Análisis geoquímico e isotópico de aguas geotérmicas y manantiales para definir el estado de equilibrio agua-roca

del reservorio de Los Azufres, Michoacán, México Eduardo González Partida

Universidad Nacional Autónoma de México

Enrique Tello Hinojosa

Comisión Federal de Electricidad

Mahendra Pal Verma

Instituto de Investigaciones Eléctricas

Los análisis químicos e isotópicos de los fluidos producidos por los pozos de Los Azufres, Mi- choacán, fueron estudiados con el fin de definir el estado de equilibrio agua-roca del reservo- rio del campo. Con base en su composición química se encontró que el agua producida por los pozos presenta un carácter geoquímico clorurado-sódico característico de una salmuera geotérmica. Dicha salmuera se encuentra totalmente equilibrada con la roca que la almacena a temperaturas que oscilan entre y 340°C. Los datos de exceso de vapor indican que los pozos de mezcla están produciendo en una zona de líquido dominante. La composición isotópi- ca de los pozos presenta un corrimiento de (típico de fluidos de origen geotérmico que se han equilibrado con la roca a altas temperaturas). Los manantiales ubicados dentro del campo presentan un carácter geoquímico sulfatado-ácido, lo que indica que se trata de aguas de ori- gen meteórico calentados con vapor geotérmico.

Palabras clave: agua clorurada-sódica, agua meteórica, yacimiento líquido dominante, geoter- mómetro, interacción agua-roca.

Introducción

El reservorio geotérmico de Los Azufres, en Michoa- cán, México, fue descubierto en Es un sistema hidrotermal volcánico e intensamente fracturado y con fallas a una elevación de m/smm (metros sobre el nivel del mar). El campo está situado en una sierra de m, arriba de los valles vecinos.

El campo geotérmico de Los Azufres se localiza en el estado de Michoacán, a km al este de la ciudad de Morelia y a km al nor-noroeste de Ciudad Hidal- go, que es el poblado más cercano e importante local- mente. En este campo, la Comisión Federal de Electri- cidad (CFE) cuenta con una potencia instalada de MW, explotando comercialmente un área de aproxima- damente km2. Se tiene proyectado ampliar la capa-

cidad de generación con la construcción próxima de dos unidades de MW cada una: proyecto Marítaro I y I I , localizadas una en la zona sur y otra en la norte.

Actualmente se tienen pozos perforados, de los cuales son productores, son fallidos, ocho están en reparación, seis son inyectores, uno se halla en es- tudio y dos son exploratorios. La capacidad instalada es de MW, los cuales se generan a partir de siete unidades a boca de pozo de MW cada una, una uni- dad de condensación de MW y dos unidades de ci- clo binario de MW cada una (ilustración

En los pozos de Los Azufres produjeron millones de toneladas de vapor a un gasto promedio de t/h (CFE, 1995). Esto representa alrededor de

del vapor geotérmico producido en México en un año. Veinticuatro pozos estuvieron en operación en

con una producción de vapor promedio por pozo de agua-gas en el reservorio, y definir la composición iso- t/h. Los Azufres es el primer campo geotérmico que tópica de los fluidos de producción de los pozos, así

genera electricidad a partir de fluidos saturados en roca como de los manantiales ubicados dentro del campo volcánica y es el segundo en importancia en México, geotérmico. después de Cerro Prieto, Baja California. Los Azufres La metodología de trabajo y su sustentamiento teó- ha estado en producción durante años, tiempo du- rico pueden ser consultados en Fournier rante el cual se ha generado una gran cantidad de D'Amore y Panichi Giggenbach (1989) y Tello análisis químicos e isotópicos. Por eso es muy impor- (1991, 1996). tante conocer el estado de equilibrio agua-roca del ya- cimiento y su comportamiento ante la explotación. Geología

Un análisis de la infiltración y almacenamiento de las aguas superficiales de la zona a partir del estudio del Fisiográficamente, el reservorio de Los Azufres se en- escurrimiento fue practicado por Birkle et a/. en cuentra en el estado del país en el que se presenta el donde se determinó que la mayoría de la lluvia se pier- Eje Neovolcánico Mexicano. Desde el punto de vista de por evaporación y escurrimiento superficial. tectónico, se ubica en la intersección de dos sistemas:

Los objetivos principales de este trabajo son definir el cinturón de fallas este-oeste y este noreste-oeste el estado de equilibrio agua-roca del yacimiento geo- suroeste, que corresponde a la depresión central Cha- térmico de Los Azufres; determinar las temperaturas a pala-Cuitzeo, y a la prolongación del sistema de Cuen- las cuales se está efectuando el equilibrio agua-roca y cas y Sierras (Garduño, en donde se evidencia

una zona de flujo térmico que tiene como consecuen- Geoquímica de fluidos cia una gran concentración de manifestaciones hidro- termales y volcánicas, con edades que van del tercia- Geoquímica de aguas rio al cuaternario (Pérez, H., y Gómez, J.G., 1994).

La sierra de Los Azufres ha sido estudiada regional- En el presente estudio se realizó una actualización de mente por Silva-Mora Demant Gardu- trabajos geoquímicos del campo realizados previa- ño-Monroy Ferrari et al. Pradal y Robin mente por Rodríguez Quijano (1987) y Tello, H. (1985, y 1994) y, localmente, por la CFE, (1991 y 1996). Esto, a partir de la información geoquí- con los trabajos de Camacho y Palacios De la mica e isotópica actual de los fluidos producidos por Cruz et al. 982) Aumento y Gutiérrez Dobson los pozos de Los Azufres, además de incluir manantia-

Dobson y Mahood (1985) y Pradal (1990). El les localizados en la periferia del campo. basamento local está constituido por un paquete de En el cuadro está referida la composición química derrames andesíticos con intercalaciones de paleo- del agua separada de los pozos productores de Los suelos, aglomerados y coladas basálticas; le sobreya- Azufres. Con el objeto de clasificar geoquímicamente cen discordantemente un ciclo volcánico de composi- los tipos de aguas que producen los pozos se cons- ción ácida (Riolita Agua Fría) y depósitos lacustres; la truyó la ilustración la cual relaciona el contenido de Dacita San Andrés representa una fase volcánica im- CI, HCO3 y SO, (Giggenbach, 1989). Se puede obser- portante y es seguida de depósitos ignimbríticos e in- var en esta ilustración que casi la totalidad de los po- yecciones riolíticas (Riolita Yerbabuena), que forman zos presenta un carácter geoquímico clorurado-sódico, estructuras dómicas. La última etapa volcánica en la característico de una salmuera de origen geotérmico. región es de composición básica con afloramientos de Solamente el pozo AZ-14 presenta un carácter geoquí- derrames al este y oeste del campo y cineritas en los mico bicarbonatado-sódico. El tipo geoquímico en alrededores. La geoquímica de roca total realizada en este pozo, el cual es diferente a todos los demás, se las diferentes unidades litoestratigráficas manifiesta debe a que se terminó muy somero (756 m), de tal ma- una tendencia calcoalcalina (Cathelineau at al., 1987). nera que la composición química del agua que con- Los estudios estructurales de Garduño-Monroy 988) tiene corresponde a las características de un agua de y Ferrari et al. 991) demuestran dos sistemas princi- reciente infiltración de origen meteórico. Esto indica pales de fallas de inclinación casi vertical. El mayor tie- que este pozo fue invadido por aguas provenientes del ne una dirección este-oeste y corta otros de menor im- acuífero superficial (Tello, E., 1991). portancia y más antiguos: noreste suroeste. Las Las manifestaciones de mayor temperatura superfi- características de estas fallas son la causa de la poro- cial son las fumarolas de El Chiflador (M38), Agua Agria sidad secundaria. Las fallas este-oeste presentan des- plazamiento lateral y se relacionan con el sistema re- gional activo “Acambay”, e intersectan el borde sur de la caldera de Los Azufres. La principal actividad hidro- termal superficial está asociada principalmente con las fallas, las cuales permiten el ascenso de fluidos geo- térmicos, manifestándose en la superficie a través de zonas de alteración (argilitización), suelos calientes, manantiales termales, volcanes de lodo y fumarolas.

Los pozos perforados se encuentran entre los y los m de profundidad; las temperaturas máximas medidas son de 358°C (Suárez et al., 1997). El reser- vorio se puede dividir en dos sectores de acuerdo con su evolución hidrodinámica: el sector norte (zona Ma- rítaro), dominado por la fase líquida y que presenta un perfil hidrostático con temperaturas promedio de

y el sector sur (zona de Tejamaniles), que pre- senta tres perfiles termodinámicos: el somero, a vapor dominante (los primeros m); el intermedio, con dos fases a L+V, con predominio de vapor (1,200 m), y el profundo a líquido saturado, donde la presión es de

bars y T = 350°C (Suárez et al., 1997).

(M46), Abajo Nopalito II (M60), Marítaro (M25) y Cum- bres II (M29), las cuales están asociadas con las fallas de Agua Agria, Marítaro, Puentecillas y La Cumbre de dirección este-oeste (ilustración 3). Mientras que las temperaturas mínimas se registraron en los manantia- les Hierbabuena II (M52), con 16°C; Laguna de los Azufres (M34) con y Ojo de Agua de Bucio (M53) con 15°C En el cuadro está referida la composición química del agua de los manantiales considerados para este estudio y en donde se puede ver que las temperaturas superficiales más elevadas correspon- den a los manantiales localizados dentro del campo, como son Nopalito y El Chiflador, los cuales presentan una temperatura de 90°C.

En la misma ilustración se muestra el comporta- miento de las aguas de los manantiales de acuerdo con su composición química. Se puede ver que los manantiales localizados dentro del campo, tales como Nopalito II (M22, M23), Espinazo del Diablo (M24), Marítaro (M25), Nopalito I (M27), Cumbres I y II (M28, M29), Cerro del Gallo (M30), El Chino (M31), San Alejo

(M33), Laguna Parda (M35, M36), Currutaco (M37), El Chiflador (M38), Ajolotes (M40), Agua Fría I, II, Ill, IV (M46 a M49) y el Pinito (M61), presentan un carácter geoquímico sulfatado-ácido y además presentan un bajo contenido de cloruros que varía de mg/l (Marí- taro) a mg/l (Currutaco).

El cáracter geoquímico sulfatado-ácido y de bajo contenido de cloruros es típico de aguas de origen meteórico que están interaccionando con vapor de ori- gen geotérmico. Estas aguas están presentes en siste- mas geotérmicos o volcánicos donde el vapor se con- densa por debajo de los 400°C al entrar en contacto con aguas someras (Mahon y Ellis, 1977). Ocurre en- tonces una oxidación del H2S a ión sulfato. El conteni- do en sulfatos de estos manantiales varía de mg/l (San Alejo) a mg/l (Agua Fría Aguas sulfata- das ácidas se encuentran en áreas donde el vapor, producto de la ebullición a altas temperaturas de agua profunda, asciende hacia la superficie. Tal es el caso de estos manantiales, los cuales en la ilustración se ubican en la región de aguas calentadas con vapor.

suposiciones fundamentales, como son que el sistema está en equilibrio y que la interacción agua-roca se efectúa a profundidad y a altas temperaturas.

El estado de equilibrio y las temperaturas a las cua- les se lleva a cabo la interacción agua-roca puede observarse en la ilustración Solamente los pozos AZ-49, AZ-7 y AZ-32 se encuentran en la zona de des- equilibrio parcial, mientras que el AZ-14 cae en la re- gión de aguas someras. El resto de los pozos se sitúa en la línea de equilibrio total. El equilibrio agua-roca de estos pozos se efectuó a una temperatura que oscila entre y 340°C.

Se puede observar en la ilustración que las mues- tras provenientes de Zimirao (M17), Hervideros (M18), Laguna Verde (M32) y Tejamaniles II (M42) se ubican en la región de equilibrio parcial. Las temperaturas del geotermómetro de Na-K indican temperaturas que van de los (M18) a los 320°C (M32).

Los manantiales bicarbonatados-sódicos se despla- zan hacia la esquina del magnesio y presentan una temperatura del geotermómetro de K-Mg menor a los

Esto confirma que son aguas someras que se han equilibrado con la roca a bajas temperaturas. Ahora bien, los manantiales ubicados en el campo y que son sulfatados-ácidos también caen en la región de aguas someras, pero la temperatura del geotermómetro K-Mg

Las muestras provenientes de Zimirao (M17), Los Hervideros (M18), Laguna de los Azufres (M34) y Teja- maniles I I (M42) presentan un carácter geoquímico clorurado-sódico, característico de aguas de origen geo- térmico. Las altas concentraciones de boro mg/l (M34) a mg/l (M18) y las bajas concentraciones de magnesio mg/l (M42) a mg/l sugieren, en primer lugar, una circulación profunda de estas aguas a través de la corteza, además de que la interacción agua-roca se efectuó a altas temperaturas, ya que la solubilidad de la clorita disminuye conforme se incre- menta la temperatura, de ahí se originan las bajas con- centraciones de magnesio.

El resto de los manantiales presenta un carácter geoquímico bicarbonatado-sódico, así como un bajo contenido de cloruros mg/l). También presentan baja concentración de boro mg/l). Sin embargo, re- portan altas concentraciones de calcio y magnesio, lo que sugiere que se trata de agua de origen meteórico que circula muy someramente a través de roca de origen volcánico. Debido a que la solubilidad de la calcita y la clorita aumenta conforme disminuye la temperatura y que estos manantiales presentan altas concentraciones de calcio y magnesio, se deduce que la interacción agua-roca se efectuó a bajas temperaturas.

Estado de equilibrio agua-roca

Los geotermómetros de solutos son una poderosa he- rramienta para la evaluación de condiciones profundas en sistemas geotérmicos. Sin embargo, éstos deben ser aplicados sólo en muestras que cumplan con las

es superior a 100°C. Esto reafirma que se trata de aguas de reciente infiltración calentadas con vapor.

Estado de equilibrio agua-gases

La composición química de los gases descargados por los pozos geotérmicos y fumarolas puede ser usada para establecer el estado de equilibrio agua-gas y las temperaturas a las cuales se está efectuando dicho equilibrio.

Los geotermómetros de fase gaseosa se aplicaron en los gases de los pozos utilizando los datos referidos en la ilustración En ella se graficó el log H2/Ar con- tra el log CO2/Ar. Se puede observar que las tempera- turas máximas estimadas son para los pozos AZ-19 (350°C) y AZ-28 lo cual es congruente con Io estimado por los geotermómetros de fase líquida. Tam- bién en esta ilustración se puede establecer el estado de equilibrio de los gases con la fase líquida, así como las temperaturas a las cuales se está efectuando dicho equilibrio. Se puede decir que los pozos de mezcla es- tán en equilibrio con la fase líquida, mientras que los pozos de vapor tienden a equilibrarse con la fase de vapor. Esto también indica mezcla con vapor de alta temperatura o pérdida de argón. Además, en el cua- dro se observa que las temperaturas calculadas por medio del geotermómetro de gases de D'Amore y Pa- nichi 980) varían de ºC (AZ-33) a 378°C (AZ-28). Éstas, en algunos casos, son congruentes con las tem- peraturas medidas y las calculadas por medio de los geotermómetros de Na-K y Na-K-Ca (Fournier, 1977).

Exceso de vapor

Si la entalpía de descarga de los pozos excede la de un líquido saturado a la temperatura de reservorio, se considera que existe un exceso de vapor. Las ental- pías de descarga de los pozos del campo geotérmico de Los Azufres varían de a kJ/kg. Una alta entalpía de descarga refleja dos fases (vapor y agua) en el yacimiento. En el cuadro está referida la ental- pía de mezcla de los pozos de Los Azufres. Si se ob- serva dicho cuadro, la entalpía de descarga del pozo AZ-2 corresponde a la de un líquido saturado a una temperatura de yacimiento de en consecuen- cia, el exceso de vapor en condiciones de yacimiento es pequeño.

Para el resto de los pozos la entalpía es mayor, pero también producen en una zona de líquido dominante, excepto los pozos AZ-6, AZ-17, AZ-32, AZ-34, AZ-38 y AZ-41, que producen vapor seco y su entalpía es del orden de los kJ/kg y están localizados en la zona sur del campo. Puede decirse que tales pozos están

produciendo en una zona de dos fases, Io que indica un exceso de vapor.

Una de las causas del exceso de vapor o entalpía de los pozos es que las fases de vapor y agua no son transmitidas a través de la formación en el reservorio con igual facilidad, porque las dos fases tienen dife- rentes permeabilidades relativas. Es también concebi- ble que el exceso de vapor se deba a la evaporación de agua por conducción de calor proveniente de la roca del reservorio, ya que la caída de presión causa-

da por la extracción del fluido por los pozos producto- res origina el enfriamiento (por ebullición) del mismo y de tal modo hay flujo de calor conductivo de la roca a él, Sin embargo, hay dificultades involucradas en la evaluación química del agua del reservorio, que se basa sobre datos de exceso de vapor de los pozos. Si el yacimiento contiene solamente agua, entonces es fácil relacionar la composición de las muestras en su- perficie con las condiciones de reservorio (Arnorsson, 1982). En el caso contrario, si el fluido en el pozo es de dos fases con exceso de vapor, no es posible relacio- nar la composición química del fluido en superficie con las condiciones de yacimiento. En este caso sólo es posible aplicar este método a pozos cuya entalpía sea menor a los kJ/kg, que son la mayoría en el cam-

po de Los Azufres. Para los pozos de vapor seco no es aplicable el método, debido a que no producen agua.

Características isotópicas de la fase líquida

En la ilustración está referido el contenido de deu- terio y oxígeno-18, corregidos a descarga total de los pozos y manantiales de Los Azufres. Se puede ver que los pozos presentan un corrimiento en oxígeno-18, ca- racterístico de fluidos de origen geotérmico. Este enri- quecimiento en se debe a que la interacción agua-roca se efectuó a altas temperaturas.

La gran mayoría de los manantiales se ubica en la lí- nea de aguas meteóricas. Sin embargo, los manantia- les ubicados en el campo y que son sulfatado-ácidos,

Se puede concluir también que el sistema de Los Azufres es un sistema en equilibrio. Esto se debe a que los gases de origen magmático han sido neutralizados totalmente por la roca. Las temperaturas a las cuales se están efectuando los equilibrios agua-roca y agua- gas oscilan entre los y los 340°C.

Isotópicamente, la composición de los pozos pre- senta un enriquecimiento en producto de la inter- acción agua-roca a altas temperaturas.

Con respecto a los manantiales ubicados dentro del campo, presentan un carácter geoquímico sulfatado- ácido, lo que indica que se trata de aguas de origen meteórico calentadas con vapor geotérmico. Esto se confirma con los análisis isotópicos practicados a es- tos manantiales.

Recibido: 02/06/99 Aprobado: 1/99

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tales como Marítaro (M25), Nopalito I (M22) y II (M27), Espinazo del Diablo (M24), Agua Fría (M46), Chiflador (M38) y Currutaco (M37), presentan una composición isotópica de aguas que han sido modificadas por pro- cesos de evaporación a temperaturas mayores a los 100°C. Para las muestras de las lagunas, como son Cuitzeo (M71) y Laguna Verde (M32), su composición isotópica es característica de aguas modificadas por procesos de evaporación a temperatura ambiente. AI hacer la regresión lineal a estas muestras se obtiene la siguiente ecuación: = La compo- sición isotópica de la precipitación en la zona de estu- dio se infiere a partir de la ecuación anterior, que es de

en y en

Conclusiones

De acuerdo con su composición química, el agua pro- ducida por los pozos de Los Azufres es una salmuera geotérmica del tipo clorurado-sódico totalmente equili- brada con la roca que la almacena. AI hacer la correc- ción de la composición química en la descarga total y a condiciones de yacimiento se encontró que los PO- ZOS que producen una mezcla la están produciendo en una zona de líquido dominante. Los pozos de vapor seco, que son los más someros, la están produciendo en una zona bifásica.

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Abstract

González Partida, E., E. Tello Hinojosa M. Pal Verma, "Geochemical and isotopical analysis of geothermal and spring waters in order to define the state of water-rock interaction in the reservoir of Los Azufres, Mi- choacán, Mexico", Hydraulic Engineering in Mexico (in Spanish), vol. XV, num. pp. September-De- cember,

The chemical and isotopic analysis of fluids produced by the well of Los Azufres, Michoacan, were stu- died in order to define the state of water-rock interaction in this field's reservoir. According to their chemical composition it was found that the waters produced by the wells have a chloride sodium geochemical cha- racter, typical of a geothermal brine. This brine is completely in equilibrium with the rock which stores it at temperatures that fluctuate between and 340°C. Considering excess steam data, the mixed water type wells are producing from a liquid dominant zone. The isotopic compositions of the wells present a shift of

(typical of fluids of geothermal origin which have equilibrated with rocks at high temperatures). The springs found within the field, present a geothermal characteristic of acid sulphate. This means that the wa- ters are of meteoric origin heated with geothermal steam.

Key words: sodium chloride water, meteoric water, liquid dominant reservoir, geothermometer, water-rock interaction.

Dirección institucional de los autores:

Eduardo González Partida Correo electrónico:

Unidad de Investigación en Ciencias de la Tierra (UNICIT) Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM) Juriquilla, Querétaro, México

Enrique Tello Hinojosa Correo electrónico:

Departamento de Geoquímica Gerencia de Estudios Geotermoeléctricos Comisión Federal de Electricidad, México

Mahendra Pal Verma Correo electrónico:

Gerencia de Geotermia Instituto de Investigaciones Eléctricas, México