Capítulo 6 isótopos y gases introduccióN. Trabajos realizados



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Capítulo 6

ISÓTOPOS Y GASES

6.1. INTRODUCCIÓN. TRABAJOS REALIZADOS.
La aplicación de técnicas isotópicas es habitual en la investigación geotérmica, de la misma forma que se aplica al estudio de las aguas subterráneas. Los factores o incógnitas que es posible analizar y evaluar, mediante la aplicación de técnicas isotópicas, son las siguientes:


  • Evolución del agua en el subsuelo desde su infiltración, realizando una estimación del área de recarga, zonas por las que circula, procesos de cambios físicos, etc. Este análisis se efectúa a partir de la composición en isótopos estables: oxígeno-18 (‰18O) y deuterio (‰2H).




  • Procesos de intercambio isotópicos con las rocas acuíferas-almacén, mediante la composición en isótopos estables: oxígeno-18, deuterio y carbono-13 (‰13C-DIC)




  • Tiempo de renovación del agua y modelo de circulación mediante el estudio de la concentración en el isótopo radioactivo Tritio (3H -U.T.-).

En el presente estudio se han muestreado y analizado la composición en isótopos estables (oxígeno-18, deuterio y carbono-13), de una quincena de puntos distribuidos 10 de ellos en la zona de Llucmajor y 5 en la zona de Costitx-Lloret, con representación tanto de puntos termales como puntos fríos. Asimismo, se han llevado a cabo determinaciones del isótopo radioactivo tritio, en cuatro muestras, de las que una es de agua fría y tres termales.


Por otro lado, es característico en las aguas procedentes de acuíferos profundos, la presencia de gases disueltos con una composición que es función de la estructura geológica del área investigada. La presencia de concentraciones anómalas en algunos gases como dióxido de carbono, metano, helio e hidrógeno pueden indicar procesos internos ligados a la estructura geológica. En general, el agua subterránea contiene un gas producto de la reducción del aire atrapado en las fases iniciales de la infiltración y que por lo tanto tiene una concentración de oxígeno muy inferior a la del aire y un enriquecimiento relativo del nitrógeno que no sufre ningún intercambio. El dióxido de carbono se incrementa ligeramente en este proceso.
Sin embargo, si en los análisis efectuados a muestras extraídas del gas disuelto en las aguas se detectan concentraciones anómalas de los gases citados anteriormente, ello indica que existe un aporte endógeno de gas que habitualmente va ligado a circulación profunda del agua.
En el presente proyecto se han muestreado para este fin ocho puntos de agua, en general con indicadores geotérmicos, tres de ellos en la zona de Castitx-Lloret y cinco en la zona de Llucmajor.

6.2. ISÓTOPOS ESTABLES
6.2.1. OXÍGENO-18 Y DEUTERIO
La composición isotópica de las aguas subterráneas de un acuífero es en la mayor parte de los casos similar a la de las precipitaciones cuya infiltración recarga el acuífero. Salvo circulaciones muy profundas y/o muy lentas, esta composición de la precipitación es la media del área en que se encuentran los acuíferos. A su vez, la composición isotópica de las aguas de lluvia, depende de una compleja serie de fenómenos climatológicos y físico-químicos, que le confieren una variabilidad importante. A pesar del carácter cíclico de estos fenómenos, es factible identificar una composición isotópica media de las aguas de pluviometría, para una región concreta.
En este sentido existe una relación entre contenido de Deuterio (2H) y oxígeno-18 (18O) para cada región. También a nivel mundial es posible expresar una relación media. Es, la conocida recta de Craig o Línea Meteórica Mundial (LMM) para las aguas de lluvia, que se puede expresar por la ecuación siguiente: 2H = 8 18O + 10.
Puesto que el proceso de alimentación de los acuíferos desde la infiltración hasta su incorporación al mismo, amortigua las oscilaciones cíclicas del contenido en isótopos estables, es posible asignar a las aguas subterráneas de los acuíferos, como se ha dicho, una composición media constante en el tiempo y muy similar a la de las precipitaciones locales.
Este principio tiene no obstante algunas excepciones ligadas a la historia particular del ciclo del agua en la zona considerada. Entre estas excepciones cabe citar como más importante:


  • Zona de recarga alejada del acuífero y situada a una cota sensiblemente diferente. Es el conocido efecto altitud. Generalmente el aumento de la altura de la zona de recarga se traduce en una disminución en el valor de 18O y 2H, que se hacen más negativos. Este efecto es debido tanto a cambios de la temperatura como a variación en la composición isotópica dentro de la nube durante su ascensión. El gradiente de variación es diferente de un lugar a otro, pero sus valores medios son del orden de –0.25‰ cada 100 metros para el 18O y –2.5‰ cada 100 metros para el 2H.




  • Modificación en la composición isotópica por fenómenos de evaporación antes de su infiltración (ríos, lagos, embalses, etc.). Esta evaporación puede producirse tanto durante la caída del agua desde la nube al suelo (especialmente en atmósfera muy seca y caliente –finales de verano–) como en la misma superficie.




  • Asimismo, puede producirse evaporación, cuando el agua se encuentra en la zona no saturada, en los primeros estadios de la infiltración hacia el acuífero.




  • Recargas procedentes de ríos que a su vez transportan el agua desde grandes distancias.




  • Fenómenos de mezclas de aguas de distintas procedencias (alimentación subterránea de diferentes acuíferos, recarga de infiltración y de río, etc.).




  • Otras causas menos habituales de cambio en la composición isotópica pueden ser: intercambio con el oxígeno de las rocas carbonatadas o siliceas, intercambio con otras especies (CO2, SOx), fraccionamiento debido a elevadas temperaturas (zonas geotérmicas de alta temperatura), etc.

En la tabla 6.1 se presentan los resultados de las determinaciones isotópicas realizadas en el presente estudio.



En las figuras 6.1 y 6.2 se representan estos datos para las zonas de Costitx-Lloret y Llucmajor respectivamente, junto a la recta representativa de las lluvias de todo el planeta, recta de Craig, ya mencionada LMM, y la recta representativa de las lluvias en el Mediterráneo Occidental, LMMO.

Figura 6.1

Figura 6.2

Para las muestras de agua de la zona de Costitx-Lloret -figura 6.1-, los datos obtenidos muestran una relación muy estrecha con las aguas de precipitación, de manera que los puntos se sitúan o muy próximos a la LMM de Craig o entre esta y la línea típica del Mediterráneo LMMO. No se detectan procesos anómalos en la circulación del agua por lo que, caso de existir intercambio con la roca almacén (carbonatos), este se ha producido a bajas temperaturas.


Para la muestras tomadas en la zona de Llucmajor -figura 6.2-, se observa en alguna de ellas una deriva positiva en el oxígeno-18. Estas muestras son fundamentalmente representativas de las aguas frías con cierta mezcla de agua termal en las que se tiene, por conocimiento hidrogeológico del acuífero, un grado importante de certeza de que su infiltración se produce en la misma zona geográfica del acuífero. Puesto que el clima en la zona es seco y existe una zona no saturada bastante importante, 100-120 metros, es muy probable que se produzca un fraccionamiento por evaporación dando lugar a un enriquecimiento (valores más positivos) de 18O siguiendo las pautas habituales de estos procesos -figura 6.3-.
Los puntos típicamente representativos de las aguas termales, próximos a la falla NE-SW, de hipotética salida de las mismas, se encuentran nítidamente relacionadas con las aguas de precipitación, no habiendo sufrido procesos físicos notables, durante su infiltración, que se debería haber realizado en áreas más elevadas y menos áridas que las anteriores, ni durante su circulación por los acuíferos profundos. La temperatura en estos acuíferos no debe ser superior a 100 ºC ya que en caso contrario se hubiera producido un enriquecimiento en 18O por intercambio con las rocas.
No se dispone de datos o referencias sobre la variación del contenido de 18O en las aguas de precipitación del sistema montañoso próximo a Llucmajor (Macizo de Ronda o Cordillera de Levante), por dónde se hubiera infiltrado las aguas de recarga de los posibles acuíferos geotérmicos. Los únicos datos de este tipo existentes, se refieren a la lluvia de la Sierra Norte, y están recogidos en la figura 6.4, procedente de la publicación de E. CUSTODIO et ALT. Sobre la “Composición isotópica de las aguas de la Sierra Norte mallorquina”, presentado en el V Simposio de Hidrogeología en 1995. De acuerdo con el gráfico citado, la altitud asignada a las aguas analizadas, debería ser del orden de 300-500 metros, lo que puede darse también en la zona mencionada de montaña próxima a Llucmajor.
Con objeto de analizar el origen del, relativamente elevado, contenido en cloruros del agua subterránea termal, se ha llevado a cabo un estudio de la relación entre la concentración de cloruros y el contenido en 18O, que se presenta en la figura 6.5. Se puede verificar en ella que una mayor concentración de cloruros está asociada a un contenido en oxígeno-18 más negativo, lo que quiere decir que, el origen de los cloruros no es en ningún caso por evaporación del agua de recarga, ya que en este caso, se

Figura 6.3.

Figura 6.4

Figura 6.5

produciría un enriquecimiento en oxígeno 18, contrario a lo que ocurre en la realidad. Tampoco se debe a influencia de agua de origen marino, intrusión, ya que el agua de mar tiene un contenido en oxígeno-18 próximo a cero (precisamente el contenido en 18O de las aguas se da como el desvío respecto de la composición media del agua de mar -SMOW-). El único posible origen de los cloruros es la disolución de materiales salinos presentes en las formaciones triásicas que se encuentran en la base y en contacto con los acuíferos carbonatados jurásicos.

6.2.2. CARBONO-13 (‰13C – D.I.C.)


La pequeña variabilidad del 13C con la temperatura (1‰ cada 27 ºC) favorece la utilización de este isótopo como indicador de la fuente de carbono que origina las especies carbonatadas del agua.
La composición isotópica del carbono en los distintos compuestos de los que forma parte varía en un amplio intervalo. Desde valores de +20‰ en algún carbonato (roca) hasta valores de -90‰ en el metano.
En la figura 6.6 (A. DELGADO HUERTAS. Tesis Doctoral) se muestra la composición isotópica en 13C de las principales fuentes.
En el estudio de las aguas subterráneas, hay que considerar básicamente las siguientes fuentes de carbono con los correspondientes valores característicos del 13C:
Carbonatos marinos: de 0 a + 2‰ 13C

CO2 atmosférico: de –5 a –8‰ 13C

Fotosíntesis de Plantas grupo C4: de –10 a -20‰ 13C

Fotosíntesis de Plantas grupo C3: de –20 a -30‰ 13C

Materia orgánica: > 25-30‰ 13C
Los valores obtenidos en los análisis llevados a cabo -tabla 6.1- permiten las siguientes consideraciones:


  • Existe un grupo de aguas cuyo contenido del isótopo 13 del carbono disuelto en la materia inorgánica (D.I.C.) se encuentra en el rango –9 a –14‰ de 13C. Este rango es muy habitual en las aguas subterráneas, representando típicamente agua de precipitación que disuelve CO2 de suelos, que soportan las raíces de las plantas del ciclo fotosintético tipo Calvin del ámbito mediterráneo, sin intercambio significativo con CO2 atmosférico o con carbonatos marinos. El 13C que originariamente es de

Figura 6.6

–25 ‰ evoluciona hacia los valores más positivos de –9 a –14 ‰, en su circulación por el subsuelo.




  • Existe otro grupo de siete muestras que presentan valores más positivos de –4,3 ‰ -8,5 ‰, que en ausencia de disolución del CO2 en la atmósfera, se debe a la iteración con carbonatos marinos, favorecida por la elevada temperatura (70-80 ºC) del almacén. Puesto que el estudio geoquímico y de isótopos estables (18O-2H), deshecha la posibilidad de intrusión marina, hay que admitir la disolución de carbono 13 de las rocas carbonatadas que constituyen el almacén. Precisamente, las aguas más significativamente geotérmicas, tanto en Llucmajor -44 y 45-, como en Costitx-Can Brines-, tienen valores de –5,2 y –6,3 ‰.



6.3. TRITIO
La utilización del contenido en tritio de las aguas subterráneas para datación de las mismas ha sido una técnica habitual en las últimas décadas pero que recientemente está empezando a tener problemas interpretativos. Su utilización se basa en la variación del contenido en tritio en las aguas de precipitación, debida a la acumulación de este isótopo radiactivo en la atmósfera por las pruebas nucleares, así como en el conocimiento del proceso de desintegración radiactiva del mismo con un período de semidesintegración de 12,5 años aproximadamente, es decir, que cada 12.5 años el contenido en tritio se reduce a la mitad.
El contenido en tritio de las aguas de precipitación ha sido estudiado utilizando los datos de una extensa red de estaciones distribuidas por todo del mundo. Este estudio ha conducido a la elaboración de una curva de distribución, que es función del desarrollo de las pruebas nucleares. Con los datos de esta red de estaciones, especialmente numerosas en el hemisferio norte, se ha elaborado una curva general de distribución del contenido en tritio en este hemisferio, válida en general como primera aproximación para cualquiera de las estaciones continentales situadas a más de 50-100 km de la costa (A. PLATA. Concentración de tritio en las precipitaciones del globo a partir del año 1953. Características general y modelo de distribución. Curso de Isótopos en el Agua. CEDEX).
En la tabla 6.2. se presentan los datos correspondientes a las estaciones de OTAWA (la más antigua), VIENA y MADRID, así como las estimaciones llevadas a cabo con el modelo para el hemisferio norte. La figura 6.7 representa estos valores. Este análisis llega hasta los primeros años de la década de los noventa. Posteriormente ha seguido decreciendo hasta alcanzar valores muy bajos en los últimos años.
Tabla 6.2

Figura 6.7

Para el presente proyecto se han utilizado datos del laboratorio del “Servei de datacio de triti i Carbono 14” de la Universidad Autónoma de Barcelona. Los datos suministrados por el profesor J. Trilla, director del laboratorio, se presentan en la tabla 6.3. Están referidos a Cataluña, y contienen determinaciones de tritio mes a mes desde 1970 hasta 1999. En las figuras 6.8 y 6.9 se ha representado gráficamente la evolución, separando meses de verano y meses de invierno. Como puede contrastarse con estos datos, el contenido en tritio de las lluvias ha seguido bajando, de manera que en los últimos años ha vuelto a los valores existentes antes de las pruebas nucleares (3-6 U.T.).
Existen factores de incertidumbre en la datación con tritio que están ligados a las características del flujo subterráneo que puede ser modelizado desde un sistema del tipo renovación total sin mezcla (modelo de pistón) hasta un sistema de mezcla total (modelo de renovación exponencial). En la realidad la configuración interna del acuífero y su heterogeneidad conducen a sistemas o modelos intermedios y complejos.
Sólo un conocimiento físico muy preciso del mismo permitiría la aplicación de un modelo justificadamente.
Los contenidos en tritio de las aguas analizadas son los siguientes:

Este rango de variación revela que, caso de circular el agua según un modelo simplificado del tipo pistón (sin mezclas), los valores del tiempo de renovación serán del orden de 20-30 años. Para ello se han utilizado los datos de tritio en lluvia en las estaciones de Cataluña.


Por el contrario, si se aplicase un modelo de mezcla total o renovación exponencial, los valores de 12 UT deberán corresponder a aguas infiltradas en un período de 7-15 años. Pero este modelo, asignaría también para el citado valor de tritio un segundo tiempo posible de renovación correspondiente a la parte descendiente de una curva de tipo GAUSS. Este segundo tiempo, que sería del orden de 70-100 años, sólo se puede tomar en consideración, como indicativo de mezcla con aguas que estuvieran en el acuífero desde mucho antes de los años 50 y que se extraen poco a poco mezcladas con aguas más reciente.
El agua más significativamente termal de las muestreadas Llucmajor 44, muestra un contenido de 9,8 UT lo que se explicaría por la mezcla de agua profunda (con contenido

Tabla 6.3

Figura 6.8

Figura 6.9



en tritio prácticamente nulo) y el agua fría con 12 UT como ya se ha citado. La falta de datos más precisos o mayor número de datos impide la aplicación de posibles modelos de mezclas para cuantificar la aportación profunda.

6.4. ANÁLISIS DE GASES
El gas disuelto que acompaña a las aguas termales, suele mostrar evidencias del tipo de acuífero por el que éstas han circulado.
El dato más significativo a este respecto, es el contenido en CO2, que ligado a aguas termales, indican la presencia de aportes endógenos y circulación relativamente profunda de dichas aguas. Las aguas frías contienen a veces restos del CO2 captado durante la precipitación y en las capas de suelo; sin embargo, las termales por su propio tiempo de residencia en el subsuelo, han perdido ya este tipo de CO2, y el que mantienen es sin duda de origen endógeno.
Otros gases que caracterizan las aguas de circulación profunda, como se ha citado en la introducción, son el H2, el CH4 y el He.
En la tabla 6.4 se presentan los valores obtenidos en los análisis de gases efectuados a las muestras tomadas. Todos los valores expuestos indican concentraciones habituales de gases en las aguas de origen geotérmico. El único aspecto relevante es el contenido en CH4 del punto nº 44 de Llucmajor que es del orden de 3 veces superior a los valores habituales en los demás puntos. Este valor podría ser debido a indicios de materia orgánica (hidrocarburos) en el acuífero profundo. El sondeo nº 44 es el que representa la salida más directa del agua profunda (51,8 ºC).
Tabla 6.4

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