Anomalías de flujo de calor terrestre y la definición de la provincia geotérmica asociada al...

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Especialidad: Geología, Subespecialidad Geotermia,

Gran Reto de la Ingeniería Mexicana: Descubrimiento de nuevos recursos energéticos sustentables

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ANOMALÍAS DE FLUJO DE CALOR

TERRESTRE Y LA DEFINICIÓN DE LA

PROVINCIA GEOTÉRMICA ASOCIADA AL

VOLCANISMO DE INTRAPLACA EN MÉXICO

Especialidad:_______Geología___________________

Subespecialidad: ____Geotermia_________________

Gran Reto de la Ingeniería Mexicana: Descubrimiento de

nuevos recursos energéticos sustentables

Rosa María Prol Ledesma

Doctorado en Ciencias Físico-Matemáticas

Fecha de ingreso (día, mes, año)

Ciudad de México

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,2

Contenido

Resumen ejecutivo 3

1. Introducción 4

2. Evaluaciones reportadas de los recursos geotérmicos de

México 7

3. Flujo de calor 9

4. Definición de la Provincia Tipo CV2 – PCVI (Provincia

Central de Volcanismo de Intraplaca) 11

5. Conclusiones 17

6. Referencias 18

3



,3

RESUMEN EJECUTIVO

Con el objetivo de descubrir prospectos geotérmicos en la República Mexicana, se presentan

diferentes metodologías que ayudan a definir una provincia geotérmica. En este caso se

identifica una zona que no se había incluido en los inventarios de los Recursos Geotérmicos

de México y que corresponde aproximadamente a la denominada Mesa Central. Esta

provincia se identificó con base en el mapa de flujo de calor que se elabora actualmente y en

el que destacan las anomalías que caracterizan esta provincia. Estas anomalías se

correlacionan con valores anómalamente altos en las temperaturas calculadas con el

geotermómetro de sílice y con profundidades muy someras de la temperatura de Curie. Se

espera que este trabajo sea la base para la evaluación de los recursos geotérmicos en las

Provincias de Volcanismo Alcalino que representan el evento térmico más reciente en

amplias zonas del norte, centro y noreste de México.

ABSTRACT

Diverse methodologies were used to define geothermal provinces that will support the search

for new geothermal prospects in Mexico. Here, a new area, which had not been considered

previously in the Geothermal Inventory, was identified using heat flow data that disclose the

location of multiple anomalies in geophysical and geochemical maps. The presence of high

heat flow, high silica temperature and shallow Curie Point depth is an important evidence

that characterizes this Intraplate Volcanism Province. The methodology presented here may

be a useful tool to define the areas with recent volcanic activity that are potential heat sources

for new geothermal prospects.

Palabras clave: Provincias geotérmicas, volcanismo alcalino, nuevos prospectos

geotérmicos, Temperatura de Curie, geotermómetro de sílice, flujo de calor.

Key words: Geothermal provinces, new geothermal prospects, Curie Point depth, silica

geothermometer, heat flow.

4



,4

1. INTRODUCCIÓN.

El flujo de calor que emana de la superficie de la Tierra refleja el transporte de la energía

contenida en su interior como resultado de los procesos que la originaron: colisiones entre

partículas que formaron la nebulosa original del Sistema Solar, choques de planetoides que

se fusionaron y finalmente el colapso gravitacional, que se supone provocó la fusión del

planeta con la energía que se liberó durante este proceso. A pesar de ser un fenómeno global,

el flujo de calor superficial en la Tierra es extremadamente heterogéneo y existen zonas con

flujo de calor anómalamente bajo y en otras anómalamente alto. Esta variación es producto

de cambios en las formas de transporte del calor desde el interior hasta la superficie (i.e.

conducción vs convección), así como de los diferentes valores en la conductividad térmica

de las rocas que forman la columna estratigráfica local y la producción de calor por elementos

radiactivos en las rocas. La temperatura aumenta con la profundidad en toda la Tierra, pero

la determinación del valor del flujo de calor superficial puede utilizarse para conocer la

relación de esta variación con la temperatura a profundidad en diversas zonas, ya que el flujo

de calor es proporcional al gradiente geotérmico y a la conductividad térmica. Debido a esta

relación es que el conocimiento del flujo de calor tiene una gran importancia para la

exploración regional de recursos geotérmicos a nivel de país, pero también a nivel más local

(White y Williams, 1975; Muffler, 1979; Barbier et al., 1995; Cataldi et al., 1995; Blackwell

et al., 2007). Las anomalías altas de flujo de calor generalmente están asociadas a transporte

por convección del calor desde las profundidades, tanto a nivel del manto (a través del

magma) como en la corteza (magma y agua). Así mismo, al conocer el flujo de calor se

pueden elaborar modelos que permitan calcular el valor de la temperatura a profundidad, al

inferir los mecanismos de transporte de calor: convección, conducción o ambos. Por lo tanto,

al realizar la evaluación de los recursos geotérmicos a nivel de país, el mapa de flujo de calor

es una información indispensable para destacar zonas con el mayor potencial geotérmico.

En las últimas décadas, la evaluación de recursos geotérmicos se ha enfocado a estudios de

factibilidad de campos geotérmicos específicos, los cuales generan una estimación

cuantitativa de la capacidad energética de cada campo. Sin embargo, los inventarios globales

o regionales son necesarios para construir planes nacionales para el desarrollo de los recursos

energéticos y para proteger la seguridad energética nacional. Estos estudios regionales

generan una evaluación cualitativa de cada provincia geológica en todo un territorio y tienen

que ser realizados superando las dificultades que plantean las áreas enormes que se tienen

que cubrir y el tomar en cuenta la complejidad tectónica de un país como México. Es por esa

razón que el uso de mapas de flujo de calor permite la evaluación de las zonas con las

características de temperatura/profundidad que permiten la explotación de los recursos

geotérmicos explotables con la tecnología actual.

Métodos Cuantitativos de Evaluación del Potencial Geotérmico

El potencial geotérmico puede ser estimado por diferentes métodos, pero el que es utilizado

comúnmente es el “método volumétrico” que se aplica a sistemas geotérmicos específicos

(Muffler y Cataldi, 1978; Muffler, 1979; Williams et al., 2008; Garg y Combs, 2010, 2015;

Williams, 2014). En el caso de evaluaciones regionales en zonas que carecen de información

geofísica y geoquímica detallada de los recursos geotérmicos, no es posible aplicar este

método con un grado aceptable de confiabilidad, por lo que las Naciones Unidas han utilizado

un método alternativo para estimar la capacidad energética de campos individuales con base

5



,5

en sistemas similares que son bien conocidos y en ambientes geológicos semejantes (McNitt,

1978). Sin embargo, en evaluaciones regionales el parámetro más importante es la

profundidad a la cual se alcanzan temperaturas adecuadas para la explotación económica de

los recursos geotérmicos. En Europa, la evaluación regional de los recursos geotérmicos se

llevó a cabo con base en el flujo de calor superficial y el conocimiento de la estructura de la

corteza para determinar la temperatura a diferentes profundidades y para estimar la

incertidumbre en los cálculos (van Wees et al., 2013).

Métodos Cualitativos de Evaluación del Potencial Geotérmico:

Provincias Geotérmicas:

Los métodos cualitativos de evaluación de los recursos geotérmicos son de gran utilidad en

la exploración de reconocimiento a nivel regional, ya que identifican las zonas favorables

para la presencia de diferentes tipos de yacimientos y requieren básicamente de información

sobre la geología, la evolución tectónica y el flujo de calor. A partir de esos conocimientos

se puede elaborar un mapa de provincias geotérmicas para la planeación de campañas

regionales de exploración.

La definición de una provincia geotérmica (Cataldi y Mainieri, 1995) es la siguiente:

“Provincia Geotérmica: es una porción grande de un territorio, la que debido a sus

condiciones lito-estratigráficas, hidrogeológicas, volcanológicas, tectónicas, régimen

térmico, entre otras, tiene un carácter geotérmico propio a escala regional por el que puede

distinguirse de las porciones contiguas del territorio.”

A pesar de que el término “provincias Geotérmicas” fue utilizado por primera vez por Cataldi

y colaboradores (1995), recientemente ha sido usado en algunas evaluaciones regionales

donde se establecen las provincias en forma de una clasificación (ranking) del territorio para

la explotación de los recursos geotérmicos, tanto para producción de electricidad como para

usos directos (Cataldi y Mainieri, 1995; Shanker et al., 2001; Buonasorte et al., 2007) y en

otros casos se ha enfocado a la evaluación de los recursos energéticos de los sistemas

geotérmicos más importantes a nivel regional o a nivel país (Jalludin, 2013). Todas las

definiciones de provincias geotérmicas están basadas principalmente en la temperatura a

profundidad, considerando los eventos térmicos recientes más significativos y la

categorización incluye también la presencia o ausencia de acuíferos locales y las principales

características geológicas.

La demarcación de provincias geotérmicas es la forma de priorizar las zonas de mayor interés

para la exploración de reconocimiento en sistemas geotérmicos que pueden tener o no

manifestaciones superficiales, pero que son señaladas por una descarga de calor

suficientemente alta para indicar la presencia de temperaturas adecuadas para la

explotación/utilización a profundidades accesibles con la tecnología actual. Con esta base, se

considera al flujo de calor como un parámetro fundamental para la construcción de un

esquema de provincias geotérmicas en México que apoyen los esfuerzos de exploración a

nivel nacional.

La definición de “provincia geotérmica” deja posibilidades abiertas para su demarcación, por

lo cual, en este trabajo se evaluará la definición de provincias geotérmicas tomando en cuenta

las definiciones de “plays” geotérmicos en función del mapa de flujo de calor y las

características geológicas de la región, sobre todo las anomalías térmicas recientes.

El concepto de “plays” geotérmicos.

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,6

La introducción del concepto de “plays” (Moeck, 2013, 2014; Moeck y Beardsmore, 2014)

en la caracterización de los sistemas geotérmicos, para efectos de la planeación de la

exploración y la explotación, implica que las definiciones actuales de provincias geotérmicas

los deban tomar en cuenta. La definición de “play” incluye la agrupación de sistemas

geotérmicos similares en cuanto a la fuente de calor, permeabilidad de las rocas del

yacimiento y el tipo de fluido en relación con un ambiente geológico (Moeck, 2013), lo cual

tiene una relación directa con la definición de provincias geotérmicas.

La clasificación básica de plays está basada en la forma de transporte del calor, donde el

proceso de transporte es dominantemente convectivo o conductivo (Moeck, 2013). En el caso

de los plays conductivos la fuente de calor es el gradiente geotérmico local que será lineal

debido a que el transporte de calor se restringe a la conducción. Los siguientes son los tipos

de “plays” propuestos por Moeck (2014)

CV1 = convección con fuente magmática – asociadas a volcanismo reciente con una cámara

magmática somera o un intrusivo joven.

CV2 = convección con fuente plutónica – su fuente de calor es una roca cristalina joven

enriquecida en elementos radiactivos que produzcan suficiente calor para generar un

gradiente geotérmico anómalo.

CV3 = convección en un ambiente extensional – la fuente de calor está relacionada con el

adelgazamiento de la corteza y consecuente elevación del manto que resulta de la tectónica

extensional y provoca un gradiente geotérmico superior al promedio.

CD1 = conducción en un ambiente de cuenca intra-cratónica – el yacimiento se encuentra en

una secuencia sedimentaria que puede estar por ejemplo contenida en un graben o en una

zona que presente subsidencia.

CD2 = conducción en una faja orogénica – se desarrollan en cuencas de antepaís o en

cinturones montañosos orogénicos.

CD3 = conducción en basamento – se encuentran en basamentos cristalinos de baja

permeabilidad, los cuales solamente pueden ser desarrollados con técnicas de Sistemas

Geotérmicos Mejorados (EGS por sus siglas en inglés).

Generalmente los sistemas que se explotan actualmente para la producción de electricidad

son los de tipo convectivo, representados por valores anómalos de flujo de calor que en

general se encuentran asociados a cámaras magmáticas o intrusivos jóvenes.

7



,7

2. EVALUACIONES REPORTADAS DE LOS RECURSOS GEOTÉRMICOS

DE MÉXICO.

Para el caso de México se cuenta con numerosas evaluaciones de su potencial geotérmico

desde los primeros años en que se empezaron a explotar estos recursos (Tabla 1; Prol-

Ledesma et al., 2016).

Tabla 1. Evaluaciones de los recursos geotérmicos de México aprovechables para la

producción de energía eléctrica; datos de: Alonso, 1975, 1985; Mercado et al., 1976, 1985;

Ordaz et al., 2011.

Autor Año de

publicación

Reservas

probadas

Reservas

probables

Reservas

posibles

Total en

MWe

Alonso 1975 4,000 4000

Mercado 1976 13,110 13,110

Alonso 1985 1,340 4,600 6,000 11,940

Mercado et

al.

1985 45,815

Ordaz et al. 2011 186 2,077 7,423 9,686

Sin embargo, los resultados de estas evaluaciones difieren hasta en varios órdenes de

magnitud. La evaluación más reciente de las reservas probables de energía geotérmica en

México data de 2011 y está avalada por CFE (Ordaz-Méndez et al., 2011) y sitúa las reservas

probables en 2,077 MWe; sin embargo, en esta evaluación solamente se toman en cuenta los

sistemas convencionales de alta entalpía y otros recursos geotérmicos de mediana y baja

entalpía no se incluyen, a pesar de que ya se cuenta con tecnología para explotarlos como la

Coproducción Geotérmica y Sistemas Híbridos (Reinhardt et al., 2011). Según esta misma

evaluación, el total de reservas (probadas, probables y posibles) es de casi 10,000 MWe, en

ella se incluye información de 1380 áreas con actividad geotérmica pero más del 90% de

estas zonas no cuentan con estudios de geoquímica y/o geofísica por lo que esta evaluación

tiene una incertidumbre alta.

La alta dependencia de México de los combustibles fósiles para su producción de energía

eléctrica (aproximadamente 80%; Pérez-Denicia et al., 2017) lo hace especialmente

vulnerable a cualquier crisis causada por variaciones intempestivas en el precio de los

combustibles. Además de que esta dependencia sitúa al país como un productor de Gases de

Efecto Invernadero y dificulta alcanzar los compromisos firmados en el Acuerdo de París

sobre cambio global. Por lo tanto, es importante proporcionar información relevante a los

tomadores de decisiones en altos puestos gubernamentales y en empresas del ramo sobre los

recursos geotérmicos del país, ya que esta forma de energía limpia y sustentable está presente

en vastas cantidades en el país y es la única de las principales fuentes de energía limpia que

es confiable para incorporarla como carga base en la distribución de electricidad, además de

que tiene una importante versatilidad en sus usos directos como agua caliente en la industria

y en aplicaciones agrícolas y domésticas. Además, se debe tomar en cuenta su bajo costo de

8



,8

mantenimiento y su independencia de los efectos climáticos que hoy afectan fuertemente a

muchas fuentes tradicionales de energía limpia.

La exploración de nuevas áreas geotérmicas requiere más información acerca de parámetros

relevantes como son las anomalías elevadas de flujo de calor, las cuales pueden apuntar a

recursos todavía no descubiertos. Esto es especialmente importante en México, donde desde

hace 16 años no se ha puesto en operación un nuevo campo por el sector gubernamental y

solo recientemente y gracias a la Reforma Energética se abrió un nuevo campo “Domo San

Pedro” por una empresa privada. Actualmente sería posible incrementar la contribución de

la energía geotérmica a la producción de electricidad que es de 2% con un programa agresivo

de exploración y explotación, ya que se cuenta con recursos geotérmicos abundantes.

Es importante considerar que el crecimiento esperado de México requerirá de la explotación

de fuentes sustentables y limpias de energía, que apoyen además el compromiso de México

de disminuir su dependencia de los combustibles fósiles y redirigir las políticas de producción

de energía hacia fuentes no-contaminantes.

9



,9

3. FLUJO DE CALOR EN MÉXICO

Existen numerosos reportes y compilaciones de información relevante para la determinación

de flujo de calor, como son mediciones de temperatura con profundidad en pozos,

conductividad de rocas e informes de temperatura en el fondo de pozos. También se tienen

reportes con valores de flujo de calor inferidos a partir de otros parámetros geofísicos y

geoquímicos (en las zonas continentales: Smith, 1974; Smith et al., 1979; Reiter y Tovar,

1982; Ziagos et al., 1985; Polyak et al., 1985; Prol-Ledesma y Juárez, 1985, 1986; Prol-

Ledesma, 1989, 1990, 1991; Campos-Enríquez et al., 1990; Flores-Márquez et al., 1999;

Prasolov et al., 1999; Beltrán-Abaunza y Quintanilla-Montoya, 2001; Prol-Ledesma et al.,

2007; Espinosa-Cardeña y Campos-Enriquez, 2008; Espinoza-Ojeda et al., 2017 a,b; y en las

zonas oceánicas: Von Herzen, 1963; Von Herzen y Uyeda, 1963; Vacquier et al., 1967; Epp

et al., 1970; Williams et al., 1979; Yamano et al., 1982; Prol-Ledesma et al., 1989, 2013;

Fisher y Becker, 1991; Sanchez-Zamora et al., 1991; Nagihara et al., 1996; Fisher et al.,

2001). A pesar de los numerosos reportes con información de flujo de calor, a principios de

este siglo solamente se contaba con 87 mediciones directas de temperatura en pozos para

determinación de flujo de calor en la porción continental de México, aun cuando se tenían

casi 800 mediciones en el océano, de las cuales la mayoría se encuentran en la Zona

Económica Exclusiva de México. Sin embargo, a partir de la creación del Centro Mexicano

de Innovación en Energía Geotérmica se ha logrado la recopilación y medición de 1850 datos

de flujo de calor, la mayoría de los cuales ya han sido publicados por Espinoza-Ojeda y

colaboradores (2017 a,b). Estos últimos trabajos elaboran un análisis estadístico de los datos

de flujo de calor para intentar una integración en cuatro zonas: noroeste, noreste, central norte

y sureste, en las cuales se podrían encontrar recursos de alta, mediana y baja entalpía.

En el aspecto regional de la exploración geotérmica, la complejidad en la distribución de

terrenos tectono-estratigráficos, geología superficial y los ambientes tectónicos en México

destacan la importancia de analizar las variaciones regionales de flujo de calor en relación

con las diferentes estructuras relacionadas con eventos tectónicos y volcánicos recientes. Se

ha demostrado que cada intrusión individual de magma alcanza el máximo de flujo de calor

en aproximadamente 200,000 años (Norton y Knight, 1977), por lo cual los eventos termales

con capacidad de generar sistemas geotérmicos deberán ser muy recientes o tener un

reabastecimiento continuo de magma. Con base en esos cálculos, un dato muy importante es

la localización de los eventos volcánicos recientes, por lo que se establece como un parámetro

importante en la definición de una provincia geotérmica la presencia y edad de dichos

eventos.

Los datos de flujo de calor pueden identificar tendencias relacionadas con condiciones

favorables para encontrar recursos geotérmicos aún no descubiertos. Los rasgos fisiográficos

como el Eje Volcánico Mexicano, la Sierra Madre Occidental y la expresión en el continente

de la provincia extensional del Golfo de California han sido asociados con anomalías de flujo

de calor desde el principio de la exploración geotérmica. Sin embargo, al tener un mayor

número de datos de flujo de calor se ha observado la presencia de una anomalía que destaca

especialmente y que corresponde a la Provincia Central de Volcanismo de Intraplaca (PCVI),

que se muestra en la figura 1 como ha sido definida por Aranda-Gómez et al., (2005).

En la zona que delimita los sitios con volcanismo alcalino de Durango a San Luis Potosí

(Aranda-Gómez et al., 1992, 1993) y que se muestra en la figura 1, se reportan datos de flujo

10



,10

de calor de 120 a más de 200 mW/m2 (Figura 1), que son altos si se toma en cuenta que el

flujo de calor promedio en la corteza continental es de 71 mW/m2 (Davies y Davies, 2010).

Estos valores permiten clasificar esta zona en el grupo de las que albergan los valores de flujo

de calor en el rango más alto (120-1300 mW/m2) de la clasificación propuesta para México

por Espinoza-Ojeda y colaboradores (2017a). Con base en un modelo unidimensional de

transporte de calor conductivo y tomando el rango de valores de flujo de calor superficial, se

puede estimar que el gradiente geotérmico en la zona se encuentra en un intervalo de 60 a

100 °C/km (en este caso se establece un valor medio de conductividad de 2 W/°C·m para las

rocas de la corteza superior).

Figura 1. Mapa de flujo de calor para la zona denominada como Provincia Central de

Volcanismo de Intraplaca. La delimitación de la Provincia Central de Volcanismo de

Intraplaca se realizó con base en los datos reportados por Aranda-Gómez et al. (1992, 2005).

Los puntos indican los sitios donde se reporta flujo de calor calculado a partir de la medición

de gradiente geotérmico en pozos (Espinoza-Ojeda et al., 2007a). Las líneas continuas

representan la demarcación de las provincias fisiográficas.

La zona central de México, que destaca en el mapa de anomalías positivas de flujo de calor,

no ha sido tomada en cuenta en evaluaciones previas del potencial geotérmico de México, a

pesar de que cuenta con importantes zonas de volcanismo alcalino reciente reportadas

principalmente por el grupo de Aranda y colaboradores (Aranda et al., 1992; Pier et al., 1992;

Aranda-Gómez y Luhr, 1996; Luhr et al., 2001; Aranda et al., 2005). La identificación de

esta anomalía en el mapa regional de flujo de calor indica la localización de una zona

11



,11

favorable para la exploración de recursos geotérmicos que no ha sido caracterizada ni

evaluada y en este trabajo se presentan las evidencias de su potencial geotérmico y su

definición como provincia geotérmica.

12



,12

4- . DEFINICIÓN DE LA PROVINCIA TIPO CV2 – PCVI (PROVINCIA

CENTRAL DE VOLCANISMO DE INTRAPLACA)

La provincia Central de Volcanismo de Intraplaca se clasifica como del tipo de transporte de

calor por convección en un ambiente extensional. El evento térmico más reciente en la región

corresponde al volcanismo intraplaca que se localiza al este de la Sierra Madre Occidental

(SMO) y que incluye parcialmente a los terrenos tectono-estratigráficos SMO, Guerrero y

Sierra Madre Oriental de acuerdo a los criterios de Campa y Coney (1983). En el centro y

norte de México las zonas que presentan este tipo de volcanismo se localizan en la provincia

tectónica de cuencas y sierras, la cual es una región extensa en Norte América que

experimentó tectónica extensional después del cese de la subducción de la placa Farallón

(Aranda et al., 2000). Es importante enfatizar que en México se tienen numerosos campos

volcánicos que representan este fenómeno y que suceden en distintos terrenos tectono-

estratigráficos y provincias geológicas o volcánicas (Aranda-Gómez et al., 2005); sin

embargo, en muchas de ellas son el evento térmico más reciente que puede determinar su

potencial geotérmico.

El volcanismo intraplaca de la región central presenta complicados patrones petrogenéticos

(Aranda-Gómez et al., 2005; Ferrari et al., 2005). Esta región central de volcanismo

intraplaca (Figura 2) forma parte de lo que se ha denominado como Provincia extensional del

Norte de México y que ha presentado actividad volcánica desde el Mioceno hasta el

Holoceno (Aranda-Gómez et al., 2005). Entre las zonas que presentan este tipo de

volcanismo y que han sido estudiadas se encuentran: el Campo volcánico de Durango, en

donde se han fechado volcanes de <0.8 Ma. En ese sitio hay más de 100 conos cineríticos y

el Complejo de maares La Breña-El Jagüey, los cuales tienen actividad considerada como

muy reciente (Aranda-Gómez et al., 2005). También en el estado de Durango se tienen zonas

con volcanismo de intraplaca en la región entre Rodeo y Nazas con edades mayores, de

aproximadamente 20-24 Ma, y el área de Metates con 12 Ma.

En San Luis Potosí se localizan las zonas de Los Encinos (10.6-13.6 Ma), el volcanismo

máfico intraplaca del Cuaternario en Santo Domingo y Ventura-Espíritu Santo, en este último

se han estudiado los maares Joya Honda y Joyuela con edades K-Ar de 1.1 y 1.4 Ma,

respectivamente (Aranda-Gómez y Luhr, 1996). Un fechamiento Ar-Ar recientemente

reportado por Saucedo et al. (2017) establece que la edad de Joya Honda es 311 ± 19 ka. En

Santo Domingo se han estudiado los volcanes Santo Domingo, El Banco, Joya de los

Contreras y Joya Prieta (Labarthe-Hernández, 1978 en Aranda-Gómez et al., 2005; Aranda-

Gómez et al., 1993) y se han datado (K-Ar, matriz) muestras del Cerro El Apaste y la Joya

de los Contreras con edades de 0.35 y 0.45 Ma respectivamente (Aranda-Gómez y Luhr,

1996). Todos los sitios donde se ha reportado volcanismo reciente se muestran en la figura

2.

13



,13

Figura 2. Provincia Central de Volcanismo de Intraplaca y la ubicación de sitios de

volcanismo reciente. También se muestran las ubicaciones donde se han realizado

mediciones de gradiente geotérmico y los sitios de manantiales con información geoquímica

con la que se ha calculado la temperatura de equilibrio con el geotermómetro de sílice

(modificado de Aranda-Gómez et al., 2005; Aranda-Gómez y Dávila-Harris, 2014)

4.1 Temperatura a profundidad calculada con el geotermómetro de sílice

Un método utilizado en casi todos los programas de exploración geotérmica es la evaluación

de la temperatura a profundidad con base en la solubilidad de sílice y se aplica a muestras de

agua subterránea o de manantiales termales, para los cuales se cuenta con la determinación

de la concentración de SiO2 en solución. Este geotermómetro se basa en dependencia de la

solubilidad de sílice con respecto a la temperatura y la amplia disponibilidad de este elemento

en la corteza. En el caso común de la interacción agua-roca en un sistema hidrotermal, al

aumentar la temperatura del fluido, aumentará su capacidad de disolver sílice de las rocas,

con lo que la concentración de SiO2 aumentará en el agua geotermal. Desde los años 70’s en

que se extendió la exploración de la energía geotérmica, se han llevado a cabo numerosos

estudios que han permitido incrementar la confiabilidad de este geotermómetro, además de

delimitar claramente sus intervalos de validez (Fournier y Potter, 1982).

La temperatura que se obtiene con el geotermómetro de sílice se interpreta como la

temperatura de equilibrio agua-roca a profundidad, el principal problema para relacionarla

con el gradiente geotérmico es que la profundidad a la que se alcanza esta temperatura no es

conocida. Sin embargo, Swanberg y Morgan (1979, 1980) calcularon una relación empírica

14



,14

entre la temperatura de sílice y el flujo de calor a partir de una regresión lineal pero

enfatizaron que la calibración de esa regresión tiene una fuerte componente hidrogeológica

local. A pesar de la incertidumbre acerca de la profundidad asociada a la temperatura del

geotermómetro de sílice, es posible inferir un flujo de calor elevado en zonas donde la

temperatura de sílice es alta.

Con base en estos resultados fue que parte de la zona de la Mesa Central, como la define

Nieto-Samaniego et al. (2005), resalta en el mapa de temperatura de sílice (Figura 3). En este

mapa se muestra que una amplia zona presenta temperaturas de sílice por arriba de los 100°C,

lo cual indica la posibilidad de explotación de energía geotérmica.

Figura 3. Mapa con las temperaturas generadas por el geotermómetro de sílice en la Provincia

Central de Volcanismo de Intraplaca. Este mapa se construyó tomando las concentraciones

de SiO2 medidas en muestras de agua de manantiales. La simbología es la misma que en la

Figura 2.

4.2 Anomalías Geofísicas Regionales

Como parte de la evaluación de los recursos geotérmicos, además de las mediciones de flujo

de calor, es posible calcular la profundidad de la Temperatura de Curie estimada a partir de

datos aeromagnéticos. Teóricamente, es posible calcular la profundidad hasta el techo y al

centroide de la fuente de las anomalías magnéticas y con estos datos evaluar la profundidad

de la base de esta fuente. A la profundidad que se alcanza la base de la fuente magnética se

asume que las rocas pierden sus propiedades magnéticas y como el mineral magnético más

15



,15

abundante es la magnetita, se propone que a esa profundidad se alcanza la temperatura a la

que la magnetita pierde su magnetización, esta temperatura se estima en 580°C (Okubo et

al., 1985a). De esta forma se calcula el gradiente geotérmico tomando la profundidad a la

que se alcanza la temperatura de 580°C como la profundidad de la temperatura de Curie y

los resultados son útiles para estimar el potencial geotérmico regional (Okubo et al., 1985b).

En el caso de la Provincia Central de Volcanismo de Intraplaca, se procesaron los datos

aeromagnéticos del Servicio Geológico Mexicano (Figura 4) utilizando ventanas de 64 x 64

km.

Figura 4. Datos de campo magnético total para la zona de la Provincia Central de Volcanismo

de Intraplaca proporcionados por el Servicio Geológico Mexicano. En la figura se incluyen

las ventanas que fueron utilizadas para la determinación de la profundidad de temperatura de

Curie. Las demarcaciones señalan los límites entre estados.

Esta metodología se ha aplicado en numerosas ocasiones para estimar el aumento de la

temperatura con la profundidad y de esta forma construir un mapa regional de recursos

geotérmicos a nivel país (Okubo et al., 1985b)

El procedimiento empleado en el cálculo de las profundidades de la Isoterma de Curie se

basa en el análisis espectral de cada una de las ventanas propuestas. Este proceso fue

introducido por Spector y Grant (1970) y posteriormente Bhattacharyya y Leu (1975, 1977)

y Okubo et al. (1985) plantearon que la primera pendiente del espectro de potencia y el valor

16



,16

absoluto del número de onda representan la profundidad del centroide de la fuente magnética

y la primera pendiente en la gráfica del espectro indica la profundidad promedio de la cima,

por lo cual a partir de estos dos valores se calcula la profundidad a la base de la fuente

magnética.

En la Provincia Central de Volcanismo de Intraplaca se calculó la profundidad a la

temperatura de Curie utilizando los datos aeromagnéticos proporcionados por el Servicio

Geológico Mexicano (Figura 4). En este caso, se utilizaron ventanas con dimensiones de 64

x 64 km debido a la magnitud de las profundidades de interés, ya que la profundidad máxima

para este tipo de estudios está determinada por la longitud de la ventana dividida por 2π. Los

resultados indican varias zonas donde la profundidad de la isoterma de Curie es menor que

5.8 km, lo cual indica un gradiente geotérmico superior a los 100°C/km (Figura 5). Sin

embargo, aún en las zonas “frías”, con una profundidad de temperatura de Curie de 10 km,

el gradiente geotérmico sería de casi 60°C/km, el cual es casi el doble que el gradiente

geotérmico estándar en los continentes que se considera de 30°C/km.

Figura 5. Contornos que resultan de la interpolación de los valores calculados de la

profundidad de la temperatura de Curie para cada una de las ventanas mostradas en la Figura

4. La profundidad está indicada en kilómetros. Los triángulos indican la localización de las

zonas de volcanismo reciente (la simbología se explica en la Figura 2).

17



,17

4.3 Delimitación hidrogeológica

La presencia de una descarga de calor anómala es fundamental para la definición de los

recursos geotérmicos; sin embargo, también es de gran importancia la evaluación de las

condiciones hidrogeológicas prevalentes en la zona. Para la explotación de un recurso

geotérmico con la tecnología actual es indispensable contar con la existencia de un medio

rocoso o granular permeable y de una recarga que garantice la disponibilidad de agua que

permita la extracción de la energía contenida en las rocas del yacimiento. Se espera que en

el futuro se desarrolle la tecnología que permita explotar el calor contenido en la corteza sin

requerir la presencia de acuíferos y abundante recarga.

A nivel regional se ha realizado una caracterización de provincias hidrogeológicas con base

en la división de las regiones hidrológicas, las provincias fisiográficas y geológicas, los

terrenos tectono-estratigráficos y el comportamiento del agua subterránea (Velázquez-

Aguirre y Ordaz Ayala, 1993). En esa delimitación se definen dos acuíferos que se enmarcan

parcialmente en la Provincia de Volcanismo de Intraplaca, que son: el acuífero de la Meseta

Central y el de la Sierra Madre Occidental.

La provincia hidrogeológica de la Meseta Central se incluye totalmente en la Provincia de

Volcanismo de Intraplaca y está caracterizada por valles planos con depósitos aluviales

separados por cadenas montañosas formadas por rocas del Paleozoico, Mesozoico y rocas

volcánicas del Cenozoico y del Cuaternario que en general representan las zonas de recarga.

El clima es relativamente homogéneo templado semi-árido con una temperatura media anual

que varía de 16 a 18°C y la precipitación pluvial varía de 350 a 600 mm/año. Esta provincia

abarca varias cuencas hidrológicas, de las cuales las del norte son las que presentan un

recurso más pobre pero las de la parte media y sur cuentan con las cuencas del Río Grande

de Santiago, Juchipila, Verde y los afluentes del Lerma. Los principales acuíferos se

encuentran formados por los materiales granulares-clásticos depositados en cuencas abiertas

o cerradas del Terciario al reciente (Velázquez-Aguirre y Ordaz Ayala, 1993). Sin embargo,

debido a la sobre-explotación de los acuíferos en algunas zonas ya se están explotando

acuíferos profundos contenidos en rocas fracturadas (Ortega-Guerrero, 2009), lo cual afecta

la evaluación de la recarga.

En la parte occidental se tiene un traslape con la provincia hidrogeológica de la Sierra Madre

Occidental (SMO), donde el clima varía de húmedo templado hasta caluroso y húmedo y la

precipitación alcanza 1600 mm/año, lo cual implica una recarga mucho mayor que en la

Meseta Central; sin embargo, en la Meseta Central la evaporación potencial puede ser mayor

de 2000 mm/año con una temperatura media de 16°C. La gran cantidad de recarga en la

(SMO) se infiltra en una alta proporción y recarga los acuíferos de las provincias adyacentes

(Velázquez-Aguirre y Ordaz Ayala, 1993).

18



,18

5. CONCLUSIONES

En este trabajo se ha demostrado la importancia de integrar la información referente a la

descarga de calor a partir de los datos de flujo de calor y de temperatura de sílice en

manantiales con la presencia de eventos térmicos evidenciados por la actividad magmática.

Al mismo tiempo, los datos aeromagnéticos definen la presencia de fuentes magnéticas y su

profundidad en la corteza, con lo cual y basados en la determinación de las propiedades

magnéticas de las rocas y su relación con la temperatura nos permite determinar la

profundidad a la que se alcanza la temperatura de Curie y de esta manera inferir la magnitud

del gradiente geotérmico local.

De esta forma se ha logrado la definición de la Provincia Geotérmica de Volcanismo de

Intraplaca a partir de la evidencia identificada en las anomalías encontradas en la descarga

de calor y su asociación con la presencia de eventos térmicos recientes representados por el

volcanismo alcalino. Además de contar con una descarga de calor importante, evidenciada

por un flujo de calor con valores anómalos por arriba de 180 mW/m2, las características

hidrogeológicas regionales muestran que la parte oriental de la provincia cuenta con la

recarga de la SMO y en la parte sur-oriental se tienen las cuencas de Juchipila y Rio Verde.

Esto aseguraría condiciones hidrogeológicas locales favorables para la presencia de sistemas

hidrotermales; sin embargo, sería necesario contar con estudio hidrogeológicos regionales

más recientes que analicen el estado actual de los acuíferos para dar certeza a la evaluación

del potencial geotérmico.

Esta provincia tiene características que la definen como una zona de interés que no se había

considerado en los inventarios de zonas favorables para la explotación de este recurso, pero

que debe caracterizarse adecuadamente para definir el verdadero potencial geotérmico que

contiene.

19



,19

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7. AGRADECIMIENTOS

Este trabajo fue posible gracias a la ayuda de un grupo de trabajo comprometido con la

investigación de los recursos geotérmicos de México, los nombro aquí en orden alfabético:

Claudia Arango, Marcela Errasti, Leticia Flores, Miguel Flores, Xóchitl Flores, Alejandra

Membrillo, Augusto Rodríguez y José Luis Salas. Le expreso un agradecimiento especial al

Dr. Jorge Aranda por su detallada revisión de una versión inicial de este trabajo y sus atinados

comentarios que lo mejoraron considerablemente.

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