y Arquitectura
Unidad de Postgrados
Proyecto de Graduación
Tema:
Estudio de los gases de la cadena volcánica y comparación con gases geotermales
en El Salvador.
Presentado Por:
Sara Sandoval Ingeniera Química
Francisco Montalvo Vulcanólogo
Alberto Antonio Rosa Lúe Ingeniero mecánico
Asesor: Antonio Matus
Ciudad Universitaria, 5 de diciembre de 2013
ÍNDICE DE CONTENIDOS
1. INTRODUCCIÓN……………………………………………………………………..…..1
2. OBJETIVOS…………………………………………………………………………….....2
2.1.
GENERALES………………………………………………………..…...2
2.2.
ESPECÍFICOS……………………………………………………..…….2
3. MARCO TEÓRICO…………………………………………………………………..……3
3.1 SISTEMAS HIDROTERMALES VOLCÁNICOS……………………..……3
3.2 SISTEMAS HIDROTERMALES GEOTÉRMICOS………………….…….6
3.3 LOS SISTEMAS GEOTÉRMICOS…………………………………….……7
4. TÉCNICAS DE MUESTREO DE GASES Y ANÁLISIS DE LAS MUESTRAS…..13
5. CONVERSIÓN DE UNIDADES……………………………………………………...…16
6. DESCRIPCIÓN Y METODOLOGÍA APLICADA AL PROYECTO………………….18
6.1 PROCEDIMIENTO EMPLEADO EN EL PROYECTO PARA LA
ELABORACIÓN DE LOS GRÁFICOS TERNARIOS…………………………………19
6.1.1 PRIMERA ITERACIÓN PARA LA ELABORACIÓN DE LOS
GRÁFICOS TERNARIOS ………………………………………………………24
6.1.2 SEGUNDA ITERACIÓN PARA LA ELABORACIÓN DE LOS
GRÁFICOS TERNARIOS………..…………………………………………..…28
6.1.3 TERCERA ITERACIÓN PARA LA ELABORACIÓN DE LOS
GRÁFICOS TERNARIOS……………………………………………………….33
7. RESULTADOS……………………………………………………………………………39
8. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES…..……………………………………..46
9. REFERENCIAS…………………………………………………………………………..48
ÍNDICE DE FIGURAS Y GRÁFICOS
Figura 1: Modelo de un sistema geotérmico………………………………………………….…8
Figura 2. Presenta un diagrama ternario en donde
Se han ploteado el nitrógeno (N2), metano (CH4)
y Dióxido de carbono (CO2)…………………………………………………………...…………11
Figura 3. Presenta un diagrama ternario en donde
se han graficado el isótopo de 4Helio (2x4He),
isótopo de3Helio (1063He) y Metano (CH4)…………………………….………………………12
Figura 4.Esquema de recolección de
muestras………………………………………………………..…………..……………..……….14
PRIMER ITERACIÓN PARA LA ELABORACIÓN DE GRÁFICOS TERNARIOS
Figura 5. Diagrama Giggenbach para He-N2-Ar.............................................…………….25
Figura 6. Diagrama ternario CH4 – CO2 – N2…………….............……………...……………26
Figura 7. Diagrama ternario He-Ar-N2……………………………….............…...……………27
SEGUNDA ITERACIÓN PARA LA ELABORACIÓN DE GRÁFICOS TERNARIOS
Figura 8. Diagrama Ternario Isótopos de He y CH4...………..………………....……………29
Figura 9. Diagrama Ternario Isótopos de He y CO2/2000…..……………….………………30
Figura 10. Diagrama Ternario Isótopos de He y N2/2000…….…….……………….……….31
Figura 11. Diagrama Ternario Isótopos de He y H2/2000…….....…………………….……..32
Figura 12. Diagrama Ternario Isótopos de He y H2S/2000...……………………….……….33
TERCERA ITERACIÓN PARA LA ELABORACIÓN DE GRÁFICOS TERNARIOS
Figura 13. Diagrama Ternario Isótopos de He y H2S/100..……...………….….……………34
Figura 14. Diagrama Ternario Isótopos de He y CH4/10…………..……..……………….....35
Figura 15. Diagrama Ternario Isótopos de He y CO2/20000...……...…….………….…..…36
Figura 16. Diagrama Ternario Isótopos de He y H2/10000…………...…………..………….37
Figura 17. Diagrama Ternario Isótopos de He y N2/1000………..…………….…………….38
RESULTADOS. DIAGRAMAS TERNARIOS:
Figura 18 a) Diagrama Ternario Isótopos de He y H2S/100....………………...…………….39
Figura 19 b) Diagrama Ternario Isótopos de He y CH4/10..………...…………….…………40
Figura 20 c) Diagrama Ternario Isótopos de He y CO2/20000….………………………..….42
Figura 21 d) Diagrama Ternario Isótopos de He y H2/10000.………………,,,,,,,,,,,,………43
Figura 22 e) Diagrama Ternario Isótopos de He y N2/1000.……………………….…..……44
ÍNDICE DE FOTOGRAFÍAS
Fotografía 1. Vista de botella de Giggenbach
Con una sola
válvulas…….…………………………………………………...……………….………………...13
Fotografía 2. Vista de botella de Giggenbach
con dos válvulas…….…………………………………………………………….………….…...13
Fotografía 3. Sistema para la toma de muestras…...…………………………………………14
Fotografía 4. Vista de Separador…...………………………..………………..…………..……15
Fotografía 5. Sistema para la Toma de
Muestras…………………………..…...………………………..………………….……..………15
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1. Presenta los datos de manera
general..…………………………..…...………………………..………………….……..………22
Tabla 2. Presenta los datos utilizados para alimentar los gráficos
ternarios..………………….……..…...………………………..………………….……..…….…22
Tabla 3. Relaciones de 3He/4He para los campos geotérmicos de Ahuachapán y
Berlín...…………………………..…...………………………..……………..…….……..………42
1. INTRODUCCIÓN
La geoquímica es una parte importante de los estudios de la tierra, ya que con ella
hemos logrado estudiar y entender muchos de los fenómenos que ocurren en el interior
de La tierra y que no es posible estudiarlos.
Como ejes fundamentales del estudio de la Geoquímica son el estudio de los
gases, ya que por su composición podemos saber cuáles fueron las condiciones en las
cuales se encuentran y su posible mezcla al lograr el ascenso.
Se está presentando el estudio y comparación de los gases que se encuentran en
los ambientes volcánicos y en los ambientes geotérmicos, ya que muchos de los
reservorios son calentados por cámaras magmáticas, sin embargo, debido a muchos
factores (como puede ser la capa sello) sólo se aprovecha el calor que puede ser
absorbido por el agua, por lo que los muchos de los gases que se están detectando y
midiendo en la superficie son provenientes de sistemas hidrotermales, es decir que los
gases mayoritarios corresponden a vapor de agua (H2O), Dióxido de Carbono (CO2), y
como derivado de azufre (H2S).
Sin embargo, es de notar que también puede ocurrir liberación de gases de la
cámara magmática y ocasionar mezclas durante el ascenso lo que conlleva a un
incremento en algunas concentraciones de ciertos componentes debido a los procesos de
lavado (Scrubbed) u oxidados por lo que el gas residual se enriquece en otros
componentes como N2 y CO2.
1
2. OBJETIVOS:
2.1.

GENERALES
Realizar un estudio de comparación entre los gases que emiten las áreas
volcánicas y los gases de sistemas geotérmicos entre los diferentes campos
geotérmicos de Berlín y Ahuachapán para determinar sus diferencias.

Comparar las concentraciones de los gases en cada uno de los sistemas
propuestos mediante gráficas ternarias o gráficas triangulares.
2.2.

ESPECÍFICOS
Conocer las concentraciones de los gases pozos geotérmicos y fumarolas de los
diferentes campos geotérmicos de Berlín y Ahuachapán.

Conocer las concentraciones de hidrógeno, dióxido de carbono, metano, sulfuro de
hidrógeno, nitrógeno e isótopos de helio y otros componentes analizados tanto en
la cadena volcánica como en los sistemas geotérmicos.

Realizar gráficas ternarias de diferentes tipos de gases con el fin de determinar la
combinación que proporcione mayor apreciación entre los campos geotérmicos
gases a fin de determinar las diferencias existentes entre los análisis de sistemas
geotérmicos y volcánicos.

Investigar sobre los estudios realizados sobre muestreos de gases en la cadena
volcánica y gases geotérmicos.

Recopilar los datos de muestreos existentes a fin contar con una base de datos
para realizar el análisis y comparación de resultados de los diferentes muestreos.

Identificar muestreos faltantes en este campo para proponer la realización de toma
de muestras y análisis.
2
3. MARCO TEÓRICO
3.1.
SISTEMAS HIDROTERMALES VOLCÁNICOS
Un sistema hidrotermal se compone de la interacción que existe entre el agua y el
calor proveniente del interior de la tierra. Sin embargo, podemos separarlo en dos
categorías los sistemas volcánicos y sistemas geotermales. Cada uno de ellos con sus
características, reacciones químicas y parámetros bien definidos. Por lo tanto debemos
de conocer que las emisiones gaseosas son diferentes, sin embargo, también podemos
encontrar similitudes, ya que en ambos sistemas se encuentran gases comunes en los
dos. Iniciemos la descripción de cada una de ellos iniciando con los sistemas
hidrotermales asociados a los volcanes.
En el caso especifico de nuestro país, debemos de hacer referencia a dos tipos de
vulcanismos, Vulcanismo Antiguo o Extinguido: está constituido por una cadena de
edificios volcánicos de composición generalmente andesítica y cuyas elevaciones oscilan
entre los 700 y 1000 metros sobre el nivel del mar (m.s.n.m.), se encuentran hacia el norte
del país conformando la unidad geomorfológica conocida como Cadena Interior, arriba
descrita. Se trata de edificios muy antiguos (aproximadamente 1-2 Ma) que no presentan
actualmente ninguna actividad y que en varios casos están muy erosionados y sus
materiales con un grado de descomposición alto, a tal grado que no son reconocidos
como volcanes por la población. Ejemplo de estos son el Cerro de Guazapa en el
Departamento de San Salvador y el Volcán de Cacahuatique en el Departamento de
Morazán.
Vulcanismo Joven o Activo: está conformado por una cadena de edificios
volcánicos que se encuentran ubicados en la unidad geológico-tectónica de la Fosa
Central, sobre el tercer eje tectónico del sistema de fallas WNW. Las características
generales de estos edificios se detallan a continuación:
a. Se trata de edificios estrato-volcánicos cuya elevación está entre 1900 y 2350
m.s.n.m.
3
b. Presentan erupciones de tipo estromboliana (y a veces vulcaniano) con lava
cuya composición va desde básica hasta ácida (de basaltos hasta riolitas)
c. En su mayoría, son volcanes activos que han presentado períodos eruptivos en
tiempos históricamente recientes (siglo XVI hasta la fecha); dichas erupciones han
emergido por fisuras con dirección noroeste-sureste
d. Hidrogeológicamente, constituyen las zonas con la permeabilidad más alta, lo
que las convierte en las principales zonas de recarga de acuíferos del país
e. Varios presentan zonas de anomalías hidrotermales (fumarolas)
f. En sus cercanías se encuentran los principales centros urbanos del país.
La presencia de volcanes en nuestro país, ha permitido la utilización de las
cámaras magmáticas como reservorios para el aprovechamiento del calor a través de
agua calentada en el reservorio y traída a la superficie por medio de pozos. Esto ha
permitido la explotación de algunas de las plantas geotérmicas en zonas volcánicas como
Ahuachapán y Berlín.
Los sistemas hidrotermales volcánicos pueden ser internos (aguas subterráneas)
y/o superficiales (como lagunas ácidas que existen en los complejos cratéricos) y pueden
ser muestreadas directamente a través de pozos y manantiales, así como pueden tener
diferentes manifestaciones como campos fumarólicos, manantiales calientes y otros.
Los campos fumarólicos emiten gases de origen magmático como vapor de agua,
que es el componente mayoritario con aproximadamente el 95%, el otro 4% son gases
como SO2, H2S, CO2, y menos del 1% son gases inertes como Helio, Argón y otros. Los
manantiales calientes se deben a un calentamiento de las aguas subterráneas (freáticas)
por focos de calor atrapados en la tierra.
La presencia de ciertas especies químicas en el sistema puede indicarnos el inicio,
la evolución y finalización de una crisis eruptiva; se sabe que su presencia está
condicionada por los tipos de gases que se encuentran en las emanaciones de un volcán
y algunas de ellas, por sus propiedades fisicoquímicas, son capaces de disolverse y
permanecer en el agua por tiempos mayores, como es el caso de los gases CO2 y SO2,
que pueden producirnos iones carbonato y sulfato respectivamente.
4
Las variaciones de la temperatura, en los arcos volcánicos, pueden estar
influenciadas, por diversas causas, pero principalmente por, un ascenso de magma, el
cual puede producir una mayor desgasificación del sistema y provocar una inyección de
nuevo material a la cámara magmática.
A lo largo de los años, los volcanes activos han presentado emisiones gaseosas a
la atmósfera, estas emisiones, resultan beneficiosas ya que de todos los gases emitidos el
CO2 y el vapor de agua, son gases de efecto invernadero (que ayudan a mantener la
temperatura del planeta) sin embargo, algunos de ellos tienen efectos no beneficiosos en
la salud, ya que causan enfermedades debido a su exposición prolongada. Cabe
mencionar que además de lo anterior expuesto, debemos recordar la capacidad oxidante
de ellos (esto debido a la elevada atracción hacia los electrones) haciéndolos muy
corrosivos y con la capacidad de dañar al medio ambiente y la salud de las personas y
animales.
Durante el ascenso magmático (propio de una reactivación volcánica) se liberan
muchos gases entre ellos el CO2, SO2, H2S, HCl y HF, los cuales se encuentran disueltos
en el magma, y por una caída de la presión comienzan a liberarse, debido a esta
propiedad podemos decir que un incremento en los valores de estos gases, estaría
indicando una intrusión o ascenso de magma. Por este motivo se vuelve importante
cuantificar las cantidades de estos gases que pueden ser emitidos por los volcanes
(creando una línea base) así como tomar en cuenta el tipo de reacciones que estos gases
presentan en su ascenso y liberación, ya que en su camino pueden cambiar su estado de
oxidación y quedar atrapados en los acuíferos del sistema interno del volcán.
El dióxido de azufre (SO2) es un gas incoloro, con un olor irritante característico.
No es inflamable, no es explosivo y es relativamente estable. En contacto con membranas
húmedas el SO2 forma ácido sulfúrico (H2SO4), que es responsable de fuertes irritaciones
en los ojos, membranas mucosas y piel
El sulfuro de hidrógeno (H2S) es un gas más pesado que el aire, es inflamable,
incoloro, tóxico, odorífero: su olor es el de materia orgánica en descomposición, como de
huevos podridos. Es poco soluble en agua 0.33 g L-1, sin embargo, puede causar daños a
los tejidos si entramos en contacto con el, siendo: si se ingiere puede causar náuseas y
vómitos; si se inhala: puede ser fatal. En la piel puede causar picazón y dolor; y en los
ojos puede causar quemaduras.
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El Salvador es parte de los países que conforman el cinturón de fuego del pacifico
posee una cadena volcánica cuaternaria (holoceno – pleistoceno) en esta cadena
volcánica se encuentran 21 volcanes activos, de los cuales se tiene registro histórico de
los últimos 500 años.
De acuerdo a la clasificación del Servicio Geológico de El Salvador, estos
volcanes se dividen por su actividad en volcanes extintos y activos, los primeros se
encuentran al norte del territorio con una edad del periodo terciario (Era Cenozoica) que
comprende unos 65 millones de años atrás.
Es de mencionar que por las características de las cámaras magmáticas y los
estilos eruptivos la mayoría de volcanes corresponden a una clasificación de volcanes
compuestos, es decir que poseen o han sido creados a través de muchas erupciones, lo
cual los hace que tengan un periodo de recurrencia, a la vez esta característica brinda la
oportunidad de que en su interior se creen cámaras magmáticas, teniendo la oportunidad
de que en el interior se de una serie de reacciones que clasificaran al magma y sus
propiedades reológicas
3.2.
SISTEMAS HIDROTERMALES GEOTÉRMICOS
Para el caso de los sistemas hidrotermales en los sistemas Geotérmicos, muchas
de las reacciones antes mencionadas existen, entre ellas podemos mencionar a las
reacciones de liberación de los gases magmáticos, específicamente los derivados de
azufre y sus respectivos cambios que ocurren, sin embargo, a esto debemos de aplicar la
solubilidad de algunos de ellos, los cuales al ser mas solubles en agua, en su ascenso
son atrapados o sufren reacciones de disolución en las capas freáticas por lo que algunos
como el Dióxido de Azufre, el Cloruro de Hidrógeno y el Fluoruro de hidrógeno (más
solubles) no logran finalizar su ascenso.
Sin embargo, en el caso de los otros gases, como ejemplo, el Dióxido de Carbono,
y los isotopos, todos ellos se encuentran presentes en ambos sistemas, por lo que un
estudio más detallado de ellos permitiría conocer el comportamiento, y es probable que
sólo encontremos diferencia en sus concentraciones.
6
3.3.
LOS SISTEMAS GEOTÉRMICOS
Los sistemas geotérmicos pueden encontrarse en regiones, con un gradiente
geotérmico normal o levemente superior, especialmente en regiones alrededor de los
márgenes de placas, donde el gradiente geotérmico puede ser significativamente más alto
que el valor promedio. En el primer caso, los sistemas se caracterizarán por bajas
temperaturas, normalmente inferiores a 100°C, a profundidades económicamente
alcanzables (2-3 km); en el segundo caso las temperaturas podrían cubrir un amplio
rango, desde bajas hasta muy altas e incluso sobre 400°C.
Un sistema geotérmico está constituido por 3 elementos principales: una fuente de
calor, un reservorio y un fluido, el cual es el medio que transfiere el calor. La fuente de
calor puede ser tanto una intrusión magmática a muy alta temperatura (> 600°C),
emplazada a profundidades relativamente someras (5-10 km) o bien, como en sistemas
de baja temperatura donde el gradiente geotérmico es más bajo que el normal.
El reservorio es un volumen de rocas calientes permeables del cual los fluidos
circulantes extraen el calor. Generalmente el reservorio está cubierto por rocas
impermeables y está conectado a un área de recarga superficial a través de la cual el
agua meteórica puede reemplazar los fluidos que se escapan del reservorio a través de
las fuentes termales o que son extraídos mediante pozos. El fluido geotermal es agua en
la mayoría de los casos de origen meteórico, ya sea en la fase líquida o en la fase vapor,
dependiendo de su temperatura y presión. Esta agua a menudo contiene sustancias
químicas disueltas y gases tales como CO2, H2S, etc.
El
mecanismo
que
sustenta
los
sistemas
geotérmicos
está
controlado
fundamentalmente por convección de fluidos. La figura 1; describe esquemáticamente el
mecanismo en el caso de un sistema hidrotermal de temperatura intermedia. La
convección tiene lugar debido al calentamiento y a la consecuente expansión termal de
los fluidos; el calor, que es suministrado en la base del sistema de circulación, es la
energía que acciona el sistema. El fluido calentado de menor densidad tiende a ascender
y a ser reemplazado por fluido frío de mayor densidad, proveniente de los márgenes del
sistema.
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Figura 1: Modelo de un sistema geotérmico. La curva 1 es la curva de referencia para el punto de
ebullición del agua pura. La curva 2 muestra el perfil de temperatura a lo largo de una típica ruta de circulación
desde la recarga en el punto A hasta la descarga en el punto E. (Según White, 1973)
Los principales gases, tanto magmáticos como volcánicos que serán analizados son los
siguientes:
a) Dióxido de carbono (CO2)
El CO2 es un gas incoloro, inodoro, ligeramente ácido y químicamente reactivo. La
abundancia de este gas en el aire es de aproximadamente 355 ppmV y en el agua pura
saturada en contacto con el aire es de 3900 ppmV (Capasso e Inguaggiato, 1998). El
CO2es,junto con el vapor de agua, la principal especie volátil de los sistemas volcánicoshidrotermales. Su reducida solubilidad en fundidos silicatados hace que sea de los
primeros volátiles en escapar del magma a presiones moderadas y su alta solubilidad en
el agua (759 ppmV de agua en condiciones estándar)permite que una fracción
considerable del CO2 emitido quede retenido en el acuífero. Debido a su elevada
reactividad, la concentración del CO2 disuelto en las aguas subterráneas está controlada
por la temperatura ypor el pH de las mismas.
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El principal proceso responsable de la presencia de CO2 disuelto en los acuíferos
volcánicos es el aporte de origen magmático-mantélico, aunque la descomposición de la
materia orgánica, el metamorfismo térmico de rocas carbonatadas, la oxidación de CO y
CH4, y la aportación atmosférica, también pueden ser fuentes importantes de CO2.
b) Metano (CH4)
El CH4 es un gas incoloro, inodoro, inflamable, no tóxico, estable a temperaturas
superiores a los 700 °C y su concentración en la atmósfera es de 1,7 ppmV. El CH4 puede
tener origen orgánico, por reducción del CO2, o magmático, siendo esta última la menor
contribución.
En el ambiente de la corteza terrestre es común la formación de CH4 a partir del
CO2 producto de la actividad biológica, según la reacción:
2 CO2 + 16 FeO + 4 H2O ↔ 2 CH4 +8 Fe2O3
Donde FeO y Fe2O3, representan al hierro en dos estados de oxidación, que por lo
general se encuentran presentes en los minerales de las rocas (Giggenbach, 1987).
c) Hidrógeno (H2)
El H2 está presente en la mayoría de las emisiones volcánicas y ha sido usado
desde hace décadas en la vigilancia volcánica (Sato y McGee, 1980). Debido a sus
características físico-químicas, el H2 escapa rápidamente hacia el espacio exterior,
encontrándose en concentraciones bajas tanto en la atmosfera como en el agua pura
saturada en aire(aproximadamente de 0,5 ppmV).
El H2 se suele formar por una gran variedad de reacciones inducidas por la
interacción agua-roca. El H2 puede formarse en el interior de la tierra por reacción de
descomposición del agua con óxidos de hierro que están presentes en el magma y/o en
las rocas, según la reacción propuesta por Neal y Stanger (1983):
H2O + 2 FeO↔ Fe2O3 + H2
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d) Helio (He)
Los gases nobles como el helio son muy útiles como trazadores de la contribución
endógena ya que los fluidos profundos suelen estar relativamente enriquecidos en el
(i.e.Graham, 2002) a la vez que suele estar en una concentración reducida en la
atmósfera, alrededor de 5,2 ppmV. En este sentido, el helio es un gas que posee unas
propiedades muy interesantes, ya que presenta una alta movilidad, es inerte
químicamente, físicamente estable, no absorbible y no es de origen biogénico (Pogorsky y
Quirt, 1981), aunque presenta una importante limitación dada su reducida solubilidad en el
agua en condiciones normales(aproximadamente 10 ppmV). Si el agua permanece mucho
tiempo en el medio poroso, el contenido en helio se va incrementando con el tiempo
debido a los aportes originados en la emisión de los componentes radiactivos naturales de
las rocas tales como 235U, 238U, 232Th,226Ra, etc. (Custodio y Llamas, 1976; 1983).
e) Nitrógeno (N2)
El nitrógeno puede ser de origen atmosférico meteórico, pero también puede ser
de origen magmático, en el caso del CH4 puede derivarse de rocas sedimentarias
cercanas a la superficie conteniendo materia orgánica, el Ar y He pueden formarse por
lixiviación de la roca o por entrada de fluido magmático y para el resto de gases inertes
son casi en su totalidad de origen meteórico.
Sin embargo, se debe recordar de la interacción que presentan todos estos gases
con la atmosfera y las reacciones químicas en el interior, es que en algunas
investigaciones previas, se han designado valores estándares para algunos gases
conocidos, por ejemplo en Giggenbach y otros, 1993, se encuentran valores para algunos
gases y sus respectivas relaciones, esto facilita conocer el origen de muchos de estos
gases, por lo que se puede discriminar entre ellos y así evitar la obtención de valores muy
altos para un muestreo.
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Figura 2. Presenta un diagrama ternario en donde se han ploteado los el nitrógeno (N 2), metano
(CH4) y Dióxido de carbono (CO2). Los puntos en color negro son provenientes de fumarolas de
volcanes activos en Nueva Zelanda. (Giggenbach, 1993)
En el grafico anterior se observa claramente cuáles de los campos geotérmicos
están influenciados por la actividad o poseen una pequeña componente magmática, y son
los pozos que se encuentran en la parte superior del gráfico. Ya que poseen
características muy similares a las muestras recolectadas en la Región Volcánica Central
(CVR) por lo tanto al graficar otros sistemas geotérmicos y estos se encuentren el esta
zona, tendrán influencia volcánica.
Es de hacer notar que en otros gráficas pueden graficarse datos que pueden
separar las muestras, tal es el caso de la figura 3, en donde aparece una línea
termogenética, la cual es explicada (Giggenbach, 1993) como la influencia que ejercen
gases de origen magmático joven (recientes). Esta línea podrá observarse en algunos de
los gráficos con los datos que se procesan y analizan.
11
4
Figura 3. Presenta un diagrama ternario en donde se han graficado el isotopo de Helio 4 (2 He),
3
isotopo de Helio 3 (106 He) y Metano (CH4). La línea presenta la influencia magmática de estos
gases algunos de ellos cerca de la composición magmática (Giggenbach, 1993)
Se debe mencionar que los campos geotérmicos del país, se encuentran dentro de
complejos volcánicos activos, por lo que tendrán influencia de estos, sin embargo,
muchos de ellos solo aprovechan el calor generado por las cámaras magmáticas, no
llegando a poseer una clara composición magmática.
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4. TÉCNICAS DE MUESTREO DE GASES Y ANÁLISIS DE
LAS MUESTRAS
El muestreo de gases se realiza en ampollas de vidrio al vacío, denominadas
botellas de Giggenbach, las cuales contienen reactivos que varían dependiendo de la
naturaleza del componente del gas a ser analizado. Así mismo, las botellas de
Giggenbach poseen una o dos válvulas Rotaflo dependiendo del tipo de gas a ser
analizado, por ejemplo, para el caso de los gases como: CO2, H2S, He, H2, Ar, CH4, CO,
se utilizan ampollas de vidrio con una sola válvula.
Fotografía 1: Vista de botella de Giggenbach
con una sola válvula
Fotografía 2: Vista de botella de Giggenbach con dos
válvulas
Para el caso de los análisis de fumarolas, la técnica utilizada para la recolección
de los gases consiste en la utilización de un embudo o tubo de vidrio que es insertado en
la fumarola. El tubo de vidrio o el embudo es conectado mediante una manguera a la
botella que recolectará la muestra.
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Figura 4: Esquema de recolección de muestras
Fotografía 3: Sistema de recolección de muestras
Para el caso de muestras de NH3, se utilizan botellas o ampollas con contenido de
50 ml de una solución de ácido bórico 2N.
Para muestras conteniendo gases de CO2 y H2S, se utiliza una solución de
NaOHen los cuales por reacciones de neutralización, los gases anteriores quedan
disueltos en la solución y el resto de gases de la muestras, tales como: N2, O2, H2, He, H2,
Ar, CH4, CO, quedarían contenidos en el espacio vacío.
El procedimiento seguido consiste en que la muestra de la fumarola ingresa a
través e ingresa a la botella o ampolla por medio de la apertura de la válvula, la cual debe
ser regulada para permitir el paso de cierto flujo de gas y minimizar la pérdida de agua por
condensación.
Las ampollas se deben mantener en una posición tal que la válvula de entrada
permanezca hacia abajo, para permitir la interacción entre la muestra gaseosa y el
reactivo.
La botella o ampolla debe ser colocada en un sistema de enfriamiento para
permitir la condensación del vapor de agua y que los gases ácidos sean absorbidos por la
solución alcalina.La cantidad de gases que pueden ser muestreados en la botella está
limitada por:
a) El agotamiento del reactivo en la ampolla
b) El agotamiento del vacío en la ampolla
c) El agotamiento del espacio por fluidos ricos en agua
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Para el caso de toma de muestras en pozos geotérmicos el muestreo se realiza en
tres puntos específicos: el cabezal del pozo, la línea bifásica y en el separador.
El procedimiento consiste en la utilización de un aparato denominado separador
Webre el cual se conecta a la línea bifásica en la parte donde viaja el gas comúnmente
denominado vapor (parte superior de la tubería). El separador se conecta a un serpentín,
el cual es enfriado dentro de un sistema con hielo para que la muestra condense y pueda
ser recolectada.
Fotografía 4: Vista de separador
Fotografía 5: Sistema para la toma de muestras
Unavez tomadas las muestras, éstas son analizadas mediante técnicas de
espectrometría de masas para isótopos, cromatografía de gases para análisis de gases
no condensables tales como: H2, He, Ar, O2, N2, CH4 y CO.
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5. CONVERSIÓN DE UNIDADES
Para realizar un tratamiento o análisis de resultados, se deberá de unificar las
unidades, ya que muchas de las muestras por poseer diferentes masas y pesos, no es
posible realizar un análisis de ellos, por lo que para homogenizar todos los datos, se
deberá de trabajar con las unidades de milimoles, la cual es una estandarización de los
resultados obtenidos. Analicemos el proceso que se realiza con la conversión de cada
uno de estos.
Las partes por millón y mili equivalentes por litro.
Las "partes por millón", son unidades de peso por peso, que equivalen a un
miligramo de soluto por kilogramo de solución. La unidad de peso por volumen, se tiene al
asumir que un litro de solución, pesa un kilogramo; entonces, tenemos que una "parte por
millón", es igual a un "miligramo por litro". Debido a que las unidades anteriores están
dadas en peso, no hay equivalencia entre iones de diferente especie, o sea, que no se
pueden mezclar, debido a que tienen diferente peso molecular y carga eléctrica. Por lo
tanto, para efectuar correlaciones entre ellos, se utilizan unidades equivalentes.
La unidad más usada es el “mili equivalente por litro", la cual se obtiene
multiplicando los "miligramos por litro", por C/PA ; donde "C" es la carga del ion y "PA" es
el peso atómico. Otra unidad conocida y usada en Química, es "moles por litro", siendo
una mole, el peso atómico de una substancia en gramos. Las abreviaciones usadas en las
unidades mencionadas, son las siguientes:

ppm partes por millón

mg/l miligramos por litro

me/l mili equivalentes por litro

mol/l moles por litro.
a) partes por millón (ppm) : útil para describir soluciones diluidas = x unidades de
soluto / 1*106 unidades totales (soluto+solvente)
Se puede expresar tanto en unidades de masa como en unidad de volumen:

ppm = mgr/ltmgr/kg (para soluciones diluídas) mili = 10-3 micro = 10-6
16

Para soluciones aún más diluidas se usa la concentración en ppb = gr/lt x
unidades de soluto / 109 unidades totales (soluto+solvente) Para soluciones aún
más diluídas se usa la concentración en ppb = gr/lt x unidades de soluto / 109
unidades totales (soluto+solvente)
Es posible obtener una relación entre ppm y % peso, así :

106 ppm = 100 % 105 = 10 % 104 = 1 % 103 = 0.1 % 102 = 0.01 % 10 = 0.001 %

1 ppm = 0.0001 %

ppm / 104 = % peso ej. 14870 ppm Cl 1.4870 % peso

mg/kg : mg / kgsolv = x mg soluto / 1000 g solvente
Posee la ventaja de ser usada directamente en cálculos de equilibrio para fluidos
diluidos

ppm / PM) = meq /lt
d) En unidades molares:

moles / kg solv = (mg(i) / kg) / 1000*PMi * 1000 / 1000 - ( mg/kg ) / 1000

(molalidad) suma de los constituyentes disueltos

Es independiente de la temperatura por lo que se usa en cálculos al variar ésta

Para soluciones muy diluidas : moles / kgsolv( mg / kg ) / 1000 * PM
Normalidad: Meq. gr de soluto por litro de solución

(ppm/PM)*carga = meq. gr /lt

equivalente es cantidad de sustancia que reacciona con un peso atómico de
Hidrógeno
17
6. DESCRIPCIÓN Y METODOLOGÍA APLICADA
La metodología utilizada por Giggenbach relaciona los componentes de argón,
helio y nitrógeno en las siguientes relaciones: 10He- Ar- N2/100 para gases muestreados
de diferentes pozos y fumarolas; ya que con esta relación es posible determinar lo
siguiente:
a) Que los gases con un alto contenido de N2y pobres en helio son encontrados
mayormente en volcanes de zonas de subducción o andesíticos corticales, debido
a descomposición térmica de sedimentos.
b) Que los gases con un alto contenido de 3He tienen un origen volcánico basáltico
proveniente del manto.
c) Que los gases con altos contenidos de Argón pueden deberse a contaminación
por aguas meteóricas saturadas de aire.
La elección de este tipo de componentes se basa en que, en cuanto al helio y el
argón, éstos son gases nobles y químicamente inertes y en cuanto al nitrógeno este tiene
lugar en algunas reacciones químicas que predominan en los gases termales.
La utilización de este tipo de componentes es útil para determinar el origen de los
gases en campos geotérmicos, los cuales pueden ser:
a) De origen magmático, los cuales poseen una relación de N2/Ar alrededor de
800-2,000. Para relaciones altas los gases son de origen andesítico y
relaciones más bajas son considerados de origen basáltico. La relación de
He/Ar≥0.1
b) De Corteza, cuando el contenido de helio radiogénico, es decir, 4He es alto.
c) De origen meteórico cuando la relación de N2/Ar alrededor de 38 o mayores
debido a una posible intrusión de burbujas de aire. La razón de He/Ar es
menos de 0.001.
Para el gráfico que relaciona los componentes de CO2-CH4-N2es posible
diferenciar los siguientes aspectos:
a) Altos contenidos de CH4 son predominantes de gases hidrotermales, producto
de la reacción entre el CO2 con el agua y óxidos de hierro en el suelo.
18
b) Altos contenidos de CO2 ubican a los gases magmáticos con bajo contenido de
CH4 u oxidados.
c) Altas concentraciones de N2 se refieren a la posible contaminación con aireo
dilución con agua superficial.
6.1.
PROCEDIMIENTO
EMPLEADO
EN
EL
PROYECTO
PARA
LA
ELABORACIÓN DE LOS GRÁFICOS TERNARIOS
Para la realización del proyecto se realizó una investigación relacionada primero
con la clasificación existente de diferentes análisis de gases de acuerdo a diferentes
autores tales como Werner Giggenbach, Fischer y Glen Snyder sobre el comportamiento
de diferentes campos geotérmicos y volcánicos.
Así mismo, se realizó una investigación sobre la metodología que relaciona los
análisis de gases mediante las gráficas ternarias o triangulares con el fin de determinar el
tipo de clasificación de los diferentes gases.
Se utilizaron datos que se encontraban en diferentes unidades, de esta manera:
a) Los datos de: H2, CH4, CO2 y N2 se obtuvieron en % de gas seco.
b) Los datos de 3He en ppb.
c) Los datos de 4He en ppm.
Los datos fueron convertidos todos a mmol/mol de gas seco para la realización de
los cálculos.
19
Lugar de muestreo
AH-6
AH-16A
AH17
AH20
AH21
AH22
AH23
AH4B
AH-31
AH-35A
AH 35 B
AH-27
TR02
TR4B
TR4C
TR09
TR-17B
TR-18A
4
3
He
X He *10
0.04266
0.02655
0.01422
0.019845
0.022185
0.03726
0.02475
0.03465
6
4
2* He
CO2
0.0102192
0.0220531
0.005062
0.00038826
2.5164E-04
5.3100E-05
0.879100
0.0024400
0.1097000
0.0404710
0.009382
0.00088870
1.3936E-04
2.8440E-05
0.978700
0.0001500
0.0174000
0.0373160
0.005021
0.00048673
1.9254E-04
3.9690E-05
0.968400
0.0003800
0.0258000
0.0375126
0.011194
0.00112864
2.1990E-04
4.4370E-05
0.967900
0.0007000
0.0255000
0.0368422
0.008421
0.00168698
3.5785E-04
7.4520E-05
0.966600
0.0003600
0.0300000
0.0291650
0.007335
0.00089158
2.4498E-04
4.9500E-05
0.984000
0.0001300
0.0147000
0.0158892
0.003187
0.00034083
3.3472E-04
6.9300E-05
0.971700
0.0005600
0.0251000
0.0254923
0.005709
0.00060288
62.493800
0.0029000
0.4948000
5.1157000
0.010200
0.00460000
165.739700
0.0106000
1.5001000
11.0832000
0.053800
0.00910000
346.684152
0.0317038
6.5544348
8.6079896
0.126072
0.04749243
95.648700
0.0278000
1.3708000
2.8459000
0.085200
0.00660000
1.7010E-04
4.3470E-05
0.953200
0.0003000
0.0420000
19.2222359
0.168529
0.01108355
1.0085E-04
2.4840E-05
0.960800
0.0002700
0.0348000
21.4044865
0.671064
0.02105496
2.0836E-04
5.3730E-05
0.930700
0.0009300
0.0647000
23.5029161
0.804102
0.04511925
1.9389E-04
4.8510E-05
0.720800
0.0002000
0.2319000
20.7484397
0.278565
0.01020731
72.930000
0.0147000
2.1733000
10.3700000
0.137200
0.02800000
406.361455
0.0534476
6.5153889
42.1074158
8.679922
0.02376773
86.108300
0.0008000
0.1453000
31.0926000
0.011300
0.00120000
82.360900
0.0126000
1.3648000
34.1646000
0.511400
0.00860000
67.652449
0.0212818
0.9841230
15.9634822
0.167207
0.01061954
93.111938
0.0309902
1.5704207
20.5763441
0.246558
0.01607552
61.454863
0.0132507
1.3314410
19.3123481
0.119482
0.01421267
83.906443
0.0151255
0.8277695
17.1115689
0.122206
0.00780732
0.0018
0.00013151
TR-17
0.0001
TR-18
0.0005
TR-5B
0.00035593
TR-5V
0.00058242
TR-5A
0.00037458
TR-5C
0.0002515
Ar
0.0007650
0.0037
0.024255
H2
0.926996
0.00208679
0.026865
H2S
8.5320E-05
0.0007
0.01242
N2
3.9600E-04
0.0001
0.021735
CH4
ES07-1 Agua Caliente
0.00782
6.6892E-05
1.5640E-05
0.953104
0.0001572
0.0139930
0.0296680
0.000388
0.00004700
ES07-2 El Playon
0.01403
1.3357E-04
2.8060E-05
0.970648
0.0001450
0.0172120
0.0080150
0.001511
0.00006000
ES07-3 Infernillos Ciegos
0.00406
6.0250E-06
8.1200E-06
0.861086
0.0003267
0.0954820
0.0048210
0.004147
0.00140600
20
Lugar de muestreo
ES07-4 Aguas Agrias
4
3
He
X He *10
6
4
2* He
CO2
CH4
N2
H2S
H2
Ar
0.0025
2.2750E-05
5.0000E-06
0.930878
0.0001373
0.0157430
0.0481170
0.000956
0.00003200
ES07-5 El Tronador
0.00927
8.4357E-05
1.8540E-05
0.953659
0.0003154
0.0257270
0.0081970
0.007421
0.00018700
ES07-6 La Viejona
0.00004
2.6656E-07
8.0000E-08
0.671166
0.0001743
0.2558170
0.0111090
0.001406
0.00378500
ES07-7 Hervideros
0.00302
3.6699E-05
6.0400E-06
0.979485
0.0003751
0.0115350
0.0041970
0.002017
0.00008100
ES07-8 Tronadorsito
El Zapotillo
0.00266
2.6105E-05
5.3200E-06
0.987756
0.0000345
0.0113560
0.0002020
0.000352
0.00002200
0.0009
143.350000
0.0374000
3.0158000
5.9694000
1.285500
0.03240000
El Balsamo
0.0019
235.493300
0.0800000
4.4413000
2.3437000
2.070600
0.03990000
Laguna de Alegria
0.2239
20320.197
2.4181000
374.7349000
297.0703000
0.686100
0.55730000
El Hoyon
0.0075
2414.968900
0.0410000
18.4071000
119.8447000
20.411400
0.03530000
El Calaboz
0.1155
7663.103200
1.0293000
235.8050000
29.1253000
1.166900
1.67240000
Miravalle
0.0002
95.866200
0.0013000
0.5355000
2.8059000
0.777600
0.00150000
Trujillo
0.0083
0.0076
294.385900
0.2123000
17.1095000
1.7938000
0.961900
0.25250000
Fumarola Agua Shuca
604.667900
0.2061000
12.5591000
42.0189000
2.000300
0.04590000
Fumarola Cerro Blanco
0.0006
97.250600
0.0034000
1.1352000
1.0629000
0.522800
0.00210000
3694.492800
0.1234000
47.7175000
69.0368000
0.269600
0.21240000
Fumarola San Carlos
Cuyanausul (Fumarola Crater)
0.0043
351.742600
0.0939000
13.5546000
23.3960000
1.194800
0.05540000
La Labor
0.0047
630.272000
0.0447000
10.6891000
19.9787000
1.176500
0.03710000
Zapote
0.007387
359.706904
0.0205520
36.8207476
1.8544652
1.126478
0.24964742
Chipilapa
0.003185
369.737504
0.0158544
18.0462047
1.1516457
1.075455
0.03593406
Termopilas hervideros
0.006606
585.218826
0.0562922
37.1154774
1.6015841
2.714425
0.42085695
Termopilas fumarola
0.003756
380.168287
0.0330712
19.1769079
1.8571195
1.391398
0.14790617
El Tortuguero hervideros
0.005555
1118.308697
0.0660101
41.2893236
12.1344260
2.248058
0.13925161
Tortuguero Fumarola
Fum-2 (Playitas, La Union)
0.001229
424.656593
0.0170196
11.4173407
2.5834884
1.035632
0.04062833
0.0035
84.081700
4.2521000
7.4717000
3.5321000
0.446600
0.12610000
0.0032
119.080000
3.7896000
5.0982000
3.8356000
0.382600
0.11000000
0.0012
78.121800
1.6475000
3.9283000
8.6171000
0.161700
0.05500000
0.0059
63.098500
7.3378000
26.0812000
0.5805000
0.040800
0.18870000
Fum-3 (Playitas, La Union)
Fum (El Chiquirin Cancha de
futbol)
Fum-4 (El Caguano)
21
4
Lugar de muestreo
Fum-5 (El Caguano)
3
He
X He *10
6
4
2* He
CO2
CH4
N2
H2S
H2
Ar
0.0245
510.351000 44.8653000
98.1184000
8.4687000
0.519000 0.56760000
Fum-8 (Meanguera)
0.0216
996.530100 33.9795000
35.1276000
6.5355000
0.198100 0.39500000
Tabla 1. Presenta los datos de manera general. Los datos en color representan los valores que fueron eliminados por falta de valores. Todos los datos se
encuentran en mmol/mol de gas seco.
4
Lugar
3
N2
CH4
X He *10
AH-6
He
0.04266
10
0.765
AH-16A
0.02655
109.7
AH17
0.01422
AH20
0.019845
AH21
0.022185
AH22
0.03726
AH23
0.02475
AH4B
6
4
CO2/2000
2* He
CH4/2000
N2/1000
H2S/10000
H2/10000
Ar/1000
3.9600E-04
4.6350E-04
8.5320E-05
3.8252E-07
1.0219E-05
2.21E-06
5.06E-07
3.88263E-07
2.44
2.5164E-04
4.3955E-04
5.3100E-05
1.2200E-06
1.0970E-04
4.05E-06
9.38E-07
8.88701E-07
17.4
0.15
1.3936E-04
4.8935E-04
2.8440E-05
7.5000E-08
1.7400E-05
3.73E-06
5.02E-07
4.8673E-07
25.8
0.38
1.9254E-04
4.8420E-04
3.9690E-05
1.9000E-07
2.5800E-05
3.75E-06
1.12E-06
1.12864E-06
25.5
0.7
2.1990E-04
4.8395E-04
4.4370E-05
3.5000E-07
2.5500E-05
3.68E-06
8.42E-07
1.68698E-06
30
0.36
3.5785E-04
4.8330E-04
7.4520E-05
1.8000E-07
3.0000E-05
2.92E-06
7.33E-07
8.91578E-07
14.7
0.13
2.4498E-04
4.9200E-04
4.9500E-05
6.5000E-08
1.4700E-05
1.59E-06
3.19E-07
3.40831E-07
0.03465
25.1
0.56
3.3472E-04
4.8585E-04
6.9300E-05
2.8000E-07
2.5100E-05
2.55E-06
5.71E-07
6.02877E-07
TR02
0.021735
42
0.3
1.7010E-04
4.7660E-04
4.3470E-05
1.5000E-07
4.2000E-05
1.92E-03
1.69E-05
1.10835E-05
TR4B
0.01242
34.8
0.27
1.0085E-04
4.8040E-04
2.4840E-05
1.3500E-07
3.4800E-05
2.14E-03
6.71E-05
2.1055E-05
TR4C
0.026865
64.7
0.93
2.0836E-04
4.6535E-04
5.3730E-05
4.6500E-07
6.4700E-05
2.35E-03
8.04E-05
4.51192E-05
TR09
0.024255
0.2
0.1572
3.6040E-04
4.8510E-05
1.0000E-07
2.3190E-04
2.07E-03
2.79E-05
1.02073E-05
ES07-1
231.9
13.993
1.9389E-04
0.00782
6.6892E-05
4.7655E-04
1.5640E-05
7.8600E-08
1.3993E-05
2.97E-06
3.88E-08
4.70E-08
ES07-2
0.01403
17.212
0.145
1.3357E-04
4.8532E-04
2.8060E-05
7.2500E-08
1.7212E-05
8.02E-07
1.51E-07
6.00E-08
ES07-3
0.00406
95.482
0.3267
6.0250E-06
4.3054E-04
8.1200E-06
1.6335E-07
9.5482E-05
4.82E-07
4.15E-07
1.41E-06
ES07-4
0.0025
15.743
0.1373
2.2750E-05
4.6544E-04
5.0000E-06
6.8650E-08
1.5743E-05
4.81E-06
9.56E-08
3.20E-08
ES07-5
0.00927
25.727
0.3154
8.4357E-05
4.7683E-04
1.8540E-05
1.5770E-07
2.5727E-05
8.20E-07
7.42E-07
1.87E-07
ES07-6
0.00004
255.817
0.1743
2.6656E-07
3.3558E-04
8.0000E-08
8.7150E-08
2.5582E-04
1.11E-06
1.41E-07
3.79E-06
ES07-7
0.00302
11.535
0.3751
3.6699E-05
4.8974E-04
6.0400E-06
1.8755E-07
1.1535E-05
4.20E-07
2.02E-07
8.10E-08
ES07-8
0.00266
11.356
0.0345
2.6105E-05
4.9388E-04
5.3200E-06
1.7250E-08
1.1356E-05
2.02E-08
3.52E-08
2.20E-08
Tabla 2. Presenta los datos utilizados para alimentar los gráficos ternarios. En ella se han eliminado algunos puntos de muestreo ya que estos no
poseían datos completos. Y se presentan los valores corregidos. Todos los datos se encuentran en mmol/mol de gas seco.
22
Para el caso de la metodología presentada por Wernner Giggenbach(1996) se
utilizan gráficos ternarios en los cuales se agrupan generalmente los siguientes tipos de
gases:
a) N2 – He – Ar
b) CO2 – CH4 – N2
c)
3
He – 4He – CO2 con algunas variantes en las cuales se sustituye este último
por N2, CH4, H2 y H2S.
El objetivo de estas agrupaciones es la de determinar el origen de los gases y
lograr realizar una clasificación que pueda ser agrupada en: componente meteórico,
componente magmático o componente de corteza.
De las gráficas propuestas por Giggenbach se pueden obtener algunas
conclusiones generales como las siguientes:
a) Los componentes más significativos de los gases geotermales corresponden al
CO2 en primer lugar y al H2S en segundo lugar.
b) Los gases fríos son principalmente CO2 dominantes (>90%), mientras que los
gases relacionados con aguas termales tienen composición variable de
CO2>99.5% a N2> 90%.
c) Las elevadas concentraciones de CH4 e H2 en los gases están relacionadas
con sistemas geotermales someros.
d) En áreas geotérmicas donde el gradiente termal es bajo o la razón aguas/gas
es alta debido al influjo de aguas meteóricas, el H2 y el CH4 son usualmente
bajos.
e) Concentraciones significativas de 3He (componente característico del manto)
sólo se encuentra en áreas geotérmicas donde existe la presencia de un
cuerpo magmático profundo.
f)
Gases con alto contenido de CH4 (CH4> 2%) son siempre relacionados con
fluidos de pozos geotérmicos o manifestaciones superficiales a diferencia de
otros que los afloramientos termales las cuales tienen relativamente contenidos
bajos de CH4 (<0.3%) y contenidos extremadamente variables de CO2.
g) Componentes ricos en N2 son encontrados en volcanes de zonas de
subducción o andesíticos y un componente de corteza rico en 3He.
h) Los componentes de 4He están relacionados principalmente a la corteza.
23
En base a la información que es posible obtener de las gráficas ternarias sobre la
clasificación de los gases, se procedió a determinar el tipo de datos o muestras con los
cuales se disponía para el análisis de los gases relacionados con los sistemas
geotérmicos y volcánicos.
El objetivo era determinar el tipo de datos que estaban disponibles y así
determinar el tipo de gráfica a ser usada. Para las gráficas ternarias o triangulares se
utilizó el programa Origin8 desarrollado por la empresa OriginLab de E.E.U.U.
(www.originlab.com), el cual posee opciones para el graficado y análisis de datos. Entre
sus opciones se encuentra la elaboración de gráficos ternarios o triangulares.
La realización de los gráficos incluyó tres iteraciones, es decir, pruebas en las
cuales se graficaban diferentes tríos de compuestos con el fin de determinar ciertos
coeficientes que serían utilizados para multiplicar las concentraciones de los componentes
graficados y lograr una mayor visualización de los datos mostrados en dichos gráficos.
6.1.1. PRIMERA ITERACIÓN PARA LA ELABORACIÓN DE LOS GRÁFICOS
TERNARIOS
Los diagramas ternarios elaborados presentan los datos de cada componente en
base a fracciones cuya sumatoria es la unidad, de tal manera que los vértices
corresponden a las máximas concentraciones de los componentes graficados.
Los datos con los cuales se inició la elaboración de las gráficas fueron obtenidos
básicamente de estudios realizados por Giggenbach y Snyder (1999), que permitieron
obtener gráficas ternarias relacionando los siguientes componentes: CO2-N2- CH4 y N2 –
He – Ar.
24
Figura 5: Diagrama de Giggenbach para He-N2-Ar
Para el caso de Ahuachapán, se obtuvieron datos de pozos geotérmicos, los
cuales fueron los siguientes: AH06, AH16A, AH17. AH20, AH021, AH22, AH23 y
AH4B.Para el caso de Berlín, también se obtuvieron datos de pozos geotérmicos
correspondientes a: TR02, TR4B, TR4C y TR09.
Para el caso de los datos de fumarolas, se analizaron los siguientes sitios: ES071Agua caliente, ES07-2 El Playón, ES07-3 Infiernillos Ciegos, ES07-4 Aguas Agrias,
ES07-5 El Tronador, ES07-6 La Viejona, ES07-7 Hervideros y ES07-8 Tronadorcito. Los
utilizados para la realización de las gráficas se muestran en el Anexo 10.
Para la presentación e interpretación en los gráficos a continuación se usaron los
nombres genéricos de AH, BER y FUM para abreviar los mencionados anteriormente.
25
Las gráficas obtenidas con los datos de los pozos geotérmicos fueron las
siguientes:
Ahuachapan
Berlin
Fumarolas
0.0
1.0
0.1
0.9
4
0.2
0.8
0.7
2
CO
00
CH
0.3
10
0.4
0.6
0.5
0.5
0.6
0.4
0.7
0.3
0.8
0.2
0.9
0.1
1.0
0.0
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
N2
Figura 6: Diagrama ternário CH4 – CO2 – N2.
Este diagrama se utilizo como inicio de la clasificación, sin embargo, los datos
parecían muy dispersos y sin ninguna orientación.
26
Figura 7: Diagcrama ternario He-Ar-N2.
Presenta lós valores graficados para los pozos de Berlín y Ahuachapan, los cuales se
todos se agrupaban dentro del vértice de He, indicándonos la influencia de la corteza
sobre los campos geotérmicos.
Al realizar los gráficos ternarios anteriores, se pudo apreciar que para la figura 5,
como era de esperarse el gráfico proporcionaba información relacionada con una
clasificación enteramente volcánica, al apreciarse la mayoría de las muestras en las
cercanías del vértice relacionado con el CO2, indicando alta concentración de este
componente.
Sin embargo, para la Figura 6, el gráfico presentaba una agrupación de las
muestras que correspondían al vértice el helio y bajo contenido de N2, según el diagrama
de Giggenbach corresponde a muestras originarias de la corteza.
27
Debido a esto, fue necesario proponer otro tipo de gráficos en los cuales sea
posible diferenciar o apreciar una diferencia más acuciada entre los análisis de pozos
geotérmicos, fumarolas y aguas calientes o aguas hidrotermales.
6.1.2. SEGUNDA ITERACIÓN PARA LA ELABORACIÓN DE LOS GRÁFICOS
TERNARIOS
Los gráficos a ser estudiados se agruparon básicamente en 5 tipos, los cuales son
los siguientes:
a)
3
He –CO2–4He
b)
3
c)
3
d)
3
e)
3
He – N2 –4He
He –CH4 –4He
He –H2 –4He
He –H2S –4He
Con los diferentes tipos de gráficos se pretende realizar variaciones en los
coeficientes que multiplican ciertos componentes como el N2, CO2, H2S, CH4 y H2, con el
objeto de diferenciar los tipos de muestras de gases con mayor claridad. De esta manera,
el isótopo 3He se multiplica por 106 y el isótopo 4He se multiplica por 2, estos coeficientes
se mantienen constantes en los gráficos y se varían los coeficientes de los componentes
del vértice superior, es decir, para CH4, CO2, H2, N2 y H2S.
Por tanto, para la realización del análisis se emplearon los datos de muestreos
realizados por Snyder en el año 1999 en los diferentes campos geotérmicos de
Ahuachapán, Berlín y muestras de fumarolas.
Con los datos obtenidos de los diferentes campos geotérmicos se procedió a
graficar los componentes de (106) 3He – (2) 4He – CH4/2000, los cuales no presentaban
una buena diferenciación en cuanto a los diferentes tipos de sistemas.
Esta situación es mostrada en la figura 8.
28
Figura 8: Diagrama ternario isótopos de helio y CH4.
La figura 8 presenta los datos de los pozos y las fumarolas, cabe mencionar que
por los valores utilizados este gráfico no fue útil para clasificar los puntos de muestreo.
Por lo anterior, se realizó un gráfico diferente utilizando la relación (106) 3He – (2)
4
He – CO2/2000 (Figura 9).
29
Figura 9: Diagrama ternario isótopos de He y CO2/2000.
Este gráfico presenta una línea de tendencia en sus valores, lo cual es congruente
con la línea termogénica presentada por Giggenbach. Sin embargo, no hay separación
entre los pozos, probablemente una variación estacional.
La gráfica de los componentes de (106) 3He – (2) 4He – N2/2000 (Figura10)
proporcionó la siguiente gráfica:
30
Figura 10: Diagrama ternario isótopos de helio y N2/2000.
Con esta grafica el objetivo final es la discriminación de efectos por contaminación
atmosférica (altos valores de Nitrógeno), sin embargo, los coeficientes utilizados no fueron
los correctos para lograr una separación de los sitios.
31
Figura 11: Diagrama ternario isótopos de helio y H2/2000.
Sólo se observa la agrupación de los datos en el vértice del hidrógeno, pero no se
observa una clara separación entre los puntos. Tal vez variaciones estacionales. Por lo
que en este gráfico no es posible determinar las diferencias entre los diferentes gases
32
Figura 12: Diagrama ternario isótopos de helio y H2S/2000.
Este gráfico solamente agrupa los datos en el vértice del H2S, sin embargo, no da
mucha información acerca de los datos utilizados (pozos y fumarolas).
6.1.3. TERCERA ITERACIÓN PARA LA ELABORACIÓN DE LOS GRÁFICOS
TERNARIOS
Las tres gráficas anteriores (106) 3He – (2) 4He – N2/2000 (Figura 10), (106) 3He –
(2) 4He – H2/2000 (Figura 11) y (106) 3He – (2) 4He – H2S/2000 (Figura 12), no es posible
apreciar los datos entre los diferentes sistemas.
33
Debido a lo anterior, será necesario realizar pruebas con diferentes coeficientes;
aplicados a los componentes que se encuentran en el vértice superior, por lo que las
gráficas que aportaron mayor claridad fueron las siguientes:
a) H2S/100-(106)3He-(2)4He
Figura 13: Diagrama ternario isótopos de helio y H2/100
34
b) CH4/10 - (106) 3He - (2) 4He
Figura 14: Diagrama ternario isótopos de helio y CH4/10.
35
c) CO2/20000 - (106) 3He - (2) 4He
Figura 15: Diagrama ternario isótopos de helio yCO2/20000.
36
d) H2/10,000-(106)3He-(2)4He
Figura 16: Diagrama ternario isótopos de helio y H2/10000
37
e) N2/1000 -(106)3He-(2)4He
Figura 17: Diagrama ternario isótopos de helio y N2/2000
38
7. RESULTADOS
Después de realizar las diferentes pruebas en las cuales se cambiaron los
coeficientes de algunos componentes en los gráficos, se obtuvieron los siguientes gráficos
ternarios que fueron los que aportaron mayor claridad a los análisis:
a) H2S/100-(106)3He-(2)4He
Figura 18: Diagrama ternario isótopos de helio y H2S/100
Las muestras de pozos del campo geotérmico de Ahuachapán y las fumarolas
poseen contenidos de 3He que indican que las muestras de gases poseen un origen
39
magmático (manto). Las muestras de fumarolas tienen a agruparse en las proximidades a
altos contenidos de H2S, el cual constituye uno de los principales componentes de los
gases geotermales. Para el caso de las muestras del campo geotérmico de Ahuachapán,
algunas de ellas presentan un contenido menor de H2S probablemente debido a que se
trata de un campo geotérmico más antiguo y ha existido mayor desgasificación.
b) CH4/10 - (106) 3He - (2) 4He
Figura 19: Diagrama ternario isótopos de helio y CH4/10
En el gráfico se observa que los datos utilizados para cada área de estudio se
presentan de alguna manera diferenciándose o separándose. Hay unos que si se agrupan
indicando la misma composición; mientras otros se muestran diferenciados moviéndose
en la línea termogénica y tendiendo algunos menos o más aproximándose al componente
magmático ilustrado en el punto identificado como magmático.
Cabe mencionar que algunos valores pueden estar afectados por la influencia de
materia orgánica (puntos cercanos o en el vértice del metano).
40
Las muestras de gases tanto del campo geotérmico de Berlín como del campo de
Ahuachapán, poseen bajos contenidos de CH4, excepto las muestras de fumarolas que
tiene una composición variable.
Los contenidos de CH4 en las muestras de los pozos geotérmicos pueden
formarse producto de reacciones de la materia orgánica que reside en los sedimentos
poco profundos de la corteza (Poreda 1988, Schoell 1988).
El aumento en la concentración de CH4 en algunas de las fumarolas tal vez se
deba a que en éstas los procesos de reacción del CO2 son mayores con la
correspondiente formación de CH4 como producto final.
En la gráfica se observa, en marcado en un óvalo verde, que las muestras tienden
hacia el vértice correspondiente al 3He, esto significa que la relación 3He/4He es mayor
(menor
4
He y mayor
3
He), lo que correspondería a una predominancia de origen
magmática.
Se conoce que las relaciones típicas de 3He/4Hede órdenes de 6 a 7 veces la
relación 3He/4He del aire (que corresponde a 1.39X 10-6) corresponden a un origen
magmático (Snyder 2001).
Para las muestras cuya relación 3He/4He es menor, en marcadas en un óvalo
naranja, podría significar la presencia de componentes meteóricos, como podría
apreciarse en las muestras que se van alejando del eje del 4He como es el caso de
algunas fumarolas.
En general, ambos campos Ahuachapán y Berlín presentan una relación 3He/4He
similar, aunque tal como se presenta en muestras realizadas por Snyder (2001), el campo
de Berlín presenta una relación isotópica ligeramente menor que el campo de
Ahuachapán. A continuación se presenta una tabla que indica estas relaciones:
41
3
He/4He
5.44
5.51
5.27
4.48
6.65
6.18
6.89
6.8
6.97
6.8
7.04
6.86
UBICACIÓN
Berlín GWTR02
Berlín GWTR4B
Berlín GWTR4C
Berlín GWTR09
Ahuachapán GWAH06
Ahuachapán GWAH16A
Ahuachapán GWAH17
Ahuachapán GWAH20
Ahuachapán GWAH21
Ahuachapán GWAH22
Ahuachapán GWAH23
Ahuachapán GWAH4B
3
4
Tabla 3: Relaciones de He/ He para los campos geotérmicos de Ahuachapán y Berlín.
Snyder 2001
c) CO2/20000 - (106) 3He - (2) 4He
Zona de adición de CO2
Zona de remoción de CO2
Figura 20: Diagrama ternario isótopos de helio y CO2/20000
42
Los resultados indican también una línea termogénica bien definida. Se presenta
una diferenciación entre los pozos de los diferentes campos, sin embargo las fumarolas
presentan una tendencia a tener más o menos contenido de He y CO2 (entre ellas sin
embargo tienen menos He que los pozos), lo que indica que hay cierta componente
magmática para los de mayor contenido de He y para el mayor contenido de CO2 presenta
origen volcánico.
Los altos contenidos de CO2 y bajos contenidos de CH4 observados del gráfico del
literal b) indican que, para el caso de las fumarolas, el CO2 no ha reaccionado para
convertirse en CH4 (óvalo rojo). Las muestras de los pozos de los campos geotérmicos,
presentan concentraciones bajas de CO2 (óvalo verde).
La situación que muestra esta gráfica es congruente con la del literal b); ya que
podría decirse que existe una relación inversa entre los compuestos de CO2 y CH4. La
ubicación de las muestras de pozos de los campos geotérmicos de Ahuachapán y Berlín
se ubican en las zonas de remoción de CO2 y las de las muestras de las fumarolas se
ubican en su mayoría en la zona de adición de CO2.
d) H2/10000-(106)3He-(2)4He
Figura 21: Diagrama ternario isótopos de helio y H2/10000
43
Este gráfico es poco usual de encontrar en la bibliografía utilizada para el análisis,
generalmente se ha utilizado en lugar de él; el gráfico que relaciona los isótopos con el
H2S.
El hidrógeno es más utilizado en gráficos que relacionan al CO2 y al argón, debido
a que es más común su utilización como geotermómetro con estos gases.
El hidrógeno es uno de los componentes gaseosos que cambia más rápidamente
con la temperatura y las condiciones de oxidación-reducción (Giggenbach, 1987).
Del gráfico se observa que las concentraciones más altas de H2 corresponden
para algunas fumarolas y para el campo geotérmico de Ahuachapán; no así el campo
geotérmico de Berlín que presenta bajas concentraciones. Probablemente esto se deba a
que el H2 será más susceptible a cambios en los campos geotérmicos con temperaturas
más altas, las cuales corresponderían al campo geotérmico de Berlín.
e) N2/1000 -(106)3He-(2)4He
Probable contaminación aire
Figura 22: Diagrama ternario isótopos de helio y N2/1000
44
El N2 que predomina en los sistemas geotérmicos es de origen magmático
generalmente, aunque existen otras fuentes como la descomposición termogénica de
material orgánico en sedimentos o contaminación atmosférica.
Sin embargo, estudios realizados por Snyder (2002), indican que el origen de este
gas es derivado de la materia orgánica de la corteza.
Los altos niveles de N2 en algunas fumarolas puede deberse a contaminación
atmosférica.
45
8. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
Los resultados obtenidos muestran que ambos campos geotérmicos son muy
similares en cuanto a los contenidos de N2, H2, CO2, CH4 y H2S.
Solamente algunos puntos, generalmente relacionados con algunas fumarolas
presentan cierta desviación del resto de las muestras.
La tendencia observada de los resultados tiene cierta coherencia general en lo que
respecta a ciertos componentes tales como las concentraciones de 3He que permiten
clasificar los gases de ambos campos en magmáticos o provenientes del manto y la
concentración de CO2 que permite la clasificación de estos sistemas como volcánicos.
Así mismo, en la mayoría de los gráficos realizados todas las muestras tienen a
agruparse paralelamente al lado del gráfico que corresponde al 3Hey el compuesto
variable en los gráficos (CO2, N2, CH4, H2 y H2S), lo que significa que se ubican en la línea
termogénica, es decir, se generan por descomposición térmica de la materia orgánica en
los sedimentos, la cual se aprecia en el gráfico propuesto por Giggenbach (1993) que
relaciona 1063He- CH4/2000-2X4He.
Sin embargo, algunos resultados obtenidos durante los análisis indicaron ciertas
muestras que presentaban grandes discrepancias, por lo que esta situación pudo deberse
a que la elaboración de los gráficos que fundamentaron los análisis fueron llevados a
cabo de una base de datos histórica de muestreos realizados por diferentes
investigadores durante diferentes períodos.
Un análisis más completo de la diferencia entre los campos geotérmicos a través
de la comparación de los gases volcánicos y geotérmicos podría ser más detallado si se
inicia con un muestreo en el cual se realice una recopilación de datos de ampos campos y
de fumarolas en un mismo lapso de tiempo y no la utilización de datos dispersos durante
diferentes épocas; ya que los mismos van evolucionando y pueden presentar ciertas
variaciones incluso en un mismo punto muestreado en diferentes épocas.
El análisis de las muestras debe necesariamente incluir datos relacionados con la
geología de la zona muestreada y la ubicación de las muestras con el fin de determinar
algunos aspectos importantes que sean de utilidad para intuir el comportamiento y las
posibles reacciones de los diferentes componentes analizados en las muestras, es decir,
46
que permita determinar la razón por la cual algunas muestras de un mismo campo puedan
presentar variaciones tan extremas con respecto a otras de la misma zona.
La ubicación geográfica de los puntos muestreados sería de utilidad para
determinar posición de los mismos dentro del modelo conceptual de los campos
estudiados y de esa manera tener más información sobre el tipo de gases y reacciones
que pueden verse involucradas en el ascenso de los mismos.
47
9. REFERENCIAS
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Giggenbach Werner; Chemical composition of volcanic gases. In: Monitoring and Mitigation of
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1998.

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
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Volatile Components, 2003.
48
129
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