Achurra R., Luciano

Aguirre A., Igor

Godfrey, Linda

Lagos, Laura

Mayorga, Catalina

Morata, Diego

Reich, Martin

Repositorio Digital Sernageomin

563Fundada  en 1962SOCIEDAD GEOLOGICA DE CHILEla serena   octubre 2015Hidrogeoquímica de fuentes termales en ambientes salinos relacionados con salares en los Andes del norte de Chile  Laura Lagos1*, Linda Godfrey2, Martin Reich1, Luciano Achurra3, Diego Morata1, Igor Aguirre3, Catalina Mayorga3 1Departamento de Geología y Centro de Excelencia en Geotermia de los Andes (CEGA), Universidad de Chile, Santiago, Chile 2Department of Earth & Planetary Sciences, Rutgers University, Piscataway, New Jersey, USA 3Energía Andina (EASA), Las Condes, Santiago, Chile.  * email: lalagos@cec.uchile.cl  Resumen.  El presente trabajo busca determinar fuentes de Li, B y Sr, y constreñir procesos de mezcla de aguas en cuencas de gran altitud en el Altiplano del norte de Chile. Para esto, se utiliza la signatura geoquímica e isotópica (δ7Li, δ11B, 87Sr/86Sr) de aguas termales y lagos salinos de la cuenca de Surire. Los datos isotópicos y geoquímicos, acoplados a resultados de experimentos de disolución de minerales evaporíticos, ayudan a identificar las múltiples fuentes de cationes móviles de Li, B y Sr en manantiales termales en ambientes salinos. Nuestros datos también entregan evidencia convincente acerca de que aguas termales en el Altiplano Chileno no solo están afectadas por procesos de mezcla e interacción agua-roca, sino también por aportes significativos relacionados con la disolución de minerales evaporíticos.  Palabras Claves: Isótopos, Salares, Mezcla, Disolución, Geotermia   1 Introducción   En un contexto en que los métodos de exploración de recursos geotérmicos tienen que ser cada vez más eficientes, una comprensión más clara de los factores que controlan la localización y naturaleza de los reservorios de alta entalpía en los Andes chilenos es un requisito clave. Debido a esto, se hace necesario utilizar herramientas geoquímicas especializadas, en particular para lagos  salinos con influencia geotermal, y así establecer modelos que discriminen entre entradas de solución salina de superficie respecto a potenciales signaturas químicas e isotópicas relacionadas con la presencia de reservorios geotermales profundos.  A la fecha, sólo un número muy limitado de estudios han reportado concentraciones de elementos traza e isótopos de B, Li y Sr en aguas de salares en el norte de Chile, todos ellos destinados a diferenciar las contribuciones relativas de reservorios y salmueras superficiales en los manantiales termales en borde de lagunas y salares. Sobre esta base, el objetivo principal de este trabajo es definir dichas señales químicas e isotópicas de las diferentes fuentes que aportan iones a las aguas termales al Salar de Surire en el Altiplano de la I región, Chile. Así, se pretende identificar la naturaleza y extensión de procesos de mezcla entre los miembros extremos evaporíticos y geotermales, para finalmente cuantificar el aporte de iones en aguas termales de ambientes salinos según su fuente.   2 Zona de estudio  Este estudio se enfoca en el área de la cuenca de Surire, al Norte de la zona Volcánica Central de Chile.  Esta cuenca se ubica prácticamente en el límite con Bolivia a unos 135 km, en línea recta, al ESE de la ciudad de Arica y a una altitud de 4.250 m (Chong et al., 2000) (Fig. 1). La cuenca de Surire posee una extensión de 585 km2 cuyo fondo plano se encuentra ocupado por un gran salar y por algunas lagunas de aguas bajas. El salar ocupa alrededor del 30% de la hoya hidrográfica (Fig. 1).   La geología del área está caracterizada por un basamento compuesto principalmente por rocas volcánicas y volcano-sedimentarias de las formaciones Lupica y Macusa (Oligoceno Superior- Mioceno Inferior, y Mioceno Medio-Superior, respectivamente) (García et al., 2004). Además, el área del salar de Surire se encuentra rodeada por lavas andesíticas dacíticas y depósitos de colapso correspondientes a los volcanes de edad Mioceno Superior, Plioceno (Capitán y Polloquere) y Pleistoceno (Chiguana, Liscaya, Purintinca, Arintinca, Chuquiananta y Mulluri) (Aguilera et al., 2008). Depósitos de morrenas han sido identificados en los faldeos de estos volcanes (Aguilera et al., 2008 y referencias ahí citadas).   Los depósitos que conforman el salar corresponden  a carbonatos, sulfatos, cloruros, boratos y depósitos de sinter. Además diversos autores han descrito depósitos de geiseritas (Salas, 1975 Chong et al., 2000 y García et al, 2004).   564SIM 4  SISTEMAS GEOTERMALES ANDINOS Figura 1.  Puntos de extracción de muestras del salar de Surire. El color de relleno indica la temperatura del agua. Notar que las áreas de drenaje para aguas termales son diferente al sur y al norte del salar.   3 Metodología  Se analizaron las concentraciones de elementos mayores y traza en muestras de agua termal (14 muestras) y también la composición isotópica agua de lagos (5 muestras), evaporitas (3 muestras). Además, se determinaron las razones isotópicas de boro, litio y estroncio (δ7Li, δ11B, 87Sr/86Sr), con el fin de establecer las fuentes para estos elementos. Finalmente, se realizó un montaje experimental de laboratorio basado en la disolución de minerales evaporíticos y de sinters silíceos (7 muestras en total) tomados del salar y de las manifestaciones termales ahí presentes. Los datos químicos obtenidos en este estudio fueron complementados con análisis de agua de manifestaciones termales del norte de Chile (6 muestras de este trabajo) y datos publicados previamente (8 muestras recopiladas a partir de Dorador et al., 2009; 4 muestras a partir de Nicolau et al., 2013).  Las concentraciones iónicas de muestras recogidas en terreno fueron determinadas en el laboratorio GNS en Nueva Zelanda. Las concentraciones aniónicas obtenidas en el experimento de disolución fueron medidas en el Laboratorio Químico del Centro de Excelencia en Geotermia de los Andes (CEGA) en la Universidad de Chile. Las concentraciones catiónicas de las aguas obtenidas a partir del experimento fueron medidas  en el laboratorio MAXXAM en Canadá. Todos los análisis de isotopos de Li, B y Sr fueron realizados en la Universidad de Rutgers, USA.  Las concentraciones de cationes, aniones y trazas en agua fueron obtenidas a partir de espectrometría por absorción atómica (AAS), cromatografía iónica (IC) e ICP-MS. Las razones isotópicas de boro, litio y estroncio fueron obtenidas mediante espectrometría de masas por plasma inductivamente acoplado con multicolector (MC-ICP-MS, Thermo Neptune Plus). El proceso de extracción de boro y obtención de δ¹¹B está basado en los procedimientos detallados en Jeffcoate et al. (2009) y Wang et al. (2010). La separación química del litio de la matriz fue lograda antes del análisis de masas siguiendo el procedimiento de la técnica de Jeffcoate et al., (2009) y Misra (2009).  El montaje de disolución experimental consistió en exponer minerales evaporíticos a agua destilada a diferentes temperaturas (25⁰C y 87⁰C, 500 horas de interacción). Análisis geoquímicos del agua producida a partir del experimento previamente mencionado buscan simular la señal química de la disolución de depósitos superficiales por aguas meteóricas y termales, con el fin de caracterizarla y luego poder diferenciarla de la señal química del reservorio profundo.   4 Resultados  Las concentraciones de magnesio en aguas termales (~19,7 mg/L) están significativamente empobrecidas en relación con las aguas de lagos salinos (~685,2 mg/L) (Fig. 2). Más aun, las razones de Ca/Mg de aguas termales (~7,5)  son mayores que aquellas en aguas de lagos salinos (~1,2). La concentración total de Sr en aguas termales son bajas (Sr=3,7 mg/L; 87Sr/86Sr=0,706244) mientras que para aguas salinas ésta es alta (Sr=31 mg/L; 87Sr/86Sr=0,706314) (Fig. 3).   Figura 2.  Diagrama binario mostrando miembros extremos. TS: Manantiales termales (Thermal springs); LK: Lago/Laguna (Lake); CS: Manantiales fríos (Cold springs); ST: Escorrentías (Streams).  Las concentraciones y datos isotópicos de Li y B son Li=139 mg/L, δ7Li=5,37, B=795 mg/L, δ11B=10,6 para aguas de lagos salinos y Li=12,2 mg/L, δ7Li=2,96, B=73 mg/L, δ11B=5,09 para aguas termales (Fig. 3).  Los datos experimentales de disolución de minerales 565AT 2  geología económica y recursos naturalesevaporíticos (por ejemplo, ulexita, halita, yeso) muestran que la concentración total de Cl (3242 mg/L) y razones Br/Cl, (6,5•10-4) de las aguas experimentales resultantes son similares a las composiciones medidas para las aguas termales (Cl=~1953, Br/Cl=~7,5•10-4) (Fig. 4)."  5 Conclusiones preliminares   Se propone un set de análisis químico e isotópico a partir de muestras de agua subterráneas como una metodología adicional y de bajo costo para la exploración de recursos geotérmicos con lagunas salinas en ambientes Altiplánicos, las que en este tipo de ambientes, confunden la señal química geotermal y la aplicación de geotermómetros tradicionales.  Para la cuenca de Surire las razones de Ca/Mg de aguas termales sugieren procesos de interacción agua-roca a altas temperaturas. Las concentraciones totales de Sr junto con los datos isotópicos de Sr indican mezcla entre las aguas termales y los lagos salinos. Los resultados de Li y B están en acuerdo con la presencia de estos dos miembros extremos y son consistentes con procesos de mezcla entre ellos (Fig. 3).   Figura 3.  Diagramas de mezclas utilizando isotopos de Li, B y Sr para manantiales termales del sur de la cuenca. Punto azul que se escapa de la línea teórica de mezcla (TML) representa manantial termal alimentado por área de drenaje diferente.  Los resultados obtenidos del experimento de disolución en laboratorio sugieren que la disolución de minerales evaporíticos en lagos salinos del Altiplano afecta significativamente la geoquímica de las aguas termales (Fig. 4).   Figura 4. Símbolos café indican disolución experimental de depósitos evaporíticos. Símbolos negros indican disolución experimental de depósitos de sinter. Líneas de mezcla: Rojo indica signaturas de mezcla entre salmueras de lago y manantiales fríos; café indica mezcla entre agua meteórica que ha disuelto depósitos evaporíticos de salar y manantiales fríos.  Los datos presentados en este estudio aportan nuevos antecedentes de utilidad en la exploración de recursos geotermales asociados a lagos salinos en el Altiplano de Chile. Se concluye que la detección química de la señal “geotermal” en lagos salinos es compleja y su detección debe considerar diversos aspectos, entre los que se incluyen estudios de la química de cationes, aniones y trazas, la cual debe ser complementada por proxies isotópicos estables (Li, B) y radiogénicos (Sr).   Agradecimientos  Este proyecto esta soportado financieramente por Programa FONDAP Nº15090013 (CEGA) y por Energía Andina (EASA).   Referencias  Aguilera, F. 2008. Origen y naturaleza de los fluidos en los sistemas volcánicos, geotermales y termales de baja entalpia de la Zona Volcánica Central ((ZVC) entre los 17º43’S Y 25º10’S.  Chong, G., Pueyo, J. J., Demergasso, C.2000."Los yacimientos de boratos de Chile.  Revista geológica de Chile. v. 27 n.1 Santiago.  Dorador, C., Meneses, D., Urtuvia, V., Demergasso, C., Vila, I., Witzel, K. P., Imhoff, J. F. 2009. Diversity of Bacteroidetes in high-altitude saline evaporitic basins in northern Chile. Journal of Geophysical Research, v. 114, G00D05.  Jeffcoate , A. B., Elliot, T., Thomas, a., Bouman, C. Precise, Small Sample Size Determinations of Lithium Isotopic Compositions of Geological Reference Materials and Modern Seawater by MC-ICP-MS. V. 28, nº1, p. 161-172.  566SIM 4  SISTEMAS GEOTERMALES ANDINOSGarcia, M., Gardeweg, M., Clavero, J., Hérail, G. 2004. Hoja Arica: Región de Tarapacá, escala 1:250.000. Servicio Nacional de Geolgía y Minería, Nº84, p. 132.  Nicolau, C., Reich, M., and Lynne, B. 2014. Physico-chemical and environmental controls on siliceous sinter formation at the high-altitude El Tatio geothermal field, Chile. Journal of Volcanology and Geothermal Research, v. 282, p. 60-76.  Salas, R., 1975. Estudio Geológico del Salar de Surire, Provincia de Arica-Chile. Instituto de Investigaciones Geológicas, p. 82.  Wang B. S., You, C. F., Huang, K. F., Wu, S. F., Aggarwal, S. K., Chung, C. H., Lin, P. Y. 2010."Direct separation of boron from Na- and Ca-rich matrices by sublimation for stable isotope measurement by MC-ICP-MS. Talanta, v. 82, p. 1378-1384 !

Hidrogeoquímica de fuentes termales en ambientes salinos relacionados con salares en los Andes del norte de Chile

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