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EL CALOR DE LA TIERRAAutor: ROSA MARÍA PROL LEDESMA COMITÉ DE SELECCIÓN EDICIONES AGRADECIMIENTOS PRÓLOGO I. LAS FUENTES DEL CALOR TERRESTRE II. LAS MINEFESTACIONES TERMALES EN LA SUPERFICIE DE LA TIERRA III. LA UTILIZACIÓN DEL CALOR TERRESTRE IV. EXPLORACIÓN DE LOS RECURSOS GEOTÉRMICOS V. MÉXICO Y SU RIQUEZA GEOTÉRMICA EPÍLOGO BIBLIOGRAFÍA COLOFÓN CONTRAPORTADA COMITÉ DE SELECCIÓN Dr. Antonio Alonso Dr. Juan Ramón de la Fuente Dr. Jorge Flores Dr. Leopoldo García-Colín Dr. Tomás Garza Dr. Gonzálo Halffter Dr. Guillermo Haro † Dr. Jaime Martuscelli Dr. Héctor Nava Jaimes Dr. Manuel Peimbert Dr. Juan José Rivaud Dr. Emilio Rosenblueth † Dr. José Sarukhán Dr. Guillermo Soberón Coordinadora Fundadora: Física Alejandra Jaidar † Coordinadora: María del Carmen Farías SIguiente EDICIONES Primera edición,1988 Quinta reimpresión, 1996 La Ciencia desde México es proyecto y propiedad del Fondo de Cultura Económica, al que pertenecen también sus derechos. Se publica con los auspicios de la Subsecretaría de Educación Superior e Investigación Científica de la SEP y del Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología. D.R. © 1988, FONDO DE CULTURA ECONÓMICA, S. A. DE C. V. D.R. © 1995, FONDO DE CULTURA ECONÓMICA Carretera Picacho-Ajusco 227; 14200 México, D.F. ISBN 968-16-2865-9 Impreso en Mexico Previo AGRADECIMIENTOS Quisiera expresar mi gratitud al ingeniero Héctor Alonso Espinoza, gerente de Proyectos Geotermoeléctricos de la Comisión Federal de Electricidad, y al personal de esa gerencia, por su desinteresada cooperación al proporcionarme datos sobre el estado actual que guarda la explotación de la energía geotérmica en México, en particular al ingeniero Arturo González, al ingeniero Antonio Razo, al físico José Luis Quijano y al ingeniero Luis Gutiérrez Negrín. También debo agradecer a Gerardo Juárez por haber efectuado una cuidadosa revisión del manuscrito original, así como a María Antonieta Arévalo, Zenón Jiménez, Marta Chávez, René Chávez y Juan D. Martínez por sus útiles sugerencias. Parte del material y las figuras fueron tomados de los apuntes del curso de diploma en geotermia del Geothermal Institute de la Universidad de Auckland (Nueva Zelanda). Los dibujos y otros materiales gráficos fueron elaborados conjuntamente por: Selma Campos, Martha Rojas, Emilio Martínez Parente, Juan M. Pérez y José Ruiz. El mapa de los volcanes activos de México se tomó de un trabajo de Ana L. Martín del Pozzo y Víctor H. Romero que está por publicarse en la revista Litósfera. PRÓLOGO En la escala de nuestra percepción difícilmente podemos notar los cambios del paisaje en el tiempo. La función de los procesos naturales de la Tierra es tan grande comparada con los tiempos sobre los cuales podemos observarlos que sólo con técnicas especiales podemos medirlos. Si pudiéramos extender nuestra capacidad de percepción a lo largo del tiempo de tal manera que consiguiéramos observar a nuestro planeta sobre miles o millones de años, nos sorprendería ver la forma dinámica en que evoluciona. Podríamos ver cómo crecen los continentes mientras se desplazan o cómo grandes extensiones suben hasta varios kilómetros de altura mientras que otras descienden por debajo del nivel de los océanos. Nos preguntaríamos entonces sobre el origen y naturaleza de esos movimientos. Si además fuéramos capaces de extender nuestras capacidades perceptivas no sólo a lo largo del tiempo, sino también hacia el interior de la Tierra, podríamos obtener evidencias de que muchos de los cambios ocurridos en la superficie son un reflejo de procesos que transcurren en las profundidades del planeta. De cierta manera, las ciencias de la Tierra, principalmente a través de la geofísica y de la geología, nos proveen de esa capacidad de extender nuestra percepción hacia el remoto pasado y hacia las partes internas de la Tierra. Así ha sido posible comprender que este planeta, como otros, ha ido evolucionando desde el momento de su formación y que esa evolución obedece ciertas reglas y principios que rigen a otros procesos que podemos estudiar de forma directa; esto es, las leyes de la física. Bajo este tipo de consideraciones es posible concebir a la Tierra como un sistema donde complejos procesos se pueden idealizar, como un transporte de calor que se traduce en movimiento; es decir, una máquina térmica. Al estudiar entonces los procesos de transporte de calor desde el interior hacia la superficie podremos comprender mejor la naturaleza de la dinámica que marca la evolución planetaria. De allí la importancia de enfocar los aspectos térmicos de la Tierra. El texto El calor de la tierra presenta algunos de los temas fundamentales del transporte de energía tanto a escala global como en niveles de mayor detalle. Es por tanto lectura de interés para los que quieren conocer mejor a la Tierra y su evolución. SERVANDO DE LA CRUZ REYNA I. LAS FUENTES DEL CALOR TERRESTRE LA TIERRA COMO FUENTE DE CALOR LA EXISTENCIA de temperaturas altas en el interior de la Tierra ha sido supuesta desde tiempos antiguos con base en observaciones en la superficie. Los volcanes, manantiales termales y otras manifestaciones superficiales del calor encerrado dentro de la Tierra han sido las evidencias de que la temperatura en su interior debe ser mucho más alta que la que se tiene en la superficie. Por otra parte, desde antes que se contara con la tecnología de perforación de pozos, ya el hombre se había dado cuenta que al internarse en grutas o minas que descendían a profundidades considerables, la temperatura aumentaba. En este siglo se comenzaron a hacer mediciones en pozos de la variación de la temperatura con la profundidad y se observó que en zonas "normales", o sea donde no existen manifestaciones termales superficiales, la temperatura en la corteza de la Tierra aumenta a una razón de 30°C por kilómetro. Esto nos indica que en alguna parte en el interior de la Tierra existe una fuente de calor que lo irradia hacia la superficie. Ahora nos queda otra interrogante: ¿de dónde viene este calor? Y esta pregunta nos lleva a los tiempos de la formación de la Tierra. Una de las hipótesis más aceptada (ya que difícilmente puede ser comprobada) acerca de la formación del sistema solar, es la que afirma que éste evolucionó a partir de una acumulación de polvo cósmico (nebulosa), que al compactarse en presencia del campo gravitacional del Sol formó los diferentes cuerpos que componen el sistema solar. Según esta hipótesis, las características de los planetas quedaron determinadas por su masa inicial y su distancia al Sol. Al irse compactando, la masa de estos "protoplanetas" aumentaba cuando otras partículas chocaban contra ellos y se les anexaban, lo cual hacía que aumentara también su temperatura. Ésta fue una de las fuentes iniciales del calor de la Tierra, pero al ir evolucionando ésta, otras fuentes hicieron su aparición. Una vez que el planeta como tal estuvo formado, esto es, cuando atrapó las partículas que se encontraban en la misma órbita, sucedió un cataclismo conocido como diferenciación gravitacional y que fue simplemente el hundimiento de los elementos más pesados y el transporte a la superficie de los más ligeros, ya que al formarse el planeta todos los elementos se hallaban distribuidos al azar, en la forma en que se fueron agregando. Esta redistribución de los elementos se llevó a cabo con una gran liberación de energía por fricción, lo que provocó un aumento en la temperatura y la fusión de la mayor parte del material que formaba la Tierra. A partir de este proceso, la estructura de la Tierra sufrió una estratificación, formando una serie de capas concéntricas (Figura 1), las cuales han sido determinadas por medio de datos sismológicos que también han sido útiles para determinar sus características fisicoquímicas. Figura 1. Estructura interna de la Tierra con las capas determinadas por medio de datos sismológicos. Las principales capas que conforman la Tierra son tres: corteza, manto y núcleo, sus espesores son variables pero en promedio tienen valores de 30, 2 900 y 3 500 kilómetros respectivamente. A su vez, las dos últimas se subdividen en: manto superior e inferior y núcleo externo e interno. Debido al mecanismo por el cual se formaron, las capas externas son más ricas en minerales compuestos por sílice y aluminio, y a medida que aumenta la profundidad aumenta también el contenido de fierro y magnesio, que son elementos más pesados, hasta llegar al núcleo que se supone está formado principalmente por fierro y níquel. Como ejemplo de rocas formadas por minerales con alto contenido de sílice y aluminio tenemos las arcillas y el granito, siendo este último el tipo de roca predominante en la corteza de tipo continental. Entre las rocas formadas en proporciones significativas por minerales ferromagnesianos tenemos el basalto, la olivina y la peridotita; el basalto es la roca que forma la corteza de tipo oceánico y tanto a la olivina como a la peridotita se les encuentra formando la base de la corteza y el manto superior. Poco a poco la corteza terrestre se fue enfriando hasta solidificarse; sin embargo las capas interiores no se enfriaron tan rápidamente, en gran parte debido a que la corteza es muy mala conductora del calor y actúa como un aislante para las capas interiores, que de esta forma pueden mantener temperaturas altas. Además de evitar que el calor del interior de la Tierra escape, la corteza es en parte generadora de calor adicional debido a la presencia de una gran cantidad de elementos radiactivos en ella. Podría parecer paradójico que los elementos radiactivos hayan permanecido en las capas más superficiales de la Tierra a pesar de ser elementos pesados, sin embargo es posible encontrar una explicación a esto al observar que los elementos radiactivos generalmente se combinan con otros elementos para formar compuestos ligeros, siendo ésta la forma como fueron transportados a las capas superiores. En la actualidad se les encuentra principalmente en la corteza terrestre y en menor concentración en el manto superior. Los principales elementos productores de energía por decaimiento radioactivo son el uranio, el tono y el potasio. A estos elementos se les encuentra en concentraciones significativas en rocas graníticas, las cuales forman la parte superior de la corteza continental que en algunos lugares montañosos llega a tener más de 50 kilómetros de espesor y puede llegar a producir casi 10 microcal/g/año (una caloría es la cantidad de calor que se necesita para elevar la temperaura de un gramo de agua de 14.5 a l5.5°C). Por su parte, la corteza oceánica y la parte inferior de la corteza continental, que son de tipo basáltico, generan solamente cerca de 1 microcal/g/año, la décima parte de lo que produce el granito. El manto superior, formado en su mayor parte por peridotita, también va a producir una pequeña cantidad de calor de aproximadamente 0.01 microcal/g/año. De acuerdo con estas cifras la producción de calor de la corteza y el manto sería de un poco más de 1.5 x 10 13 cal/seg, lo que hace un total de 4.7 x 10 20 cal/año. Para tener una idea de lo que esto significa, es necesario hacer una equivalencia: 4.7 x 10 20 calorías es el equivalente a la energía liberada por la explosión de casi medio millón de bombas nucleares de 1 megatón (la bomba atómica que destruyó Hiroshima fue de 20 kilotones). Las fuentes que generan el calor proveniente del interior son las que hemos mencionado. Sin embargo existen otras, como las mareas terrestres, el choque de meteoritos y la atracción gravitacional del Sol y la Luna generan el 10% del total del calor de la Tierra. Además de causar las mareas oceánicas, los esfuerzos generados por la atracción gravitacional deforman la parte sólida de la Tierra y aunque estas deformaciones son del orden de una parte en un millón, ocasionan un desplazamiento de cerca de 30 cm en la superficie terrestre. Por otra parte, la energía solar que recibe la Tierra es de casi 10 24 cal/año. MECANISMOS DE TRANSPORTE DE CALOR EL transporte de calor en el interior de la Tierra se lleva a cabo por medio de tres mecanismos: conducción, convección y radiación; sin embargo, los tres tienen diferente grado de importancia en las diferentes capas: en la corteza el principal medio de transporte de calor es la conducción mientras que en el manto lo es la convección y radiación. Pero antes de describir lo que sucede en la Tierra es necesario explicar cómo funciona cada uno de ese tipo de mecanismos, para después establecer cómo es que influyen en la disipación de la energía contenida en el interior de la Tierra y por lo tanto determinar su contribución al enfriamiento de ésta. La conducción es la forma como se transporta el calor de un cuerpo más caliente a uno más frío con el cual se encuentra en contacto. La eficiencia de ésta depende de una propiedad de los materiales que se llama conductividad térmica y que nos dice cuál será la diferencia de temperatura provocada por un flujo de calor: a mayor conductividad menor será la diferencia de temperatura a través del material. Un ejemplo de buen conductor lo es una barra de metal, la cual al ser calentada en uno de sus extremos inmediatamente conducirá el calor hasta el otro extremo. Por otro lado, un ejemplo de mal conductor lo sería la madera, la cerámica y el aire. La convección es un proceso un poco más complejo que se da solamente en fluidos (líquidos y gases). Al ser calentada la parte inferior de un fluido, ésta se expanderá y se volverá menos densa que la parte superior más fría, por lo cual tenderá a subir, con lo que la parte fría quedará ahora en contacto con la fuente de calor repitiéndose de esta forma el proceso y dando origen a lo que se llama celdas de convección, en las cuales existen corrientes ascendentes y descendentes. Este mecanismo se va a generar a partir de un cierto valor de la diferencia de temperatura y depende de la viscosidad y densidad del fluido. La radiación es una forma de transporte de calor que es importante a temperaturas altas; en realidad todos los cuerpos que tienen temperatura por arriba del cero absoluto (cero grados Kelvin o — 273.15°C) emiten radiación, pero la frecuencia de la radiación emitida es proporcional a la temperatura del material: los seres humanos emitimos radiación en el infrarrojo y un trozo de hierro calentado a temperaturas muy altas empezará a emitir en el espectro visible. De esta forma observamos que el transporte de calor en el interior de la Tierra va a depender de la temperatura y de las características del material. La corteza se comporta como un sólido y tiene temperaturas relativamente bajas. El manto se comporta como un fluido y como la convección es mucho más eficiente en este caso, ése es el principal medio de transporte, aun cuando las temperaturas relativamente altas hacen posible que la energía también se transporte por medio de la radiación. Sin embargo, el transporte de calor desde el interior hacia la superficie no es el único mecanismo de disipación de energía. La continua creación y destrucción de montañas consume 2.4 x 10 16 cal/año, los sismos liberan 2.4 x 10 18 cal/año (26 x 10 10 kilowatts-hora/año), los 800 volcanes activos que existen en la Tierra producen cerca de 1 km 3 de lava por año, o sea 1.2 x 10 16 cal/año y para efectos de comparación con los mecanismos de disipación de calor, diremos que cada año la Tierra pierde 2 x 10 20 cal por conducción a través de su superficie. No obstante que la principal forma de transporte de calor en la corteza es la conducción, esto no excluye que existan algunas áreas en las cuales el calor se transmite principalmente por convección, aprovechando zonas de debilidad en la roca sólida que forma la corteza (fallas, fracturas, etc.). A través de esas zonas van a ascender fluidos calientes que provienen de diferentes profundidades y pueden tener características distintas: pueden ser rocas fundidas generadas en la base de la corteza, o bien pueden estar constituidos principalmente por agua originada en la superficie de la Tierra y que ha penetrado hasta profundidades donde se ha calentado por contacto con rocas a alta temperatura, de tal forma que vuelve a ascender a la superficie transportando parte de la energía del interior. Estas formas de transporte de calor en la corteza han sido observadas directamente; en cambio, las formas en que se transporta el calor debajo de la corteza han tenido que ser inferidas a partir de evidencias superficiales. La existencia de la convección en el manto ha sido apoyada en particular por la comprobación de la migración de los continentes. Estos hechos han sido las bases para la elaboración de la teoría de la tectónica de placas, la cual explica la mayor parte de los fenómenos geológicos observados. A pesar de los factores que sirven como comprobación indirecta de la existencia de convección en el manto, aún existen interrogantes respecto a este fenómeno: ¿cuál es su extensión? ¿Alcanza la totalidad del manto o sólo una parte de éste? ¿Es éste un fenómeno continuo o se lleva a cabo sólo durante ciertos periodos de tiempo?, etc. Estas son preguntas que quedan para ser contestadas por las futuras generaciones de científicos dedicados a las ciencias de la Tierra. LA TEMPERATURA EN EL INTERIOR DE LA TIERRA Al penetrar en la corteza de la Tierra se observa un cambio en la temperatura, en general ésta aumenta; a esa variación de la temperatura con la profundidad se le llama gradiente geotérmico. El valor del gradiente geotérmico en la corteza terrestre varía mucho de un lugar a otro: se han llegado a medir gradientes de sólo 10°C por kilómetro, mientras que en algunas zonas se han observado variaciones de la temperatura de 200 y hasta 800°C/km. Sin embargo, la mayoría de las zonas del planeta en las que no se tienen anomalías térmicas se agrupan alrededor de un promedio de 25 a 35°C/km, a este valor se le considera el gradiente geotérmico normal. Esto es en cuanto a la corteza, pero para determinar o estimar la variación de la temperatura dentro del manto se requiere de algunas hipótesis. El flujo de calor en la superficie de la Tierra se calcula como el producto del gradiente geotérmico por la conductividad térmica de las rocas (Figura 2), siendo estos dos parámetros determinados directamente. El gradiente geotérmico se determina midiendo la temperatura a lo largo de pozos suficientemente profundos para evitar las perturbaciones en las capas superficiales (hasta 200 m) provocadas por las variaciones diurnas y estacionales de temperatura, así como por el flujo de aguas subterráneas. Estos factores no afectan las mediciones hechas en el océano, ya que la temperatura del fondo marino es prácticamente constante, por lo cual sólo se necesita una sonda de dos a cinco metros de longitud, con sensores de temperatura distribuidos a lo largo de ella, la cual penetra los sedimentos del fondo oceánico (Figura 3). La determinación de la conductividad térmica se lleva a cabo en el laboratorio, en muestras de las rocas en las que se midió el gradiente geotérmico. Estas muestras se someten a un flujo de calor conocido, el cual va a generar una diferencia de temperatura a lo largo de la muestra, de tal forma que entre mayor sea esta diferencia de temperatura, menor será la conductividad térmica de la muestra. En la figura 2 se ve que si conocemos el flujo de calor en la superficie, basta con restarle el calor producido en la corteza para conocer el flujo de calor que proviene del manto y de esta forma extrapolar el valor de la temperatura en la base de la corteza; sin embargo, a partir de esa profundidad, hay otros mecanismos de transferencia de calor aparte de la conducción y no es posible actualmente cuantificar las contribuciones particulares de cada uno de ellos. Debido a esto, las principales evidencias de la temperatura en el interior de la Tierra provienen de las diferencias en las velocidades de propagación de las ondas sísmicas en las diferentes capas que forman el planeta. Con estos datos se pueden establecer una serie de discontinuidades que determinan la frontera entre las capas y nos pueden ayudar a establecer las temperaturas más probables a esas profundidades: Tipo de roca Profundidad (Km) Producción de calor en la capa (10- 13 cal/seg.cm3) Flujo de calor de la base de la capa (mcal/cm2.seg) Temperatura en la base de la capa (°C) Granito (Corteza superior) 0 - 16 4.8 2 600 Gabro (Corteza inferior) 16 - 40 1.9 1 1100 Olivina - Gabro (corteza inferior) 40-60 1.0 0.8 1300 Peridotita (manto superior) 60 - 100 0.2 0.6 1600 Figura 2. Flujo de calor debido al transporte por conducción en las capas que forman la corteza y parte del manto superior en una región continental montañosa. Figura 3. Técnicas de medición de flujo de calor en el océano. —Hasta una profundidad de 100 km el comportamiento del material se asemeja al de un sólido. Esta capa es denominada litósfera y comprende la corteza y parte del manto superior. —A partir de 100 km y hasta aproximadamente 300 km, un decremento en las velocidades sísmicas indica la presencia de zonas de fusión parcial, lo cual requiere que las temperaturas sean de 1 000 a 1 200°C. Figura 4. Variación de la temperatura en el interior de la Tierra (línea punteada), con base en datos sismológicos y propiedades de minerales a diferentes presiones y temperaturas. —A los 400 y 700 km de profundidad se observan dos incrementos en las velocidades sísmicas, que de acuerdo con experimentos de laboratorio, corresponden a cambios de fase que tienen lugar a 1 500 y 1 900°C respectivamente. —A los 2 900 km se ha observado que no se propagan las ondas sísmicas transversales, mismas que no se transmiten en líquidos, de donde se infiere la fusión de lo que se denomina núcleo exterior y la existencia a esta profundidad de temperaturas del orden de 3 700°C. La reaparición de este tipo de ondas a los 5 100 km indican a esa profundidad temperaturas por debajo del punto de fusión (4 300°C) del material que forma el núcleo interior y del cual se supone que está constituido principalmente por fierro. Aun cuando todavía faltan por esclarecer muchos detalles, con base en esos datos y suponiendo que hay una variación continua de la temperatura con la profundidad, es posible establecer una curva hipotética de la temperaura en el interior de la Tierra, la cual tendría aproximadamente las características de la que se muestra en la figura 4, de donde la temperatura en el núcleo interior de la Tierra sería de alrededor de 4 000°C. ELEMENTOS BÁSICOS DE TECTÓNICA DE PLACAS Las características que presenta el transporte de calor en el interior de la Tierra determina los fenómenos geológicos que observamos en la superficie, o por lo menos esa es la hipótesis de la teoría de tectónica de placas. Ésta afirma que el motor generador de todos los acontecimientos geológicos es la convección del material del manto, que se comporta como un fluido de alta viscosidad. Dicha viscosidad se puede definir como la resistencia de un fluido a fluir y su unidad es el poise. En el caso del material del manto, su viscosidad es muy grande (del orden de 10 20 poises; como comparación, la viscosidad del agua es de 0.01 poises y la del mercurio es 0.02 poises), esto hace que para esfuerzos aplicados en tiempos cortos (ondas sísmicas y esfuerzos por la atracción de la Luna) la Tierra se comporte como un sólido elástico; sin embargo, para esfuerzos con periodos de millones de años, como los provocados por la convección en el manto, éste se va a comportar como un fluido. La corteza terrestre y una parte del manto superior componen la "costra" fría, que se forma en la superficie de las corrientes de convección al entrar en contacto con la atmósfera. Esta generalmente se encuentra a un promedio de 0°C (con una variación de aproximadamente 30°C) lo cual implica una diferencia mayor de 600°C con las temperaturas más bajas del manto. Este decremento en la temperatura del material que surge del manto hace que se solidifique en las partes más superficiales y esta solidificación alcanza una profundidad de alrededor de 100 kilómetros. A esta capa con características correspondientes a un sólido se le llama litósfera y se localiza sobre una capa de menor viscosidad que presenta fusión parcial, denominada astenósfera, que se comporta como un fluido viscoso. Debido a la circulación provocada en las celdas de convección, se observa que el material del manto asciende en algunos lugares y se hunde en otros; la extensión de la litósfera entre la parte en que ésta se crea y aquella en que se destruye es denominada placa. Hasta la fecha se ha determinado un conjunto de placas de diferentes tamaños que forman la superficie terrestre (Figura 5). Figura 5. Distribución en la superficie de la Tierra de las fonteras entre placas: // —centro de creación de nueva litosfera (zona de dispersión); (dibujo)—frontera destructiva entre placas (zona de subducción). La exigencia teórica de que las placas en la superficie se encuentren viajando constantemente ha sido corroborada experimentalmente. Los desplazamientos de la corteza han sido observados en la superficie después de sismos que ocurren en las fronteras entre placas, en algunos casos estos desplazamientos llegan a alcanzar varios metros de magnitud. Además de esta dramática evidencia, se ha demostrado que existen desplazamientos horizontales en las zonas de dispersión oceánica (Figura 6), donde nueva corteza se está creando al separarse dos placas y las velocidades observadas son de varios centímetros por año. Esto se basa en datos geológicos y geofísicos: las edades medidas en rocas del fondo oceánico indican que las rocas más viejas se encuentran más alejadas del centro de dispersión. También los datos magnéticos apoyan esta teoría, ya que se han localizado 'bandas magnéticas" adyacentes a las zonas de dispersión, que son originadas por las inversiones del campo magnético terrestre (Figura 7). Figura 6. Esquema que muestra un corte transversal de la Tierra mostrando el movimiento horizontal de las placas y los fenómenos a que este movimiento da lugar, sobre todo en las fronteras entre placas. Figura 7. Sección transversal de una zona de dispersión, en la cual se muestra el proceso de creación de nueva corteza terrestre a través de la intrusión de diques y la consiguiente formación de las "bandas magnéticas". El campo magnético de la Tierra se invierte con una periodicidad promedio de 500 000 años (aunque la variación en los periodos de inversión es bastante grande). La última inversión fue hace aproximadamente 700 000 años, cuando lo que ahora conocemos como polo norte magnético era el polo sur y viceversa. La causa de este fenómeno aún no ha sido explicada completamente, pero se le ha relacionado con algún efecto de corrientes de convección en el núcleo líquido de la Tierra. El hecho es que estas inversiones han sido grabadas por las rocas, que al solidificarse adquieren la dirección del campo magnético terrestre en ese momento. De esta forma, sobre la zona de dispersión se van a encontrar las rocas que se han solidificado más recientemente y presentan un magnetismo concordante con el campo magnético en ese momento. Al ser separadas por una nueva intrusión de material magmático, si el campo magnético se ha invertido para ese momento, las nuevas rocas adquirirán un magnetismo contrario a las anteriormente solidificadas. De esta forma se van a formar bandas simétricas a ambos lados del eje de dispersión marcando los cambios en la polaridad del campo magnético. Entre las zonas de dispersión mejor estudiadas se encuentra la Cordillera Oceánica del Atlántico, la cual lo recorre de Norte a Sur por su parte central y la de la parte este del Océano Pacífico, especialmente en la zona ecuatorial, que incluye las islas Galápagos. (Figura 5). Si la corteza que se crea en las zonas de dispersión no se destruyera en algún lugar, esto significaría que la Tierra aumentaría de tamaño en la misma proporción en la que la corteza se está creando (varios centímetros por año). Esto no se observa, pero lo que sí se ha determinado es que hay lugares donde las placas chocan (zonas de subducción) y una de ellas se hunde en el manto, donde se calienta y se funde para completar el ciclo de las celdas de convección (Figura 6). Estas zonas se caracterizan por una alta sismicidad y porque los focos de los sismos se encuentran alineados en un plano que corresponde a la placa fría que se hunde en el manto. El desplazamiento de la placa subducente, además de provocar sismos, genera un movimiento dentro del manto que resulta en ascenso del material de éste. Al encontrarse a una menor profundidad, la presión es menor y la temperatura del material que ascendió sobrepasará el punto de fusión de ese material, disminuyendo su densidad en relación con las rocas circundantes y provocando un aumento en su flotación. El resultado de este proceso es la ascensión de una intrusión magmática que podrá generar actividad volcánica en la superficie. La correlación de los diversos procesos mencionados provoca que las zonas de subducción presenten fajas sísmicas y volcánicas bien definidas, como las que se observan en la costa del Pacífico en Centroamérica y una parte del Suroeste de México. Podría pensarse que las fronteras entre placas se reducen a las que implican creación o destrucción de litósfera. Sin embargo, existe un tipo más de frontera en el cual ni se crea ni se destruye litósfera, sino que dos placas o trozos de una misma placa "resbalan" horizontalmente entre sí y esto es lo que se llama una falla transformada (Figura 6). Uno de los ejemplos más conocidos es el de la Falla de San Andrés que ha provocado impresionantes desplazamientos horizontales en California y uno de los sismos generados por el movimiento de las placas a lo largo de esta falla causó en 1906 la destrucción de la ciudad de San Francisco, EUA. Existen además algunas áreas restringidas que presentan un adelgazamiento de la corteza por el ascenso de material del manto, que sin embargo no llega a constituir una celda de convección. A estas áreas se les denomina "puntos calientes" (hot spots) y el ejemplo más conocido es el de las islas Hawaii. Al irse desplazando la litósfera por encima de un punto caliente, éste va dejando su huella en forma de una cadena montañosa compuesta por volcanes extintos (Figura 6). De los tres tipos de frontera entre placas, son las zonas de dispersión y subducción las que más importancia tienen en el transporte de calor del interior a la superficie de la Tierra. Es en estas zonas, además de los puntos calientes, en donde se van a localizar la mayoría de las manifestaciones superficiales del calor interno de la Tierra, a las cuales dedicaremos el siguiente capítulo. II. LAS MINEFESTACIONES TERMALES EN LA SUPERFICIE DE LA TIERRA LAS manifestaciones termales superficiales son la prueba visual del calor encerrado en el interior de la Tierra, pero además de esto, la espectacularidad que las caracteriza les añade un valor estético que ha hecho que en muchos países se considere parques nacionales a las zonas que las contienen; uno de los ejemplos más conocidos lo tenemos en Yellowstone (Oregon, EUA), la cual es probablemente una de las zonas geotérmicas más grandes del mundo y en donde se puede encontrar casi todo tipo de manifestaciones termales superficiales: manantiales, géiseres, fumarolas, pozas de lodo, terrazas de sílice, pozas calientes, suelos vaporizantes, etcétera. Además de estas manifestaciones, a las que se les denomina hidrotermales, puesto que implican la descarga de agua o vapor, se tienen los volcanes, los cuales en lugar de agua arrojan lava, que es una mezcla de roca fundida, gases y vapor a temperaturas generalmente mayores de 600°C (cuando la lava se encuentra aún en el interior de la Tierra se le llama magma). La distribución de manifestaciones termales en la superficie de la Tierra no es uniforme y obviamente está relacionada con zonas de actividad tectonovolcánica reciente en términos geológicos, lo cual quiere decir que esta actividad ha tenido lugar en los últimos cientos de miles de años. Esta actividad proveerá de la fuente de calor indispensable para que se tengan manifestaciones termales. En la actualidad, las principales zonas donde el calor del interior se manifiesta en la superficie están circunscritas a las fronteras entre placas que pueden ser constructivas o destructivas (Figura 8). Estas fronteras se caracterizan por contener áreas en las que el material del manto se desplaza hacia la superficie y como se encuentra a mayores temperaturas que la de la corteza, da origen a zonas anómalas y por lo tanto a manifestaciones superficiales. En este capítulo se describirán cada una de las manifestaciones ya mencionadas y se verá su importancia en cuanto a descarga de energía se refiere. Puesto que éstas se encuentran relacionadas con sistemas geotérmicos a profundidad, también se tratarán éstos al final del capítulo. MANANTIALES TERMALES Éste es un término que aparentemente no necesita una definición especial, ya que en nuestro país la mayoría de la gente ha estado alguna vez en contacto con manantiales termales en balnearios o bien ha tomado aguas minerales que provienen de éstos. Sin embargo, este término ha tenido que ser definido en forma un poco más precisa, ya que lo que en nuestro país sería un manantial frío (a unos 20°C) en Siberia podría ser un manantial termal. Finalmente se ha llegado a una definición más general: manantial termal es aquel que descarga agua a una temperatura por lo menos 5°C más alta que la temperatura media anual del lugar. Los manantiales termales son las manifestaciones superficiales más difundidas en todo el mundo (Figura 9), presentan también una gran variedad tanto en temperatura como en composición química y de acuerdo con estas características se les clasifica como sigue: pueden ser de alta o baja temperatura (si ésta es mayor o menor de 50°C) y dependiendo del tipo de agua que descargan se les denomina como ácidos (Figura 10), alcalinos o neutrales si su pH es menor, mayor o igual a 7 respectivamente (por ejemplo, el pH del vinagre es 4.6, el del limón es 3.1, una solución de amoniaco tiene un pH alcalino de 9 y una de sosa cáustica de 14). A los manantiales termales también se les denomina como bicarbonatados, sulfatados o clorurados si en la composición del agua predominan los bicarbonatos, los sulfatos o los cloruros. Muchas de las aguas minerales que se utilizan para consumo humano son de tipo sódico o cálcico-carbonatado ya que el compuesto que predomina es el bicarbonato de sodio o de calcio. Figura 8. Localización de los principales sistemas geotérmicos: 1. Meager Mt.; 2. Los Geysers; 3. Yellowstone; 4. Salton Sea; 5. Cerro Prieto; 6. Los Humeros; 7. La Primavera; 8. Los Azufres; 9. Ahuachapan; 10. Momotombo; 11. Bouillante; 12. El Tatío; 13. Krafla; 14: Namafjal; 15. Svartsengi; 16. Larderello; 17. Makhashcala; 18. Kizildere; 19. Puga; 20. Aluto; 21. Langano; 22. Olkaria; 23. Pauzhetskiy; 24. Matzukawa; 25. Otake; 26. Tatun; 27. Makban; 28. Tiwi/Bacman; 29. Tongonan/Palinpinon; 30. Dieng; 31. Kawah Kamodjang; 32. Broadlands; 33. Wairakei. Figura 9. Manantiales hidrotermales ácidos en la orilla del lago Rotokawa, Nueva Zelanda. Figura 10. Manifestaciones termales de tipo ácido en el campo geotérmico de Los Azufres, Michoacán, México. Los análisis químicos de las aguas de manantiales termales revelan que éstas poseen una gran cantidad de compuestos (Figura 11), los cuales van siendo disueltos por el agua en su paso por las capas de rocas. Al pasar por rocas que se encuentran a temperaturas elevadas, las aguas subterráneas se van a calentar, sirviendo de esta forma como un medio para el transporte del calor de profundidades someras a la superficie. Al aumentar su temperatura, el agua aumenta su capacidad de disolver algunos minerales como el cuarzo (Si0 2 ), al mismo tiempo que disuelve menos algunos minerales como la calcita (CaCO 3 ). Así es posible inferir la temperatura del agua a profundidad simplemente sabiendo la concentración de diferentes compuestos. Si el sílice es abundante, entonces la temperatura a la que estuvieron en contacto las rocas y el agua debió haber sido alta; en cambio si los carbonatos tienen concentraciones altas, la temperatura necesariamente habrá sido baja. La forma como alcanzan las aguas termales la superficie también es un factor importante que influye en su composición. Cuando el agua tiene temperaturas elevadas a profundidad, algunas veces alcanza el punto de ebullición antes de llegar a la superficie, entonces el que asciende es solamente el vapor que se desprende y que es muy rico en gases como bióxido de carbono y ácido sulfhídrico. Estos gases se oxidan al mezclarse con aguas subterráneas frías dando origen a manantiales ácidos. Las aguas ácidas tienen un gran poder corrosivo y van disolviendo la roca circundante, por lo que los manantiales ácidos en general presentan un aspecto lodoso, mientras que los manantiales neutros o alcalinos son caracterizados por la descarga de aguas relativamente claras. Manantial Edo. T ° C Na K Ca Mg Sio 2 Cl SO 4 HCO 3 Ojo Caliente Ags. 39 136 11 66 8 52 21 85 414 Tolimán Chis. 72 2 285 373 28 61 246 3 794 653 1 575 Ixtapan de la Sal Mex. 38 1 610 114 161 53 39 2 128 43 1 546 Ajacuba Hgo. 45 375 48 148 72 39 109 978 863 Agua Hedionda Mor. 26 128 12 212 93 75 10 726 563 El molote Nay. 90 83 3 2 0.008 91 43 35 62 San Lorenzo Pueb. 26 165 14 15 26 58 150 108 312 El Gogorrón S.L.P. 41 71 2 27 0.007 81 10 15 222 Puruándiro Mich. 81 328 9 26 1.2 74 292 64 282 Hervores de la Vega Jal. 94 629 56 59 1.3 147 609 485 189 Figura 11. Composición típica de algunos manantiales termales (las concentraciones están dadas en mg/l). A diferencia de otras manifestaciones, los manantiales termales no necesariamente se encuentran relacionados con zonas de vulcanismo reciente (aunque la mayoría de los manantiales de alta temperatura si lo está). Debido al aumento de la temperatura hacia el interior de la Tierra, a una profundidad de 3 km se encontrarán emperaturas de más de 100°C y por lo tanto el agua que circule a grandes profundidades sufrirá un aumento en su temperatura, de tal forma que al alcanzar la superficie lo hará en forma de un manantial termal. En muchos lugares como Hungría, Francia y China existen manantiales relacionados con circulación profunda de aguas subterráneas. GÉISERES Y FUMAROLAS Los géiseres son de las manifestaciones superficiales más espectaculares, pero desafortunadamente no son muy numerosas: existen sólo cerca de 400 géiseres en todo el mundo. Esto se explica porque para que existan se deben conjuntar diversos factores. Esencialmente, un géiser es un manantial termal que periódicamente se vuelve inestable hidrodinámica y termodinámicamente. Figura 12. Erupción del Gran Geyser (Islandia). A diferencia de los manantiales termales, para los que sólo se necesita una fuente de calor, agua y un canal permeable que la lleve a la superficie después de ser calentada, un géiser requiere además de los siguientes factores: un lugar donde el agua se caliente mientras alcanza la temperatura necesaria para provocar la inestabilidad; una abertura del tamaño óptimo, a través de la cual se lance el agua, y canales subterráneos para traer agua de recarga después de cada erupción. Como se puede ver, tener esta combinación no es fácil. Un géiser hará erupción cuando una parte del agua que tiene almacenada sea sobrecalentada y ocurra una generación de vapor relativamente cerca de la abertura superficial. Es importante hacer notar que la transformación de un gramo de agua a vapor puede liberar tanta energía como la detonación de un gramo de explosivos, ya que el volumen del agua en la forma de vapor ocupa 1 500 veces el volumen de su fase líquida, la cual es la misma relación que guardan los explosivos sólidos con los gases que generan (Figura 12). Como ya se mencionó, los géiseres son más bien fenómenos poco frecuentes y se les encuentra en número considerable sólo en unos cuantos países, como son: Estados Unidos, Islandia, Nueva Zelanda, la Unión Soviética y Japón. Pero también existen algunos géiseres aislados en: Chile, México, África, las islas Azores, Indonesia y la República Popular China. Desafortunadamente, el delicado equilibrio de factores que da origen a un géiser se puede ver alterado por la acción de los seres humanos sobre el medio ambiente; por ejemplo, la sobreexplotación de acuíferos para la extracción de agua puede originar un descenso en los niveles del agua subterránea, lo cual puede hacer que disminuya la recarga hacia el géiser. Ese ha sido el caso en muchos países, entre ellos México. Tres ejemplos trágicos se tienen en Nueva Zelanda, donde la explotación de aguas termales para la producción de energía eléctrica y para calefacción ha provocado la extinción de géiseres en Wairakei y en Rotorua; por otra parte, en la zona geotérmica de Orakei-Korako, la construcción de una presa para una planta hidroeléctrica provocó la desaparición de un gran número de géiseres al inundar la zona geotérmica en que se encontraban. También en Estados Unidos la perforación de pozos para el uso de la energía geotérmica afectó la zona de géiseres en Beowawe, Nevada. Aunque parezca sorprendente, también se tiene el caso contrario, en Japón se han creado muchos géiseres artificiales a través de la perforación de pozos en zonas geotérmicas, por ejemplo en Onikobe. Cuando la descarga de agua, vapor y gases es constante y no intermitente, lo que se tiene es una fumarola. Algunas veces estas fumarolas presentan alrededor depósitos importantes de azufre y en este caso su nombre cambia a solfataras y cuando la fumarola es más bien rica en ácido bórico, se le llama sofioni. VOLCANES Los volcanes son las manifestaciones termales que además de ser espectaculares encierran un gran peligro para la humanidad en forma de erupciones violentas que tienen la capacidad de destruir ciudades enteras en periodos cortos de tiempo, no dando oportunidad en la mayoría de los casos de salvar a la población. Desde la prehistoria el hombre ha sido víctima de las erupcione de los volcanes y ha pasado, en su actitud hacia ellos, del asombro, el miedo y la deificación, a la observación científica, encontrando explicaciones para su actividad y teniendo como meta final la prevención de los periodos de actividad y el aprovechamiento de la enorme energía liberada por los volcanes, que han inspirado leyendas, religiones y artículos científicos. En este caso nos limitaremos a tratarlos como una de las manifestaciones superficiales del calor terrestre. Los volcanes han sido la causa de muchas de las más grandes catástrofes en la historia de la humanidad. La energía que liberan en cada erupción es inmensa, por ejemplo: la erupción del Kilauea en 1952 disipó una energía calorífica equivalente a 1.8 x 10 24 ergs, ésta es equivalente a dos quintas partes de los requerimientos de energía en Estados Unidos por un periodo igual al de la erupción. Es por esa razón que algunos científicos consideran a los volcanes como una posible fuente de energía para el futuro, cuando se tenga la tecnología que haga posible su aprovechamiento. Antes de comenzar a describir los volcanes es necesario definir qué es un volcán. Esto no es fácil de hacer, ya que existen muchos tipos de volcanes y para definirlos en general se tienen que determinar los rasgos esenciales comunes a todos ellos. En general se puede definir a los volcanes como la salida a la superficie del magma, o sea de la mezcla de roca fundida, vapor de agua y gases. Se podría pensar que un volcán es una montaña que arroja lava, pero éste no es más que un tipo particular de volcán, el más conocido; sin embargo, hay volcanes que no son más que una grieta o bien, una depresión en la superficie de la Tierra. La forma de un volcán va a depender del tipo de erupciones; por lo tanto una forma de clasificar a los volcanes es de acuerdo a éstas, pero como a su vez el tipo de erupción depende de las características químicas del magma, otra clasificación se puede hacer con respecto al tipo de material que arrojan. En este aspecto, se puede encontrar un paralelismo entre un volcán y un manantial termal, ambos arrojan fluidos calientes a la superficie (magma y agua respectivamente) y se pueden clasificar de acuerdo a su composición química. Tipo de roca Contenido de SiO2 Temperatura* de fusión (°C) Densidad (10 3 Kg/m³) ---- ------- Viscocsidad* de la lava (poíses). Minerales Típicos Roca - Lava Basáltica menor de 50% 1 225 2.9 2.6 10 2 Fildespatos, Piroxenos, Olivina, Oxidos Andesítica cerca de 60% aproximadamente 1000 2.6 2.4 10 5 Feldespatos, Anfíboles, Piroxenos, Micas Riolítica más de 65% 740 2.3 2.2 10 8 Feldespatos, Cuarzo, Mica, Anfíboles (*) Valores en la superficie de la Tierra Figura 13. Principales características de los tres tipos de rocas volcánicas más frecuentes. Los valores dados son aproximados y pueden variar de acuerdo con la composición particular de cada muestra de roca, Figura 14. Esquema de un corte transversal de un volcán de tipo central. Una forma simplificada de clasificar las lavas es de acuerdo a su contenido de sílice (Si0 2 ) y de minerales compuestos por fierro y magnesio. Los tres principales tipos de lavas son: riolitas, con un alto contenido de sílice (más de 60%) y un bajo contenido de minerales ferromagnesianos; andesita, con un contenido intermedio de sílice (aproximadamente 60%) y de ferromagnesianos; y basaltos, con un bajo contenido de sílice (menor de 50%) y un alto contenido de ferromagnesianos, Debido a que los minerales ferromagnesianos son generalmente de color oscuro, las rocas más claras serán las de composición riolítica y las más oscuras, las basálticas. Además de esta clasificación general existen algunas otras, más detalladas, en las cuales se toma en cuenta el contenido relativo de otros elementos como el calcio y el potasio y el grado de cristalización de la roca. Un resumen de las principales características de los tres tipos de rocas está dado en la figura 13. De acuerdo a su forma, los volcanes se pueden dividir en dos tipos: los centrales y los de fisura. Los centrales son los más conocidos, en ellos el magma alcanza la superficie a través de un canal vertical o cráter, al salir éste se va apilando y forma lo que se llama un edificio volcánico, el cual según las circunstancias de su formación va a tener forma cónica o alguna otra forma parecida de acuerdo a su historia eruptiva (Figura 14). Volcanes de este tipo son el Fujiyama, el Vesubio, el Popocatépetl, etc., y se les puede localizar en cualquier lugar del mundo independientemente de su entorno geológico. Además de la variedad en su distribución, las características químicas de este tipo de volcanes tienen un rango muy amplio en su variación, siendo posible encontrar entre sus productos desde rocas riolíticas hasta basálticas. Por otra parte, los volcanes de fisura están relacionados con zonas de tensión en la corteza que van a provocar fracturas verticales por las que el magma va a ascender formando diques, consiguiendo en algunos casos llegar hasta la superficie y formar así los volcanes de fisura (Figura 15). Este tipo de volcanes va a estar restringido a áreas en las que los esfuerzos tensionales predominen, por ejemplo las cordilleras oceánicas. Las lavas que producen los volcanes de fisura son de tipo basáltico. OTRAS MANIFESTACIONES En las secciones anteriores se han descrito las manifestaciones superficiales más conocidas. Es importante hacer notar que éstas se han observado también en el fondo oceánico a varios miles de metros de profundidad, dando origen a un entorno ecológico peculiar (Figura 16). En las zonas de dispersión de la corteza oceánica (por ejemplo en el Golfo de California), se ha observado actividad magmática en forma de extrusiones e intrusiones de material ígneo que calientan el fondo marino. Una vez calentada y mezclada con vapores magmáticos, el agua asciende a través de los sedimentos poco consolidados del fondo y es arrojada en forma de manantiales termales que llegan a alcanzar temperaturas de más de 300°C. Por supuesto que al entrar en contacto con el agua fría del fondo a aproximadamente 0°C, el agua termal se va a enfriar depositando las sales minerales que lleva en solución y formando así las chimeneas que se observan en la figura 16. Además, esta agua caliente va a formar un halo de temperaturas más favorables para los seres vivos del fondo, lo que va a ocasionar que alrededor de las chimeneas se agrupen peces y moluscos, que debido a las condiciones más benignas para su crecimiento, en algunos casos presentan un mayor desarrollo en comparación con los de aguas más frías. También se han descubierto formas de vida características de estas áreas, como los gusanos-tubo y un tipo de bacterias que metabolizan hidrocarburos; ¿y por qué hidrocarburos?, pues la respuesta es sencilla, al atravesar los sedimentos, el agua caliente los "cocina" transformando algunos compuestos de éstos en hidrocarburos. En estudios hechos en la depresión oceánica localizada frente a Guaymas (Sonora, México), se han identificado más de una decena de diferentes hidrocarburos. Además de ser zonas favorables para el crecimiento de seres vivos, las áreas de actividad hidrotermal submarina tienen una gran importancia en la explotación de recursos minerales como los nódulos polimetálicos, pero este aspecto se verá con más detalle en el siguiente capítulo. Por ahora nos referiremos a algunas otras manifestaciones superficiales importantes: las pozas de lodo, las pozas calientes, y los suelos vaporizantes. Figura 15. Estructura interna que da origen a erupciones de fisura. Las pozas de lodo son básicamente manantiales termales pero con muy poca agua. En general se forman por descargas de vapor de agua caliente que se encuentra a profundidad. Este vapor es rico en ácido sulfhídrico, que va a disolver las rocas circundantes transformándolas principalmente en arcillas, ópalo y cuarzo. Estos materiales y el agua del vapor que se condensa forman el lodo, cuya viscosidad dependerá de la cantidad de agua disponible y frecuentemente se puede observar una variación estacional. El color del lodo también es variable y puede ser gris, negro, blanco y en algunos casos rojo o rosado debido a la presencia de óxidos de fierro. La coloración del lodo depende principalmente de la cantidad de azufre, ya que si éste se encuentra en grandes cantidades, va a transformar los óxidos de fierro en pirita, que es un mineral de color gris. Cuando el lodo es muy viscoso, el material que es arrojado hacia arriba se puede ir apilando hasta formar un volcán de lodo (Figura 17). Las pozas de lodo tienen generalmente temperaturas menores al punto de ebullición del agua y el burbujeo que se observa en algunos de ellos (Figura 18) se debe sobre todo al desprendimiento de gases, principalmente bióxido de carbono. Figura 16. Zona de actividad hidrotermal en el fondo del mar, a 1 997 m de profundidad en la cuenca de Guaymas, Sonora, México. La foto muestra algunos ejemplos de la fauna dominante en esos entornos ecológicos. Figura 17. Volcanes de lodo en el campo geotérmico de Cerro Prieto, Baja California, México. Las pozas calientes se forman por la acumulación del agua que arrojan uno o varios manantiales termales y se necesita que las condiciones topográficas del terreno sean favorables, esto es, que exista una depresión en el lugar de los manantiales donde el agua de éstos sea contenida como en una alberca. En algunos lugares es frecuente encontrar este tipo de depresiones relacionadas con manantiales, ya que suelen formarse como resultado de explosiones de origen hidrotermal en los canales que los alimentan. El mecanismo de estas explosiones es el mismo que ya se mencionó para explicar las erupciones de los géiseres: una inestabilidad provocada por el sobrecalentamiento del líquido, que transforma una parte de éste en vapor con la consiguiente liberación de una gran cantidad de energía. Las características químicas de las pozas calientes serán las mismas que las de los manantiales que las alimenten, por lo que se pueden tener pozas ácidas, alcalinas o neutras y el rango de temperaturas que presentan es igualmente amplio. Los suelos vaporizantes se forman por la acción del vapor que se desprende de un yacimiento en el que los fluidos alcanzan el punto de ebullición a profundidad. Las características químicas del vapor hacen que los fluidos que saturan el suelo sean más bien ácidos y por lo tanto tienden a alterar sus componentes a arcillas, que son minerales de grano muy fino y con muy poca resistencia; debido a esto y a las temperaturas que se alcanzan por estar saturados por vapor, al caminar sobre este tipo de manifestaciones se debe ser muy cuidadoso, ya que el peso de una persona fácilmente puede provocar hundimientos del suelo y a unos cuantos centímetros de la superficie se pueden alcanzar temperaturas cercanas al punto de ebullición. Los suelos vaporizantes son una de las manifestaciones superficiales más peligrosas, ya que por su aspecto es difícil alcanzar a comprender el daño que pueden causar. Por esta razón es recomendable no recorrer zonas geotérmicas sin contar con un guía que conozca la distribución de las manifestaciones termales y su peligrosidad. Figura 18. Poza de lodo en la cual se observa el desprendimiento de gases (Waiotapu, Nueva Zelanda). SISTEMAS GEOTÉRMICOS En su sentido más amplio, el término describe un sistema de transporte de calor desde una fuente a profundidad hasta una zona de descarga que generalmente es la superficie de la Tierra. Este transporte de calor usualmente se efectúa a través de un fluido geotérmico que puede ser magma, en el caso de sistemas volcánicos, o bien agua caliente o salmuera (agua con alta concentración de sales), vapor y gases en un sistema geotérmico en el sentido estricto del término. En su camino desde la fuente hacia la zona de descarga, el fluido geotérmico puede ser almacenado temporalmente en un yacimiento, que en el caso de un sistema volcánico forma la cámara magmática. Aquí al hablar de sistemas geotérmicos excluiremos a los sistemas volcánicos y nos referiremos exclusivamente a los sistemas hidrotermales, donde el agua es el fluido que efectúa el transporte de calor. Estas descargas concentradas de calor que son los sistemas geotérmicos no se encuentran distribuidos uniformente en la superficie de la Tierra, sino que están localizados preferentemente en franjas caracterizadas por ser fronteras activas entre placas, en las cuales éstas se crean o se destruyen (Figura 6). Esta actividad provoca que el material del manto tenga movimientos verticales, o sea que rocas a alta temperatura se desplacen hacia la superficie dando origen a anomalías térmicas. Como ejemplo de áreas que presentan una intensa actividad geotérmica tenemos el llamdo Cinturón de Fuego de la región circumpacífica (Figura 8), al cual pertenece la costa suroeste de México, en la que la frontera entre placas es de tipo destructivo. Un ejemplo de otro tipo de frontera (constructivo) donde se está creando corteza terrestre de tipo oceánico la tenemos en el Golfo de California, en donde se encuentra el campo geotérmico de Cerro Prieto, que tiene una de las producciones de energía eléctrica más altas en el mundo. También se tienen sistemas geotérmicos importantes en algunos lugares alejados de las fronteras entre placas, en zonas donde existen descargas concentradas de calor (puntos calientes) como en algunas islas volcánicas activas, un ejemplo muy conocido son las islas Hawaii y algunas otras del Pacífico Sur. Los sistemas geotérmicos que se han mencionado son los más potentes en términos de descarga de energía; sin embargo, también se encuentran sistemas geotérmicos con temperaturas menores en muchos lugares donde el flujo de calor tiene un valor promedio y las aguas son calentadas al circular a profundidades de más de 2 kilómetros en la corteza terrestre. Como ya se vio en el capítulo I, un gradiente normal de temperatura implica un aumento de temperatura con la profundidad de aproximadamente 30°/km; así, cuando la permeabilidad de las rocas permite que el agua circule a 3 kilómetros de profundidad, ésta alcanzará temperaturas cercanas al punto de ebullición y puede entonces ser utilizada para usos industriales y también para calefacción. Ejemplos de este tipo de sistemas se tienen en China, Austria y Francia. Un aspecto muy importante en el estudio de los sistemas geotérmicos es su clasificación. Las características que se toman en cuenta para este fin son: —la naturaleza del fluido dominante en la parte principal del yacimiento, por ejemplo: agua caliente, vapor, salmuera, etcétera. —la concentración de componentes químicos en el fluido dominante; por ejemplo, el fluido dominante en el yacimiento puede ser agua de mar diluida, con lo que la concentración de compuestos químicos en solución será muy alta. —la descarga superficial de calor; esto es, cuánto calor es transportado a la superficie por medio de las manifestaciones hidrotermales y por conducción. —la entalpia o contenido energético (calorías por gramo) del fluido descargado por el sistema. De esta forma, se puede denominar a un sistema geotérmico como de alta o baja entalpia si ésta es mayor o menor de 250 calorías/gr. La concentración de componentes químicos puede variar de menos de 0.1%, a 1% y alcanzar valores de más de 1% de sólidos totales disueltos, catalogándose como de concentración baja, intermedia o alta, respectivamente (el agua potable tiene un promedio de 0.20% de sólidos totales disueltos). Por último, la descarga superficial de energía puede ir de 500 a más de 500 000 kilowatts. Esta descarga superficial de calor está determinada por la magnitud de las manifestaciones superficiales que tiene el sistema; y al planear su explotación éste es el valor mínimo de energía que se puede obtener del sistema sin alterarlo significativamente ya que esa es su descarga natural. Las manifestaciones superficiales (y por lo tanto la descarga) del sistema van a ser afectadas fuertemente por las condiciones hidrológicas y topográficas de la zona, las cuales van a definir la recarga del sistema y la permeabilidad de las capas que forman el yacimiento. Para ejemplificar cómo influyen estos factores, en las figuras 19 (a) y (b) se muestran las secciones transversales simplificadas de dos sistemas geotérmicos: uno en terreno plano y otro en terreno montañoso. De ahí se ve claramente que aunque a profundidad ambos sistemas son equivalente, en la superficie se obtiene una diferente distribución y diferentes tipos de manifestaciones, lo cual es muy importante tomar en cuenta al estar efectuando la exploración superficial de un sistema geotérmico, como se vera en el capítulo IV. Figura 19. Esquemas de cortes transversales de sistemas geotérmicos: (a) en terreno plano y (b) en terreno montañoso. III. LA UTILIZACIÓN DEL CALOR TERRESTRE ADEMÁS de la importancia científica que tiene el estudio del calor contenido en la Tierra y del valor estético en cuanto a belleza natural de sus manifestaciones superficiales, éste es importante también como recurso energético; especialmente en las condiciones actuales de consumo creciente y la búsqueda de fuentes alternas de energía. Las manifestaciones del calor terrestre han sido utilizadas desde hace siglos tanto con fines recreacionales y medicinales, como para la extracción de los minerales que los fluidos termales arrastran y acumulan en la superficie o bien a profundidades someras. Sin embargo ha sido sólo a principios de este siglo que la explotación de los recursos geotérmicos se ha extendido y desarrollado en forma impresionante, especialmente en regiones de actividad tectónica, donde la alta temperatura de los fluidos descargados permite su utilización sobre todo en la producción de energía eléctrica, pero también para calefacción y algunos otros usos industriales. La principal restricción al uso de la energía geotérmica es la dificultad para su transporte, por lo que preferentemente se trata de transformarla a energía eléctrica. En compensación a esta deficiencia, se tiene su versatilidad para la utilización directa, lo cual se muestra en la figura 20. En esta figura se dan los usos posibles de los fluidos geotérmicos con la temperatura mínima requerida para éstos. Gracias al avance de la tecnología se han podido superar muchos problemas en la utilización de la energía geotérmica y en la actualidad es posible aprovechar sus recursos en un rango muy amplio de temperaturas, o bien explotarlos "en cascada", lo cual equivale a seguir extrayendo energía de fluidos que han pasado ya por alguna etapa de su uso: por ejemplo los fluidos que son desechados por una estación geotermoeléctrica a una temperatura de más de lOO°C, pueden aún ser utilizados para el enlatado de comida, extracción de sales y posteriormente para calefacción, refrigeración, invernaderos, etc., hasta que finalmente, ya a una temperatura menor de 30°C, sean usados en albercas para recreación o en criaderos de peces. De esta forma, se extrae el contenido energético de los fluidos geotérmicos con un máximo de eficiencia En varios países como Nueva Zelanda y Francia se implementa ya la utilización "en cascada" por ser económicamente más rentable. Es necesario aclarar que la temperatura no es el único requerimiento para el uso de la energía geotérmica, sino que para su explotación es necesario contar con los siguientes factores: la disponibilidad de suficiente fluido (agua y/o vapor) para que transporte el calor de las profundidades a la superficie, de zonas permeables que permitan este transporte y a la vez de una recarga que reemplace al fluido que es extraído. Además, es preferible que los fluidos geotérmicos estén libres de productos químicos que puedan corroer o dañar las instalaciones para su extracción y aplicación. Por supuesto que no todos los usos que se mencionan en la figura 20 son igualmente aplicados, los más extendidos en lo que respecta a cantidad de energía obtenida son: producción de energía eléctrica, calefacción, agricultura, ganadería y balneología, además de la extracción de minerales que no produce energía pero que es una utilidad muy importante de las manifestaciones termales. Estos usos son vistos con más detalle en las siguientes secciones de este capítulo. BALNEOLOGÍA La balneología es el uso más antiguo que se le ha dado a la energía geotérmica. Desde hace muchos siglos varios pueblos como los romanos, griegos, aztecas, japoneses, turcos, maoríes y algunos otros, utilizaban los manantiales termales para tomar baños, ya que las inmersiones en agua caliente son relajantes para los músculos cansados o bien ingerían las aguas del manantial, que a menudo consideraban medicinales. Sin embargo, muchas de las propiedades curativas que se les atribuyen carecen de una comprobación científica, aunque sí se sabe que algunas aguas de origen termal tienen efectos laxativos. Rango aproximado de temperatura Algunos usos de la energía geotérmica Rango de producción convencional de energía eléctrica 180 Refrigeración por evaporación de amoniaco 170 Producción de agua pesada Secado de tierras diatomáceas 160 Secado de pescado Secado de madera 150 Obtención de alúmina 140 Enlatado de alimentos Secado de productos agrícolas 130 Evaporación en el refinado de azúcar Extracción de sales por evaporación y cristalización Producción de agua potable por destilación 120 Evaporación con fines diversos 110 Secado de placas de cemento 100 Secado de materiales orgánicos (vegetales, algas, etc.) Lavado y secado de lana 90 Secado de bacalao Procesos intensivos de descongelación 80 Calefacción 70 Límite inferior de temperatura para procesos de refrigeración 60 Invernaderos y ganadería 50 Crecimiento de hongos Balneología 40 Calentamiento de suelos 30 Albercas Biodegradación Fermentación Agua caliente para trabajos de minería en climas fríos. 20 Piscicultura Figura 20. Diagrama de Lindal. En la actualidad, la balneología es uno de los usos más extendidos de los manantiales termales, ya que éstos pueden ser utilizados para este fin en un rango muy amplio de temperaturas y composiciones, lo cual no es válido para otros usos como se verá posteriormente. Las aguas de los manantiales termales se utilizan no sólo en balnearios, spas, etc. sino que también son embotelladas para consumo humano en una gran variedad de aguas minerales que se venden en todo el mundo. La balneología es considerada por muchos autores como una subutilización de la energía geotérmica, ya que esta aplicación no implica ninguna elaboración o transformación de los fluidos geotérmicos; sin embargo, este uso contribuye a la explotación de los recursos geotérmicos a nivel mundial con una cantidad importante de energía utilizada. CALEFACCIÓN La calefacción es otro de los usos que desde hace tiempo se le ha dado, en pequeña escala, a las aguas termales. El contenido energético de éstas puede ser extraido para elevar (o hacer descender) la temperatura de casas habitación o cualquier tipo de edificios a un costo mucho menor (económica y ecológicamente) del que se tendría si se utilizaran combustibles fósiles. En Estados Unidos se efectuó un estudio acerca de los usos de la electricidad y se observó que cerca del 30% del consumo de ésta se destinaba a calefacción. Al transformar la energía geotérmica en eléctrica las pérdidas son de más de un 50% en comparación con lo que se obtendría si se usara directamente la energía geotérmica para calefacción. Aguas termales con temperaturas hasta de 50°C han sido utilizadas para calefacción, por lo que se ha establecido la posibilidad de usar para este fin campos semitermales y acuíferos de relativamente baja temperatura, los cuales además presentan generalmente la ventaja de una menor mineralización y poder corrosivo, facilitando así la utilización directa del contenido energético de las aguas. De esta forma, países a los que se les consideraba carentes de recursos geotérmicos (como Francia, Austria, Alemania, Inglaterra y otros), se encuentran actualmente en una etapa avanzada en la explotación de la energía de aguas termales de baja temperatura. Sólo en pocos lugares el agua caliente que se extrae de los pozos es suficientemente pura para poderla utilizar directamente en radiadores para calefacción. En general, el agua que se obtiene de los pozos contiene compuestos con propiedades corrosivas, por lo que para ser utilizadas es necesario emplear intercambiadores de calor, por medio de los cuales el contenido calorífico de las aguas termales es transferido a agua pura, que es la que va a transportar la energía a las casas y edificios para su calefacción. El aspecto de la calefacción es especialmente importante en países con inviernos fríos (como lo son casi todos los países desarrollados). En particular en Islandia, la calefacción es necesaria durante todo el año y no es sorprendente que éste haya sido el primer país que tuvo un sistema de calefacción geotérmica central para todo un distrito a principios de este siglo; actualmente más de dos tercios de la población total de Islandia gozan de calefacción con base en energía geotérmica. Otros países que también usan aguas termales en sus sistemas de calefacción son: Estados Unidos, Japón, Nueva Zelanda, Hungría, China, Checoslovaquia, Austria, la Unión Soviética y Francia. Especialmente en Francia se tienen planes muy ambiciosos de expander los servicios de calefacción geotérmica a varias partes del país a partir del éxito económico y técnico que se ha obtenido en lugares como Melun y Meaux. Adicionalmente, los fluidos geotérmicos también pueden ser empleados para enfriamiento y en sistemas de aire acondicionado que pueden funcionar como enfriadores en verano y como calefacción en invierno. Tales sistemas se encuentran ya en operación en el Hotel Internacional en Rotorua (Nueva Zelanda) y en un motel de Klamath Falls en Oregon (EUA). Además en Japón se tienen numerosos sistemas de aire acondicionado en pequeña escala para casas y edificios, los cuales utilizan fluidos geotérmicos para su consumo de energía. AGRICULTURA Y GANADERÍA La mayor parte de los usos que se dan a los fluidos geotérmicos al aplicarlos a la agricultura y ganadería son para la calefacción de espacios. El uso de recursos geotérmicos para proveer el calor necesario en invernaderos es practicado en un gran número de países: Francia, Hungría, Islandia, Italia, Japón, Nueva Zelanda, Rumania, Estados Unidos, la Unión Soviética, India y algunos otros. Por ejemplo, en Islandia se cultivan unas 1 000 toneladas de vegetales en un área de 11 hectáreas utilizando fluidos geotérmicos, con lo que ese país se ahorra al año cerca de 20 000 toneladas métricas de petróleo, que gastaría si los invernaderos utilizaran este combustible. Ésta no es la única utilidad del agua termal en la agricultura, sino que también se le usa para calentar el suelo, lo cual se ha observado que aumenta el rendimiento de la tierra en 40 y hasta 60% dependiendo del cultivo de que se trate, y con el uso combinado de invernaderos y calentamiento del suelo se ayuda y acelera el crecimiento de las plantas en viveros y jardines botánicos, Cuando la temperatura del agua es lo suficientemente alta, también se le puede usar para esterilizar el suelo contra insectos y bacterias, ésta es una práctica común en Japón. Otros usos que se dan a los fluidos geotérmicos son por ejemplo en el secado de semillas. Por otra parte, en Japón se ha comprobado que se obtiene un mayor rendimiento en la cría de aves cuando se cuenta con calefacción de las granjas en invierno. Además de la calefacción de establos y granjas, los fluidos termales pueden ser usados para la pasteurización de leche, la incubación de pollos, la biodegradación de desechos orgánicos, el lavado y secado de lana, etcétera. Los criaderos de peces son otra de las actividades que se han visto favorecidas con el uso de fluidos geotérmicos, utilizándose con bastante éxito en Islandia, Japón y Escocia. USOS INDUSTRIALES Al estudiarse las posibilidades de utilizar directamente en la industria la energía contenida en los fluidos geotérmicos, se llegó a la conclusión de que una gran cantidad de procesos industriales podían efectuarse con las temperaturas de los fluidos geotérmicos disponibles gracias a la tecnología actual y que muchos otros podían añadirse a esa lista si en el futuro se lograra obtener temperaturas más altas. En principio hay que distinguir los procesos que ya se están llevando a cabo en la escala comercial, de los que aún se contemplan solamente como prospectos promisorios. En esta sección únicamente mencionaremos los primeros, dejando los segundos para la última sección de este capítulo como una rápida mirada hacia el futuro de la geotermia. En la actualidad no se cuenta con una lista completa de todas las industrias que utilizan directamente recursos geotérmicos como energético o bien como materia prima. Sin embargo, los ejemplos que se dan a continuación sirven para mostrar las posibilidades económicas del uso directo de los recursos geotérmicos en la industria: 1. Secado de productos agrícolas. Se utiliza en Estados Unidos y Nueva Zelanda. 2. Procesado de alimentos. En Estados Unidos y Filipinas. 3 .Manufactura de textiles; teñido, lavado y secado de lana. En China y Nueva Zelanda. 4. Manufactura de papel. En australia, Nueva Zelanda y China. 5. Fermentación. En Japón. 6. Extracción de sustancias útiles. En Italia y China. 7. Producción de ácido sulfúrico. En Nueva Zelanda. 8. Producción de etanol. En Estados Unidos. 9. Producción de ácido bórico. En Italia. 10. Producción y refinamiento de tierras diatomáceas. En Islandia. 11. Manufactura de cemento. En Islandia y China. 12. Facilitamiento de operaciones mineras en áreas de suelo permanentemente congelado. En la Unión Soviética. 13. Cura de madera. En Nueva Zelanda. 14. Manufactura de revestimientos. En Nueva Zelanda. PRODUCCIÓN DE ELECTRICIDAD La transformación de la energía geotérmica en eléctrica es tal vez su mayor aplicación práctica (casi la tercera parte) y la que atrajo la atención en el nivel mundial hacia este recurso, ya que de las fuentes alternas de energía, es una de las que han demostrado ser económicamente factibles. La obtención de electricidad a partir de fluidos geotérmicos tiene una eficiencia relativamente baja en comparación con las plantas termoeléctricas convencionales, debido a la baja temperatura de los fluidos geotérmicos (que tienen un máximo de aproximadamente 380°C). Sin embargo, las plantas geotermoeléctricas son económicamente redituables debido al costo tan bajo del calor obtenido (en comparación con los combustibles fósiles), además de las ventajas que tiene en cuanto a un mínimo de contaminación ambiental. En el caso de la geotermia, se han estudiado los efectos que la explotación de un campo puede tener sobre la flora y la fauna local y aun cuando todavía quedan muchas investigaciones por hacer, se puede decir con base en la evidencia que se tiene en la actualidad, que es ésta una de las formas de energía que genera menos contaminación, sobre todo en comparación con los combustibles fósiles (que son de los mayores y más peligrosos agentes de degradación ambiental) y con los problemas de contaminación radiactiva que aún no se han resuelto en la utilización pacífica de la energía nuclear. Figura 21. Esquemas simplificados de diferentes tipos de plantas geotermoeléctricas, los cuales muestran cómo se utiliza el fluido que sale del pozo geotérmico hasta llevarlo a una turbina que lo transforma en energía eléctrica. El potencial energético del vapor que alimenta una planta geotermoeléctrica va a depender no sólo de su presión y temperatura, sino también de su calidad (contenido de gases), la presión de expulsión de las turbinas y la configuración general de la planta. Las plantas geotermoeléctricas tienen diferentes esquemas de acuerdo al tipo de fluido que alimente las turbinas y la presión a la que salga de éstas. En general se tiene una configuración como la mostrada en la figura 21. El fluido que sale del pozo geotérmico es llevado a un separador ciclotrónico (Figura 22) donde el vapor y el agua que originalmente estaban mezclados en el fluido geotérmico son separados y el vapor se hace pasar por turbinas conectadas a generadores que van a transformar la energía cinética del vapor en energía eléctrica (Figura 23). A la salida de las turbinas se tiene usualmente una presión menor que la atmosférica (por ser esta opción más efciente) por lo que es necesario enonces instalar condensadores para el vapor de desecho, así como extractores para los gases no condensables. También existen turbinas que descargan a presión atmosférica, pero económicamente son menos redituables y por lo general son utilizadas como plantas piloto. Por otra parte, el líquido que sale de los separadores puede ser nuevamente pasado por otros separadores a menor presión, obteniendo así una cantidad mayor de vapor y aumentando la capacidad de la planta. Figura 22. Descripción de la separación del líquido y del vapor que forman un fluido geotérmico, por medio de un separador ciclotrónico, en el cual el vapor y los gases, por ser más ligeros, tienden a concentrarse en la parte superior, dejando escapar el líquido por la parte inferior del separador. Figura 23. Turbinas accionadas por vapor provenientes de pozos geotérmicos en la planta eléctrica de Wairakei (Nueva Zelanda). Tanto el agua que expulsan los separadores, como el condensado deben ser desechados. En algunos casos se les arroja al torrente de ríos (Wairakei, N.Z.) o al mar (Ahuachapan, El Salvador), o bien a lagunas de evaporación (Cerro Prieto, México); pero actualmente se ha demostrado que es más provechoso reinyectarlos, lo cual además de evitar problemas de contaminación (química y térmica) de ríos y mares, ha probado ser benéfico para los yacimientos, ya que ayuda a disminuir el descenso de la presión y si se combina con la estructura hidrogeológica del campo, es posible evitar la entrada directa al yacimiento de aguas subterráneas frías, como se ha observado en Cerro Prieto. Actualmente la producción de electricidad con energía geotérmica es aún baja con respecto al total de energía producida en el ámbito mundial. Una de las principales restricciones es la localización de sistemas geotérmicos, ya que relativamente muy pocos países cuentan con este recurso. Como ejemplo de países con un potencial geotérmico importante para la producción de energía eléctrica tenemos a Japón, Filipinas, Indonesia, Italia, Islandia, Estados Unidos, México, El Salvador, Nicaragua y Nueva Zelanda (Figura 24). Figura 24. Campo geotérmico de Wairakei en el cual se observan los pozos, separadores, silenciadores y red de tuberías para transportar el vapor a la planta. DEPÓSITOS MINERALES Un depósito mineral es una concentración natural de minerales en la corteza terrestre. Estas zonas de mineralización pueden o no ser explotables económicamente dependiendo de la concentración o grado del mineral que se pretenda aprovechar y del área que abarquen. Los depósitos de minerales se pueden formar de muchas y muy variadas maneras; por ejemplo, se pueden precipitar a partir del agua de mar o de lagos, o separarse de las aguas de los ríos que los arrastran en lugares donde disminuya la fuerza de la corriente, también pueden concentrarse al separarse varios minerales con diferente temperatura de solidificación al enfriarse una intrusión magmática, o bien, pueden ser depositados a partir de una solución hidrotermal. En particular los dos últimos tipos de depósitos pueden considerarse como un resultado indirecto de la actividad generada por el calor contenido en el interior de la Tierra. Muchos de los depósitos de minerales más importantes que se explotan en la actualidad se han formado en relación con sistemas geotérmicos. Existen también depósitos que se formaron por la sedimentación de material que fue erosionado, arrastrado y concentrado en algún lugar hasta formar una zona mineralizada, pero muchas veces éstos también derivaron de un depósito formado originalmente por circulación hidrotermal. Como ejemplo tenemos la erosión del depósito Mother Lode, que dio origen a las concentraciones de mineral en los ríos que provocaron la "fiebre del oro" en California. Los sistemas volcánicos también generan depósitos minerales característicos, por ejemplo los de cromo. Estos depósitos se originan en la diferenciación que tiene lugar en una intrusión magmática al solidificarse ésta. Esta diferenciación hace que los metales más pesados se acumulen en el fondo, mientras que algunos elementos que presentan afinidad química con compuestos más ligeros, como los silicatos, tienden a concentrarse en las partes superiores y pueden ser arrastrados posteriormente por los fluidos termales que evolucionan a partir de las intrusiones magmáticas. También se sabe que las fumarolas en regiones volcánicas depositan algunos minerales que tienen en solución, siendo el azufre y el boro especialmente abundantes. Los materiales termales forman extensos depósitos con los productos de la alteración hidrotermal y en algunos de ellos se han encontrado concentraciones económicamente explotables de oro, plata, arsénico, antimonio, mercurio, talio, bario, uranio, plomo, zinc, cobre, tungsteno, molibdeno y flúor. También se ha observado que en el fondo de los océanos se localizan acumulaciones importantes de nódulos polimetálicos. Estos nódulos son esférulas de varios centímetros de diámetro, formadas por varios metales en diferentes concentraciones, principalmente contienen manganeso y fierro (respectivamente 16% y 15.6% en promedio), aunque también es económicamente importante su contenido de níquel (0.49%), cobalto (0.30%) y cobre (hasta 0.37%). Los mecanismos de formación de estos nódulos aún no se han desentrañado en su totalidad, pero se supone que tienen relación con la circulación de fluidos termales que es generada por la intrusión de material magmático en los sedimentos del fondo durante los procesos de formación de la corteza oceánica. Sin embargo, aún no se ha establecido si los nódulos se precipitan a partir del agua de mar o de materiales en los sedimentos. Los manantiales termales no son más que la expresión superficial de la intensa actividad que tiene lugar a profundidad en un sistema geotérmico, pero representan una oportunidad de observar un depósito mineral en proceso de formación. Las grandes fluctuaciones de temperatura y presión que resultan de esta actividad a profundidad están directamente relacionadas con procesos químicos que tienen como resultado la mineralización de algunas zonas del sistema (Figura 25). La identificación de las diferentes partes de un sistema hidrotermal fósil es de gran importancia en la exploración de este tipo de depósitos minerales, ya que por ejemplo la depositación de oro ocurre preferencialmente en la frontera entre dos zonas del sistema con diferente tipo de alteración hidrotermal. De esta forma, la correlación de sistemas hidrotermales fósiles con sistemas activos facilita la localización de sitios de mineralización y por lo tanto aumenta la eficiencia de los trabajos de exploración. Figura 25. Localización de las posibles zonas de mineralización: (a) en un sistema hidrotermal y (b) en un sistema relacionado con actividad volcánica. Se ha demostrado que muchos depósitos minerales tuvieron su origen en la precipitación de componentes de fluidos termales. Por esta razón, el estudio de los procesos que tienen lugar en sistemas geotérmicos activos, nos sirve para comprender la evolución de sistemas fósiles que ahora podemos reconocer como depósitos minerales epitermales. El conocimiento de los patrones de alteración y depositación hidrotermal en un sistema activo ayuda a establecer la morfología de los sistemas fósiles y a determinar el tipo y la posible localización de las zonas de mineralización. Entre las zonas con una mayor riqueza con respecto a este tipo de depósitos se encuentra la región circumpacífica, dentro de la cual queda comprendida la Sierra Madre Occidental y las zonas mineras de Baja California y la parte central y Suroeste de México. PROSPECTOR PARA LA UTILIZACIÓN DE LA ENERGÍA GEOTÉRMICA En la época actual son ya muchos los usos industriales que tiene la energía geotérmica. Sin embargo el horizonte de su aplicación es todavía más amplio. En esta sección nos limitaremos a enumerar las posibilidades de sus usos industriales y la ya no tan remota posibilidad de extraer el calor de la Tierra en zonas fuera de los sistemas geotérmicos que ya hemos mencionado. La extracción de energía en zonas fuera de los sistemas hidrotermales se encuentra aún en la etapa de investigación. Especialmente en Estados Unidos e Inglaterra se están llevando a cabo experimentos para crear campos geotérmicos artificiales en zonas llamadas de "roca-seca". En estas zonas se cuenta con un gradiente más alto que el normal pero la ausencia de permeabilidad en las rocas hace que no se tenga un sistema de circulación hidrotermal, a pesar de contar con una fuente de calor para ello. En estos casos se ha tratado de inducir el fracturamiento de las capas de rocas de 3 a 5 kilómetros de profundidad por medio de explosiones y fracturamiento hidráulico. Posteriormente se hace circular agua fría por las zonas fracturadas para transportar el calor de las rocas a la superficie, donde estos fluidos pueden ser usados en plantas de ciclo binario para producir electricidad o bien en intercambiadores de calor para destinar el agua caliente para otros usos (calefacción, invernaderos, etc). Las investigaciones acerca del uso de los sistemas de "roca-seca" han tenido un gran impulso especialmente en Camborne School of Mines en Cornwall (Inglaterra), en Los Alamos Scientific Laboratory de la Universidad de California y en Sandia National Laboratories en Nuevo México (Estados Unidos). Incluso se ha pensado en hacer detonar bombas nucleares en el fondo de pozos profundos. Estas bombas, además de fracturar las rocas circundantes, proveerían una fuente de calor adicional generado por el decaimiento de los desechos radiactivos producidos por la explosión, con la ventaja de que la peligrosidad de la difusión de estos desechos sería evitada, ya que quedarían encerrados en una masa de roca fundida que cristalizaría, formando así un recipiente seguro. Por supuesto, la falta de seguridad de que todo suceda perfectamente como se planea ha frenado la realización de estos experimentos. Además de los usos industriales que se mencionaron en las secciones anteriores, y que son los que en la actualidad ya tienen una aplicación comercial, existen muchos planes para la utilización directa de la energía geotérmica que por diversas razones (económicas y tecnológicas) no se han llevado aún a la práctica. En particular podemos enumerar los siguientes procesos, en los cuales los fluidos geotérmicos podrían ser empleados como la fuente de energía: —La destilación de aguas salobres para ser utilizadas en irrigación o para consumo humanoo no. —Extracción de minerales valiosos a partir de fluidos geotérmicos, por ejemplo: litio, bromo, cloruros de potasio y calcio, etcétera. —Producción de agua pesada. —Producción de aluminio a partir de la bauxita por el proceso de Bayers. —Producción de azúcar de caña y remolacha. —Producción de leche y café en polvo. IV. EXPLORACIÓN DE LOS RECURSOS GEOTÉRMICOS EL PRINCIPAL propósito de la exploración de una zona geotérmica es definir su tamaño, forma y estructura y determinar sus características, como son: el tipo de fluido, su temperatura, composición química y su capacidad de producir energía. Estas características pueden ser determinadas en dos formas: por exploración superficial y con perforaciones exploratorias. Puesto que es mucho más barato hacer exploración superficial que perforar pozos, se acostumbra realizar un extenso programa de exploración superficial antes de comenzar a hacer perforaciones. La exploración de un campo se puede dividir en dos etapas: reconocimiento y evaluación; y aún durante la etapa de explotación, se emplean algunos métodos de exploración con el objeto de llevar a cabo un monitoreo del campo. La planeación de cada una de las etapas en cuanto a su desarrollo y los métodos a usar, varían mucho dependiendo de las características del campo en estudio y del país en que se encuentre: sin embargo, se pueden definir varios lineamientos generales: —Comenzar con médos simples y bien establecidos. —Esforzarse desde el principio por obtener datos del prospecto en su totalidad. —Usar tanto como sea posible los recursos locales disponibles. Por supuesto que todas estas recomendaciones están supeditadas a mantenerse dentro del presupuesto establecido para cada etapa y a la disponibilidad de equipo y personal capacitado. El trabajo de exploración comienza aun antes del reconocimiento en el campo con la recopilación de toda la información disponible relacionada con la zona en estudio. Esta información comprende los datos topográficos, meteorológicos, geológicos, hidrogeológicos, geoquímicos, geofísicos y las observaciones de manantiales, géiseres y fumarolas. Todos estos datos deben ser cuidadosamente revisados para planear la estrategia adecuada a cada zona y emplear los diferentes métodos en la forma más apropiada. Cuando los datos reunidos indican la existencia de un campo geotérmico económicamente explotable, se procede a efectuar estudios geológicos, geofísicos y geoquímicos para evaluar el potencial del campo y la factibilidad de su explotación. Al final de cada una de las etapas, los resultados de los diferentes métodos son correlacionados para obtener modelos preliminares del campo, los cuales se irán perfeccionando al avanzar los trabajos de exploración. Una vez que se han realizado todos los estudios posibles en la superficie, se determina la localización de un número reducido de pozos de exploración (generalmente alrededor de 3 pozos), que de dar buenos resultados serán seguidos por los pozos de producción requeridos para la explotación planeada del recurso geotérmico. Hasta el momento de la perforación de los pozos de exploración, los modelos elaborados con base en los datos superficiales carecerán de verosimilitud hasta que puedan ser corroborados por los datos obtenidos en los pozos. Por esta razón, es aceptable dividir la exploración en dos etapas: exploración superficial y perforaciones de exploración. LA EXPLORACIÓN SUPERFICIAL Debido a que los campos geotérmicos de alta temperatura se localizan generalmente en las áreas de vulcanismo reciente relacionadas con las fajas sísmicas, son ésas precisamente las zonas que se seleccionarán para efectuar los primeros trabajos de reconocimiento. También es importante en el principio efectuar un mapeo de las manifestaciones termales superficiales localizadas dentro y fuera del área en estudio; esto es necesario, ya que éstas no se localizan necesariamente sobre el yacimiento (Figura 19), sino que los fluidos geotérmicos se desplazan siguiendo fallas o fisuras o cualquier otra zona de altá permeabilidad y, al clasificarlas, se puede inferir la trayectoria que han seguido hasta la superficie, así como los procesos de mezclado y ebullición que pudieron haber experimentado. Las manifestaciones superficiales pueden proporcionar información acerca de las condiciones existentes en el yacimiento. Sin embargo, es necesario hacer notar que las manifestaciones superficiales no son un requisito indispensable para la existencia de un yacimiento geotérmico a profundidad, sino que hay campos geotérmicos en zonas que carecen totalmente de manifestaciones superficiales y en este caso se debe localizar el yacimiento con base en el conocimiento del entorno geológico. De acuerdo a las técnicas empleadas, la exploración superficial se puede dividir en geológica, geofísica y geoquímica. Técnicas geológicas Los principales objetivos de los estudios geológicos en la etapa de reconocimiento son: identificar y catalogar todas las manifestaciones geotérmicas que haya en la superficie, ya sean activas o fósiles; efectuar una evaluación preliminar de su significado con respecto a los procesos subterráneos que tienen lugar en el sistema geotérmico; y recomendar las áreas para un estudio a mayor detalle. Esto se lleva a cabo examinando fotografías aéreas o imágenes de satélite y visitando el área para correlacionar los datos de éstas con la información obtenida en el campo. Una vez terminado el reconocimiento del área, si se decide que la zona geotérmica tiene posibilidades para su explotación, se continua con la etapa de exploración propiamente dicha, en la cual se debe preparar un mapa geológico a detalle del prospecto geotérmico seleccionado y de las áreas circundantes. Este mapa debe incluir las manifestaciones superficiales y los rasgos geológicos (fallas, fracturas, distribución superficial y a profundidad de los diferentes tipos de rocas y su permeabilidad) que puedan contribuir a elaborar un modelo del sistema geotérmico y recomendar la localización de los pozos exploratorios. Técnicas geoquímicas Para cumplir con los objetivos de la exploración superficial, las técnicas geoquímicas efectuan los análisis de las aguas de los manantiales, las emisiones de las fumarolas, las descargas de gases y las aguas frías superficiales (ríos, lagos, lluvia, etc.) para hacer las siguientes inferencias de las condiciones del sistema hidrotermal: —la variación en composición del fluido termal a profundidad, —la temperatura (y presión) del fluido a profundidad, —las rocas relacionadas con los fluidos termales a profundidad, —el origen de los fluidos, la dirección de flujo en el área y los tiempos de residencia de los fluidos bajo la superficie. —el gradiente geotérmico y la profundidad a la cual se presenta ebullición por primera vez en el sistema; esto incluye determinar la posibilidad de encontrar inversiones de temperatura con la profundidad, —la posibilidad de que haya depositación de minerales a partir del fluido, —las zonas que presentan un alto flujo, —la posibilidad de encontrar a profundidad fluidos ácidos, que pueden causar serios problemas por corrosión en la etapa de explotación, —determinar la existencia de componentes en el fluido que puedan tener importancia económica. La determinación de todos estos parámetros se hace utilizando los resultados de los análisis químicos e isotópicos de las descargas del sistema en la superficie. Esta metodología se basa en la suposición de que tanto el equilibrio químico como el isotópico se han alcanzado en las interacciones entre el fluido y las rocas del yacimiento. Una vez que se ha alcanzado el equilibrio químico, las concentraciones de los iones que se intercambien entre el fluido y la roca van a depender de la temperatura. Por ejemplo al interaccionar un fluido termal y una roca, los cuales contienen sodio y potasio, estos iones se van a intercambiar de tal forma que cuanto mayor sea la temperatura a la que interaccionen, mayor será el contenido del potasio del fluido; por esta razón la relación entre las concentraciones de sodio y potasio en las aguas que descarga el sistema en la superficie es utilizada como un indicador de la temperatura del yacimiento. Otro indicador de la temperatura a profundidad lo es el contenido de sílice (Si02) disuelto en el fluido, ya que a mayor temperatura el agua puede disolver más sílice de la roca circundante. La determinación de la temperatura del sistema a profundidad utilizando métodos químicos es muy importante, ya que en la etapa de exploración, es éste el único método por el cual se puede obtener una estimación de la temperatura del yacimiento. Los isótopos de un elemento son átomos cuyos núcleos tienen el mismo número de protones pero diferente número de neutrones, o sea que tienen la misma carga pero diferente peso atómico. Las moléculas de agua son las más abundantes en los fluidos termales y en ellas se pueden encontrar variaciones dependiendo de los isótopos de hidrógeno y oxígeno que las formen. El hidrógeno tiene tres isótopos: el hidrógeno (H con peso atómico de 1), el deuterio (D con peso atómico de 2) y el tritio (T con peso atómico de 3); y el oxígeno también con tres: 16 O, 17 O y 18 O (el número indica su peso atómico), de los cuales el 16 o es el más común y el 18 O es el que le sigue en abundancia. La relación entre la abundancia del 18 O y del 16 O, y del deuterio y el hidrógeno para las aguas de origen meteórico (agua de lluvia) sigue en todo el mundo una relación lineal. Esto se debe a que al evaporarse del agua de mar, las aguas de lluvia van a tener una menor concentración de isótopos pesados (D y 18 O) que la de mar y a su vez, al ir descargando la lluvia, las moléculas con los isótopos más pesados serán las primeras en precipitarse. Las zonas de mayor evaporación en el océano se encuentran en la región del ecuador; a partir de éste y hacia los polos el agua de lluvia irá teniendo una mayor pérdida de isótopos pesados. Por esta razón, en cada región de la superficie de la Tierra las aguas de origen meteórico van a tener una determinada concentración de isótopos pesados con relación al valor estándar de la concentración de éstos para el agua de mar (SMOW-Standard Mean Ocean Water). Se ha observado que en relación con la concentración estándar del agua de mar, las aguas de origen termal presentan un enriquecimiento en la concentración del 18 O y se ha demostrado que esto se debe principalmente al intercambio de isótopos de oxígeno con los minerales de las rocas, principalmente el sílice y algunos sulfatos. Como este intercambio también depende de la temperatura, la concentración relativa de isótopos de oxígeno en los fluidos también nos va a servir para determinar la temperatura del yacimiento. Por otra parte, como ya se dijo, los fenómenos como la evaporación van a afectar la composición isotópica del fluido, de esta forma va a ser posible detectar si en el yacimiento han tenido lugar procesos como ebullición o dilución con aguas de composición isótopica diferente. Es por esta razón que además de analizar las aguas termales, se analizan las aguas superficiales frías, para comparar su composición química e isotópica y determinar la relación entre ambas. Es importante recalcar que todos éstos análisis deben restringirse a las aguas termales alcalinas o neutrales, ya que las aguas ácidas atacan las rocas de la superficie y los compuestos que contengan en solución no necesariamente provienen o están relacionados con las rocas del yacimiento a profundidad, por lo que se pueden obtener resultados erróneos. Finalmente, además de aportar información durante la etapa de exploración del campo, las técnicas geoquímicas se aplican también durante la explotación para determinar los cambios que sufre el sistema debido a la extracción de los fluidos termales, como puede ser la entrada en el yacimiento de aguas subterráneas o superficiales frías. Técnicas geofísicas La geofísica se va a utilizar para definir las dimensiones y la estructura del campo: área que ocupa, profundidad a la que se encuentra y principales estructuras relacionadas con la permeabilidad. Esto se logra mediante los siguientes estudios: sensores remotos, gravimetría, magnetometría, termometría, sismología y métodos eléctricos y electromagnéticos. En las etapas de reconocimiento se aplican sobre todo métodos que no son muy caros y que permiten cubrir un máximo del área teniendo una alta razón entre beneficio y costo: Medidas de emisividad en el infrarrojo a partir de imágenes aéreas o de satélite. Con este método se van a detectar zonas en las que el flujo de calor en la superficie es anómalamente alto. Al analizar las imágenes, se pueden obtener resultados cualitativos; sin embargo, para determinar valores de la descarga superficial de energía es necesario calibrar en el campo la relación entre emisividad y temperatura para los diferentes tipos de suelo. Termografía (mediciones de temperatura en pozos poco profundos: de 1 a 100 m). Este método es útil para complementar el mapeo hecho por imágenes en el infrarrojo, con lo cual se obtiene un mapa con las anomalías de temperatura superficial y a varias profundidades (someras). Los resultados de estos estudios son básicos para establecer los patrones de descarga superficial del sistema hidrotermal y elaborar así un primer esquema de las zonas más permeables y por lo tanto más interesantes para la producción. Método de perfiles eléctricos. Este método se basa en hacer circular una corriente eléctrica en el terreno que se va a estudiar. Esta corriente se inyecta por medio de dos electrodos y el potencial causado por ella se mide usando otros dos electrodos a una cierta distancia de los primeros. Con estos dos parámetros se puede calcular la resistividad de las rocas a una profundidad que depende de la separación entre los electrodos de corriente y los de medición (Figura 26). Este método es con mucho el más importante para la exploración geotérmica, ya que la resistividad de las rocas disminuye notablemente cuando éstas se encuentran saturadas por fluidos altamente mineralizados y a temperaturas elevadas, y también, cuando por la acción de estos fluidos los minerales que forman las rocas del yacimiento son alterados hidrotermalmente, transformándose principalmente en arcillas, las cuales son minerales con una conductividad muy elevada. Sondeos eléctricos verticales. La determinación de la resistividad de las rocas se efectúa por el método anterior, pero en lugar de llevar a cabo una cobertura superficial del área, se obtiene en cada punto de observación la variación de la resistividad para diferentes profundidades cambiando la separación de los electrodos. Esto se puede hacer, ya que la profundidad de penetración de la corriente depende de qué tan separados estén los electrodos: a mayor separación de éstos, mayor es la profundidad que alcanza la corriente inyectada, excepto en algunos casos particulares en que la corriente se concentra en alguna capa altamente conductora y su penetración a mayores profundidades queda restringida por este efecto. Figura 26. Diagrama del método de Schlumberger para medir resistividad. A y B: electrodos de inyección de corriente. M y N: electrodos de medición de potencial eléctrico producido por la corriente inyectada. Métodos magnetotelúricos. En este caso, en lugar de hacer circular una corriente, se utilizan las fuentes naturales de la Tierra: las llamadas corrientes telúricas. Estas corrientes son generadas por las variaciones en el campo magnético terrestre relacionadas con tormentas eléctricas o emisiones provocadas por la actividad solar. Debido a su origen, estas corrientes tienen un periodo de variación (no son constantes) y por esta razón se les asocia no sólo un campo eléctrico, sino también un campo magnético.2 La profundidad a la que pueden penetrar estas corrientes está relacionada con el periodo de su variación; entre mayor sea éste, mayor será la profundidad que logren alcanzar. Esta propiedad hace que se seleccionen las frecuencias que se van a muestrear de acuerdo con las profundidades que interesan, en el caso de los campos geotérmicos éstas son menores de 5 km, lo que determina el uso de frecuencias entre 0.001 a 1 hertz (ciclos por segundo). El conocimiento de las variaciones de resistividad habilita al geofísico para establecer variaciones verticales en el grado de alteración de la roca, la litología, la porosidad de las rocas del reservorio y en el grado de saturación, así como para inferir la profundidad a la que existen cambios de fase en los fluidos geotérmicos, ya que en contraste con los bajos valores de resistividad provocados por el líquido caliente y mineralizado, las rocas saturadas con vapor presentan valores altos de resistividad. Detección del ruido sísmico natural. En un yacimiento que presenta un flujo bifásico (líquido y vapor), se observa un aumento de vibraciones debido a la separación de vapor y al movimiento de éste; a estas perturbaciones se les denomina ruido sísmico debido a la separación de vapor. Este método no es muy usado por la baja proporción entre beneficio y costo que presenta. Una vez establecida durante la etapa de reconocimiento la existencia de un yacimiento geotérmico, los trabajos entran en la etapa de la exploración a detalle para determinar su potencial energético. Es posible emplear los métodos ya mencionados, concentrándose en las zonas más interesantes. En especial se utilizan los métodos eléctricos, aplicando diferentes arreglos geométricos de los electrodos para lograr mayor penetración o bien resaltar las anomalías producidas por cambios verticales y horizontales en las rocas. Además, se pueden ampliar los trabajos con los siguientes métodos: Gravimetría y magnetometría. La determinación de las anomalías en los campos gravitacional y magnético de la Tierra, localizados dentro del prospecto geotérmico, nos permiten identificar las principales estructuras geológicas de la zona por el contraste en sus propiedades (densidad y susceptibilidad magnética). Por ejemplo: fallas, intrusiones, deformaciones, etc. Además, en el caso de la gravimetría también es posible determinar si existe una depositación de minerales hidrotermales ¿on un contraste de densidad respecto a las rocas del yacimiento; y la magnetometría puede ayudar a localizar algunas zonas donde la roca original ha sido demagnetizada por la acción de los fluidos termales. Métodos sísmicos. Los métodos sísmicos se caracterizan por su alto costo, tanto en los trabajos de campo como en la interpretación de los datos obtenidos. En algunos casos como la exploración petrolera estos métodos son casi indispensables para la localización de los mantos petrolíferos. Sin embargo, en su aplicación a la exploración geotérmica se tiene la desventaja del alto nivel de ruido sísmico existente, ya sea por los cambios de fase o por el movimiento subterráneo de los fluidos termales. En algunos países se ha estado experimentando con métodos de reflección y refracción de ondas sísmicas generadas por explosiones, pero no se han obtenido resultados que impulsen el empleo de estos métodos. También se ha experimentado con métodos telesísmicos, que se limitan a detectar las ondas generadas por movimientos sísmicos muy alejados; se ha observado que al pasar por un yacimiento geotérmico, las ondas sísmicas sufren un retraso y una atenuación, de esta forma se puede determinar la localización de éste. En el caso de la geotermia todos los métodos sísmicos tienen una razón entre beneficio y costo muy baja y en general se prefiere el uso de los otros métodos mencionados para la exploración del campo. Durante la explotación del campo, los métodos geofísicos son útiles para mantener un sistema de monitoreo con el objeto de detectar fenómenos de subsidencia (hundimiento) y de aumento en la actividad sísmica. Por otra parte, puesto que los campos geotérmicos se encuentran localizados generalmente en zonas de actividad tectónica, la observación de la actividad sísmica es importante para tener un control de las fallas activas en las cercanías del campo. Las observaciones repetidas de la actividad microsísmica son útiles también para indicar los cambios en el campo de esfuerzos provocados por las variaciones de presión que resultan de la explotación del campo, ya sea por extracción o reinyección de los fluidos termales. PERFORACIÓN DE POZOS EXPLORATORIOS Una vez que se tiene un modelo preliminar del campo con base en los datos superficiales, se procede a situar un número reducido (de tres a cinco) de pozos exploratorios, con los cuales se pretende corroborar los modelos elaborados y justificar los gastos de la exploración superficial. La restricción en el número de pozos se debe a los altos costos de la perforación, ya que dependiendo de su profundidad y de los tipos de roca que atraviesen (dura o suave) el precio puede variar de 100 000 hasta más de un millón de dólares, o sea que el precio de un solo pozo equivale a varias veces el costo total de la exploración superficial. Durante la perforación del pozo se toman muestras de las rocas que se van encontrando. Estas muestras tienen la forma de trozos pequeños de roca que se van cortando con el barreno (muestras de canal) y de cilindros de roca recortados con un barreno especial para este fin (núcleos). Por supuesto que los núcleos proveen de mejor información, ya que se conoce exactamente a qué profundidad corresponden. En cambio las muestras de canal de varias profundidades pueden mezclarse y dar resultados erróneos. Aún antes de terminar el pozo estas rocas son estudiadas para determinar los minerales que se han producido como resultado de la interacción de los fluidos termales y la roca del yacimiento. La formación de los minerales de alteración depende tanto de la composición química del fluido como de la temperatura y por lo tanto estos dos parámetros pueden ser inferidos a partir de las observaciones en las muestras, aún sin haber hecho mediciones directas. Una forma de determinar la evolución térmica del sistema es por medio de pequeñas inclusiones del fluido que quedan atrapadas al formarse los minerales de alteración y que van a conservar la composición del fluido que las formó (Figura 27). La ventaja de estas inclusiones fluidas es que también se puede determinar la temperatura a la que se formaron: al enfriarse una inclusión el líquido se contrae por lo que queda un espacio donde se forma una burbuja; al calentarla, esa burbuja desaparecerá cuando se alcance la temperatura de su formación. Es así como se pueden determinar variaciones químicas y térmicas que pudieran haber tenido lugar durante la evolución del sistema hidrotermal. A las muestras de rocas provenientes de los pozos se les hacen análisis químicos para obtener la composición de rocas alteradas y no alteradas hidrotermalmente y asi determinar los efectos que ha tenido la interacción con fluidos termales en la composición química de las rocas que forman el yacimiento. Figura 27. Microfotografía de una inclusión fluida en un mineral hidrotermal (calcita) proveniente del campo geotérmico de Los Humeros, Puebla, México. (Escala 1 cm : 0.12 mm). Una vez que el pozo se ha terminado (lo cual puede llevar varios meses), se toman registros verticales de flujo, temperatura, conductividad y potencial eléctricos, velocidad sísmica, etc., para determinar las propiedades de las rocas que se encuentran a lo largo del pozo y la variación de la temperatura con la profundidad, lo que en forma indirecta ayuda a inferir la permeabilidad de las rocas, ya que después de haber sido enfriadas por los fluidos de perforación las capas de roca más permeables serán las que recuperen más rápido su temperatura anterior por la circulación de los fluidos termales a través de ellas. Generalmente se deja "reposar" el pozo de unas cuatro a ocho semanas para que se estabilice, comparando las variaciones en los registros de temperatura y presión durante este tiempo. Una vez, estabilizado el pozo se induce su descarga, es decir la emisión continua de fluido, y es sólo entonces cuando se sabe cuánto fluido puede producir el pozo y a qué presión y temperatura, determinando de esta forma la cantidad de energía eléctrica que se puede obtener. Este es el parámetro que nos va a indicar la factibilidad económica de la explotación de un campo: cuántos pozos son necesarios para obtener la cantidad planeada de kilowatts eléctricos, lo cual determina finalmente el costo de la electricidad. [Nota 2] 2Una corriente eléctrica variable genera un campo magnético variable y viceversa. V. MÉXICO Y SU RIQUEZA GEOTÉRMICA LA MAYOR parte del territorio mexicano (excepto la Península de Yucatán) está caracterizado por una gran actividad tectónica y volcánica que ha tenido lugar desde hace varias decenas de millones de años hasta el presente. Esta actividad invariablemente ha dejado su huella a lo largo de todo el país en forma de sistemas volcánicos y sistemas hidrotermales, tanto fósiles como activos. La actividad tectonovolcánica, aunque tiene resultados catastróficos en muchos de los fenómenos que genera, como sismos y erupciones volcánicas, también ha sido la fuente de una gran riqueza como lo son los recursos minerales y geotérmicos. La presencia de estos recursos se extiende por todo el país, siendo especialmente abundante en su parte central. A continuación detallamos algunos de los principales usos de las manifestaciones superficiales del calor terrestre. Figura 28. Mapa de México que incluye los manantiales termales muestreados por la Comisión Federal de Electricidad. (Proporcionado por la Gerencia de Proyectos Geotermoeléctricos de la Comisión Federal de Electricidad). BALNEARIOS Hasta la fecha, la Comisión Federal de Electricidad ha establecido la existencia de más de mil manifestaciones termales en la República Mexicana (Figura 28), de las cuales sólo una minoría corresponde a sistemas capaces de generar energía eléctrica comercialmente. Sin embargo, la mayoría de estos puntos localizados han sido utilizados como balnearios aun desde tiempos precolombinos. La mayor parte de los balnearios se localiza en la parte central del país, coincidiendo con la Faja Volcánica Transmexicana, la cual contiene la mayoría de los volcanes mexicanos que han presentado actividad reciente: Ceboruco, Popocatépetl, Volcán de Colima, Pico de Orizaba, Paricutín, Jorullo, Xitle, etc.; además de otros volcanes que quedan fuera de esta zona, como son: Bárcena, Tres Vírgenes, El Chichón y El Tacaná (Figura 29). Además de la gran cantidad de manantiales asociados con estos centros volcánicos, se cuenta también con manantiales termales relacionados con zonas de volcanismo más antiguo (mayor de 30 millones de años), por ejemplo la Sierra Madre Occidental, que sin embargo aún contiene suficiente calor como para provocar este tipo de manifestaciones. Uno de los principales factores que determina la aparición de manantiales, aparte de la fuente de calor, es la existencia de agua suficiente para mantener la actividad hidrotermal. En muchos estados como Aguascalientes, San Luis Potosí, Guanajuato, etc., se ha dado el caso de que con la explotación de los acuíferos para agricultura y para consumo humano, se ha provocado un descenso en los niveles del agua subterránea que ha dado como resultado la extinción de numersos manantiales termales. Esto también se ha observado en zonas donde los manantiales se aprovechan para el embotellamiento de aguas minerales (Tehuacán, Puebla; La Soledad, S.L.P.). Sin embargo, la abundancia de manantiales hace que aún existan bastantes que siguen funcionando como balnearios, teniendo varios de ellos gran renombre en el ámbito internacional, por ejemplo: Ixtapan de la Sal y San José Purúa. Figura 29. Localización de los volcanes que han presentado actividad reciente en México. RECURSOS MINERALES Poco podría añadirse a lo que ya se ha escrito acerca de las riquezas minerales de nuestro país generadas por la actividad volcánica e hidrotermal, las cuales han sido explotadas durante siglos. Baste decir que la región volcánica de rocas del Cenozoico (con una edad menor de 65 millones de años) que se extiende por 2 400 km desde la frontera con Estados Unidos hasta la ciudad de México (Figura 30), contiene la concentración más grande de plata en el mundo conocida hasta la fecha. Las minas de Pachuca y Guanajuato han producido más de 50 000 toneladas de plata; en particular, Pachuca ha producido 37 324 toneladas de plata, lo cual equivale a más de 6% del total de plata en el mundo y también ha producido más de 190 toneladas de oro y cantidades importantes de plomo, zinc y cobre. En general, México contribuye a la producción mundial con el 14% de la plata, 18% del arsénico, 16% del bismuto, 21% de la fluorita, 13% del grafito, además de ser un importante productor de ágata y ópalo. A pesar de los impresionantes índices de producción se puede decir que una gran parte de los recursos minerales de México se encuentran aun esperando a ser descubiertos y explotados, lo cual será factible cuando se implemente la metodología necesaria para este fin: éste es uno de los retos para las futuras generaciones. Figura 30. Distribución de depósitos de metales preciosos (oro y plata) en la cordillera Oeste de Norteamérica y en parte de América Central. PRODUCCIÓN DE ENERGíA ELÉCTRICA 3 Los inicios de la utilización de energía geotérmica en México para la producción de energía eléctrica se remontan a los años sesenta, en los que se comenzó a explotar el campo geotérmico de Pathé en el estado de Hidalgo. Desafortunadamente, la falta de permeabilidad del campo determinó que el experimento terminara en un fracaso a pesar de que se tenía un gradiente geotérmico en el área de aproximadamente 550—C/km. De los 3 500 kilowatts instalados sólo se pudieron producir 150, por lo cual se clausuró la planta. También se llevaron a cabo intentos por desarrollar las zonas geotérmicas de Los Negritos e Ixtlán de los Hervores en Michoacán. Sin embargo, el éxito se alcanzó finalmente cuando se descubrió el campo geotérmico de Cerro Prieto en Baja California Norte. En la actualidad, México es uno de los países más avanzados en cuanto a la producción de energía geotermoeléctrica (Figura 31). Dos campos, el de Cerro Prieto y el de Los Azufres en Michoacán se encuentran ya en la etapa de producción y por lo menos dos más: La Primavera (Jalisco) y Los Humeros (Puebla), se encuentran ya muy avanzados en la etapa de evaluación y se espera que dentro de pocos años comenzarán también a producir electricidad a partir de fluidos geotérmicos. Asimismo, se cuenta con 27 campos donde se han concluido los estudios de factibilidad, de los cuales se han seleccionado 16 para continuar con la etapa de perforación de pozos de exploración, entre éstos se tienen: El Ceboruco (Nayarit), Las Planillas (Jalisco), Araró (Michoacán), Las Tres Vírgenes (Baja California Sur), etcétera. Figura 31. Localización de los principales campos geotérmicos en México. El campo geotérmico de Cerro Prieto es uno de los más grandes del mundo y hasta el momento tiene una capacidad instalada para producir 620 000 kilowatts de energía eléctrica; pero el campo tiene capacidad para generar mucha más energía y se ha planeado aumentar su producción a más de 700 000 kilowatts en los próximos años, ya que se cuenta con reservas probadas de 220 000 kilowatts y reservas probables de más de 220 000 kilowatts (Figura 32). Debido a que la zona en que se encuentra localizado este campo no tiene un alto consumo de energía eléctrica por ser una zona eminentemente agrícola, existe un excedente de energía eléctrica, el cual es exportado a Estados Unidos, lo cual significa una entrada de divisas para el país. Además de la generación de electricidad, en la planta geotermoeléctrica de Cerro Prieto se planea instalar también un sistema para la extracción y comercialización de cloruro de potasio, por el cual se llegarán a producir 80 000 toneladas métricas por año. Por otra parte, el campo geotérmico de Los Azufres ha estado siendo probado por medio de plantas piloto que producen un total de 25 000 kilowatts (Figura 33), lo cual corresponde casi al consumo de energía eléctrica de la ciudad de Morelia, Michoacán. Después de observar los resultados obtenidos con estas plantas, se determinó que este campo tiene capacidad para producir más energía, por lo cual se está ya construyendo una planta que generará más de 50 000 kilowatts de electricidad (el campo tiene una reserva probada de 135 000 kilowatts y una reserva probable de 165 000kilowatts). Una particularidad de la explotación del campo geotérmico de Los Azufres es que la totalidad del agua separada del vapor que va a las turbinas será reinyectada en el yacimiento a través de once pozos, con lo cual se evitará la contaminación del medio ambiente. Del total de campos ya evaluados se tiene una reserva probada de más de 100 000 kilowatts y la reserva probable es de más de 1 400 000 kilowatts. Debe admitirse que aun desarrollando la totalidad de los recursos con que cuenta el país, la energía geotérmica no podría cubrir la demanda total de energía eléctrica. Sin embargo, por la abundancia de campos geotérmicos en México, esta fuente de energía sí puede representar una contribución significativa para satisfacer las necesidades energéticas del país, por supuesto, sin pasar por alto su utilización directa en procesos industriales, la cual aún debe implementarse y podría significar un considerable ahorro de combustibles fósiles y una disminución en los niveles de contaminación. Figura 32. Campo geotérmico de Cerro Prieto, Baja California; (a) vista de las torres de enfriamento y (b) descarga del fluido de desecho a la laguna de evaporación. Figura 33. Campo geotérmico de Los Azufres, Michoacán, México. [Nota 3] 3Los datos acerca de la producción de electricidad utilizando energía geotérmica han sido proporcionados por la Gerencia de Proyectos Geotermoeléctricos de la Comisión Federal de Electricidad. EPÍLOGO Los fenómenos estudiados nos han demostrado la importancia que tiene la energía contenida en el interior de la Tierra, no sólo como una fuente alterna de energía, sino como el motor que genera los fenómenos geológicos que a través de millones de años han hecho de su superficie lo que hoy podemos observar: cadenas montañosas, valles, volcanes, etc. Pero además, muchas de las riquezas que la Tierra contiene están relacionadas directa o indirectamente con este calor. Es por eso que a lo largo del libro se ha tratado de enfatizar la importancia del estudio de la energía térmica de la Tierra y los fenómenos asociados con ella. Para esto se han descrito las manifestaciones termales superficiales y se les ha relacionado con los procesos internos. También se ha tratado de establecer su relación con algunos tipos de recursos naturales, como son los depósitos minerales y los campos geotérmicos, de los cuales estos últimos están siendo apenas reconocidos como una fuente alterna de energía. Pero no debe pensarse que el estudio del calor de la Tierra tiene que enfocarse solamente a la explotación de esta forma de energía, sino que debe tratarse como una parte esencial en el conocimiento del planeta en que vivimos. Podrían también presentarse cuadros apocalípticos donde se vaticinaran los resultados que tendría sobre la vida el agotamiento del calor contenido en el interior de la Tierra. Sin duda llegará el día en que la Tierra se enfríe completamente, pero de acuerdo con las pérdidas de calor observadas en la actualidad, y de continuar éstas en la misma manera, aún faltan muchos millones de años para ello. En este punto es preferible tener una visión optimista y pensar que para ese entonces la humanidad se habrá desarrollado lo suficiente para resolver este problema junto con muchos otros que hasta hoy parecen insolubles, incluyendo el de la convivencia pacífica. BIBLIOGRAFÍA Armstead, H.C.H., Geothermal Energy. E. & F.N. Spon Ltd. Londres, 1983. Francis, P., Volcanoes. Penguin Books Ltd. Harmondsworth, 1976. Panczer, W.D., Minerals of Mex ico. Van Nostrand Reinhoid Co. Nueva York, 1987. Press, F. y Siever, R., The Earth. W.H. Freeman and Co. San Francisco, 1974. Rinehart, J.S., Geysers and Geothermal Energy. SpringlerVerlag. Nueva York, 1980. COLOFÓN Este libro se terminó de imprimir y encuadernar en el mes de diciembre de 1996 en los talleres de Impresora y Encuadernadora Progreso, S.A. (IEPSA), calzada de San Lorenzo 244; 09830 México, D.F. Se tiraron 3 000 ejemplares La Ciencia desde México es coordinada editorialmente por Marco Antonio Pulido y María del Carmen Farías. Inicio EL CALOR DE LA TIERRA COMITÉ DE SELECCIÓN EDICIONES AGRADECIMIENTOS PRÓLOGO I. LAS FUENTES DEL CALOR TERRESTRE II. LAS MINEFESTACIONES TERMALES EN LA SUPERFICIE DE LA TIERRA III. LA UTILIZACIÓN DEL CALOR TERRESTRE IV. EXPLORACIÓN DE LOS RECURSOS GEOTÉRMICOS V. MÉXICO Y SU RIQUEZA GEOTÉRMICA EPÍLOGO BIBLIOGRAFÍA CONTRAPORTADA CONTRAPORTADA Desde épocas remotas el hombre ha sospechado que en el interior de la Tierra la temperatura es más elevada que en la superficie como lo evidencian los volcanes, los manantiales termales, el calor que se experimenta al descender por una gruta. Ya en nuestro siglo, gracias a los avances en la técnica de perforación de pozos, se comenzó a hacer mediciones de la variación de la temperatura de acuerdo con la profundidad y se llegó a la conclusión de que en zonas normales —donde no se manifiestan fenómenos de vulcanismo o termales— la temperatura de la corteza de la Tierra aumenta a un ritmo de 30°C por kilómetro de profundidad. Esto llevó a los científicos a considerar que en alguna parte del interior de nuestro planeta existe una fuente térmica que irradia hacia la superficie un calor que, de acuerdo con las más recientes teorías científicas, proviene de los cataclismos cósmicos que produjo la formación del Sistema Solar y de nuestro planeta; lo que se denomina "diferenciación gravitacional", el hundimiento de los elementos más pesados y el afloramiento de los más ligeros. Esta redistribución se efectuó con gran liberacion de energía por fricción que produjo la fusión de la mayor parte del material que componía la Tierra. Esta teoría, entre otras cosas, deja sin base de sustentación a la hermosa novela de Jules Verne, Viaje al centro de la Tierra. La doctora Rosa María Prol se preocupa en especial en este libro de subrayar la importancia del estudio de la energía térmica de la Tierra. Así, describe las manifestaciones termales superficiales en general, estableciendo su relación con los procesos internos de la Tierra. Destaca también la utilidad de los campos geoérmicos, como el de Cerro Prieto en Baja California Norte, como fuentes alternas de producción de energía eléctrica, pero con espíritu científico se esfuerza por dejar claro que el estudio del calor de la Tierra no debe verse exclusivamente con ojos pragmáticos sino que, sobre todo, debe estudiarse como una parte esencial en el conocimiento del planeta en que vivimos. También se adelanta a los catastrofistas que vaticinan un apocalipsis si se agota el calor contenido en el interior de la Tierra: "Sin duda llegará el día en que nuestro mundo se enfríe —afirma— ; mas, de acuerdo con las pérdidas de calor observadas y, de continuar éstas con el mismo ritmo, faltan aún muchos millones de años para que ocurra tal cosa". Rosa María Prol es licenciada en física y maestra en geofísica de la Facultad de Ciencias de la UNAM. Se doctoró en ciencias físico matemáticas en el Instituto de Física de la Tierra de la Academia de Ciencias de la URSS; es investigadora nacional desde 1984 así como investigadora titular del Instituto de Geofísica de la UNAM.