Aplicación del método magnetotelúrico a la caracterización de reservorios: Anticlinal de El Hito (Cuenca) y Sistema Geotérmico de Tenerife

Piña-Varas, Perla

2015-A
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Resumen

El método magnetotelúrico es una técnica geofísica que permite caracterizar las estructuras del subsuelo en base a la distribución de la resistividad eléctrica.

Este parámetro físico es muy sensible a pequeños cambios en la composición de un determinado volumen de roca, por lo que estará fuertemente condicionado por factores como la naturaleza y composición de la roca, la porosidad, la proporción de poros saturados, las características del fluido de saturación, la presión o la temperatura. Este hecho hace que su caracterización sea especialmente atractiva durante la etapa de exploración de reservorios geológicos.

De entre los métodos electromagnéticos, la magnetotelúrica destaca por ser el único capaz de aportar información sobre las características del subsuelo a profundidades de varios kilómetros. Por esta razón, será el único método electromagnético aplicable al estudio de reservorios profundos, como son por ejemplo, la mayoría de los sistemas geotérmicos, los posibles almacenes geológicos de CO2 o los acuíferos profundos.

En esta tesis se presentan los modelos geoeléctricos obtenidos del estudio de dos reservorios geológicos distintos: un posible almacén geológico de CO2 (Anticlinal de El Hito, Cuenca) y un sistema geotérmico convencional (Tenerife, Islas Canarias).

Asimismo, se analiza y se expone la metodología empleada para la correcta caracterización de cada una de las estructuras.

Los resultados obtenidos son significativos y aportan información relevante sobre la morfología y localización de estructuras tan importantes como son, según el caso, el sello de los reservorios, posibles fallas o posibles cámaras magmáticas.

Adicionalmente, se ha realizado en ambos casos un análisis de la respuesta magnetotelúrica de las estructuras. Así, cada estudio aporta además información sobre la metodología de inversión empleada para obtener resultados validos y satisfactorios.

Esta tesis supone, para el caso del estudio del sistema geotérmico de Tenerife, la primera etapa de los trabajos a realizar. El modelo aquí presentado, ha sido interpretado en el contexto de un sistema geotérmico y comparado con otros modelos geofísicos y geológicos. Aún así, y teniendo en cuanta la cantidad y la variedad de los estudios que se han llevado a cabo en la isla de Tenerife (geoquímica, geofísica, geología), será necesario, para extraer toda la información que el modelo puede aportar, examinar el modelo de resistividades conjuntamente con la información que no ha podido ser incluida en este trabajo.

Abstract

The magnetotelluric method (MT) uses naturally occurring electromagnetic field variations as a source for imaging the electrical resistivity structure of the earth.

Electrical resistivity is a physical property dominated by the presence of minor phases in the host rock matrix, so it will be strongly influenced by factors such as the nature and composition of the rock, the porosity, the proportion of saturated pore fluid characteristics of saturation, pressure or temperature. This characterization makes it especially attractive during the exploration stage of geological reservoirs.

Among electromagnetic methods, magnetotelluric is the only one able to provide information about the characteristics of the subsoil at depths of several kilometres.

Therefore, MT is the suitable electromagnetic method for the study of deep reservoirs, such as geothermal systems, CO2 geological reservoirs or deep aquifers.

In this thesis the MT method has been applied to characterize the geoelectrical structures below two different reservoirs: a potential CO2 geological reservoir (El Hito Anticline, Cuenca, Spain) and a conventional geothermal system (Tenerife, Canary Islands). In addition, a comprehensive analysis of the methodology used for obtain a suitable geoelectrical model of each structure is exposed.

The results obtained are significant and provide relevant information on the morphology and location of the most important structures, such as the seal, faults or the magma chambers.

Moreover, an analysis of the magnetotelluric response of each structure has been carried out. Thus, each study provides information about the inversion methodology used to obtain valid and satisfactory results.

In the case of the Tenerife geothermal system study, this thesis is the first stage of the work to be carried. The resistivity model presented here has been interpreted in the context of a geothermal system and compared with other geophysical and geological models. Nevertheless, and taking into account the number and variety of studies have been conducted on the island of Tenerife (geochemistry, geophysics, geology), it is necessary review the resistivity model jointly with that information that could not be included in this work.

Índice

1. INTRODUCCIÓN

1.1. PRESENTACIÓN

1.2. OBJETIVOS PRINCIPALES

PARTE I

2. FUNDAMENTOS DEL MÉTODO MAGNETOTELÚRICO

2.1. ECUACIONES FUNDAMENTALES DEL MÉTODO MAGNETOTELÚRICO

2.2. COMPORTAMIENTO ELÉCTRICO DE LOS MATERIALES DE LA CORTEZA TERRESTRE

2.3. RESPUESTAS MAGNETOTELÚRICAS

2.3.1. TENSOR DE IMPEDANCIAS

2.3.2. FUNCIÓN DE TRANSFERENCIA GEOMAGNÉTICA

2.3.3. INVARIANTES ROTACIONALES

2.4. DIMENSIONALIDAD GEOELÉCTRICA

2.4.1. MEDIOS UNIDIMENSIONALES (1-D)

2.4.2. MEDIOS BIDIMENSIONALES (2-D)

2.4.3. MEDIOS TRIDIMENSIONALES (3-D)

2.4.4. SUBESTIMACIÓN DE LA DIMENSIONALIDAD

2.5. EFECTOS DE DISTORSIÓN 2

2.6. MODELIZACIÓN DE LOS DATOS. OBTENCIÓN DEL MODELO GEOELÉCTRICO

2.7. INTERPRETACIÓN DEL MODELO GEOELÉCTRICO: INTEGRACIÓN DE DATOS GEOFÍSICOS Y GEOLÓGICOS

3. MAGNETOTELÚRICA APLICADA A LA CARACTERIZACIÓN DE RESERVORIOS PROFUNDOS

3.1. CARACTERIZACIÓN DE ALMACENES GEOLÓGICOS DE CO2

3.1.1. ACUÍFEROS SALINOS PROFUNDOS

3.2. CARACTERIZACIÓN DE SISTEMAS GEOTÉRMICOS DE ALTA ENTALPÍA

3.2.1. SISTEMAS GEOTÉRMICOS CONVENCIONALES

PARTE II

4. CARACTERIZACIÓN GEOELÉCTRICA 2-D DEL ANTICLINAL DE EL HITO

4.1. INFORMACIÓN PREVIA

4.1.1. MARCO GEOLÓGICO REGIONAL

4.1.2. EL ANTICLINAL DE EL HITO (EHA)

4.2. DATOS MAGNETOTELURICOS

4.2.1. ADQUISICIÓN Y PROCESADO DE LOS DATOS

4.2.2. ANÁLISIS DE DIMENSIONALIDAD Y CÁLCULO DEL ÁNGULO DE STRIKE

4.3. INVERSION 2-D

4.3.1. INVERSIONES PRELIMINARES

4.3.2. MODELO CONCEPTUAL Y PRUEBAS CON DATOS SINTÉTICOS

4.3.3. OBTENCIÓN DE LOS MODELOS GEOELÉCTRICOS FINALES

4.4. INTERPRETACIÓN DE LOS MODELOS DE RESISTIVIDAD FINALES

4.4.1. ESTRUCTURAS CONDUCTORAS (C1 Y C2)

4.4.2. ESTRUCTURAS RESISTIVAS (R1 Y R2)

4.5. CONCLUSIONES

5. CARACTERIZACIÓN 3-D DEL SISTEMA GEOTÉRMICO DE LA ISLA DE TENERIFE 91

5.1. MARCO GEOLÓGICO

5.1.1. LAS ISLAS CANARIAS

5.1.2. TENERIFE

5.1.2.1. Manifestaciones hidrotermales y prospección geotérmica

5.1.2.2. Estudios geofísicos previos

5.2. DATOS MAGNETOTELÚRICOS

5.2.1. ANÁLISIS DE LOS DATOS DE MT

5.2.1.1. Análisis de la dimensionalidad

5.2.1.2. Distorsiones: efecto del mar y de la topografía sobre las respuestas magnetotelúricas

5.3. INVERSIÓN 3-D

5.3.1. MODELO FINAL

5.3.1.1. Pruebas de sensibilidad

5.4. INTERPRETACIÓN DEL MODELO 3-D FINAL

5.4.1. SISTEMA GEOTÉRMICO

5.4.2. APORTACIONES A LA ESTRUCTURA INTERNA DE LA ISLA

5.4.2.1. Origen de la caldera de Las Cañadas

5.4.2.2. Cámaras magmáticas

5.4.2.2.1. Cámaras fonolíticas someras: Complejo Las Cañadas Teide-Pico Viejo.

5.4.2.2.2. Cámara máfica profunda: Erupciones basálticas.

5.4.2.3. Comparación con otros modelos geofísicos.

5.5. DISCUSIÓN

5.6. CONCLUSIONES

PARTE III

6. CONCLUSIONES Y TRABAJOS FUTUROS

6.1. CONCLUSIONES

6.1.1. ANTICLINAL DE EL HITO

6.1.2. SISTEMA GEOTÉRMICO DE TENERIFE

6.2. TRABAJOS FUTUROS

BIBLIOGRAFÍA

ANEXO

ANEXO DIGITAL (CD)

Conclusiones

6.1. CONCLUSIONES

En esta memoria se han presentado los resultados derivados de la aplicación del método magnetotelúrico al estudio de dos reservorios geológicos distintos: I) El anticlinal de El Hito, considerado inicialmente como posible almacén geológico de CO2, y II) El sistema geotérmico de la isla de Tenerife. Consecuentemente, los objetivos principales de esta tesis estaban relacionados con la caracterización geoeléctrica de ambas estructuras.

Adicionalmente, durante el transcurso de la tesis surgieron cuestiones de carácter metodológico, por lo que ambos estudios aportan, además, conclusiones referentes a las técnicas empleadas para la correcta caracterización de cada reservorios.

Las conclusiones extraídas se han expuesto al final de cada capítulo, no obstante se resumirán aquí las contribuciones al conocimiento de cada zona de estudio desde un punto de vista más general.

6.1.1. Anticlinal de El Hito

Los modelos 2-D de resistividades obtenidos en este estudio aportan nueva información sobre la geometría del anticlinal, tanto de la cobertera como del basamento.

La geometría de la cobertera se ha obtenido a partir de la correlación establecida entre los principales niveles estratigráficos y la resistividad eléctrica. Así, observamos por ejemplo, como los carbonatos jurásicos-cretácicos presentan cambios de resistividad muy marcados debido a su alto grado de fracturación (Piña-Varas et al., 2013). Algunas de estas fallas, que afectan a todos los materiales de la cobertera, han sido detectadas y caracterizadas a partir del modelo de resistividades, otras en cambio, ya aparecían en los cortes geológicos de detalle realizados por Biete et al. (2012).

Por el contrario, la estructura del basamento no pudo obtenerse directamente a partir de la distribución de resistividades, ya que los últimos 800 m de cobertera y los 200 primeros metros de basamento presentan el mismo comportamiento geoeléctrico. Para conseguir información del contacto basamento/cobertera fue necesario realizar sucesivas pruebas de sensibilidad. De estas pruebas se deduce, por un lado, que el basamento se sitúa a profundidades mayores hacia el sur de la zona de estudio, y por otro, que podría estar afectado por fallas. Estas fracturas generan altos estructurales y algunas de ellas fueron observadas en las líneas sísmicas cercanas y recogidos en los trabajos de Querol (1989) y Biete et al. (2012). A partir de los modelos de resistividad se estima un salto aproximado para estas fallas de unos 300 m.

Estas serían las principales aportaciones de los modelos 2-D en cuanto a la caracterización del anticlinal. Pero para la obtención de estos modelos geoeléctricos se tuvieron que resolver ciertos problemas adicionales. Al inicio del estudio, y tras las primeras inversiones, se obtuvieron resultados que chochaban con la información geológica previa. Esto obligó a realizar un análisis de la respuesta magnetotelúrica generada por una estructura de características similares a la estudiada. Para ello, se construyeron una serie de modelos conceptuales basados en información geofísica y geológica previa. De este análisis se deduce que para recuperar la estructura a partir de la

inversión de los datos magnetotelúricos será necesario utilizar un modelo inicial adecuado. En este caso concreto, el modelo inicial óptimo resulto ser aquel que incorpora información geológica y geofísica previa, es decir, que contiene una cierta estructura geoeléctrica pero que permite a la vez, todo tipo de modificaciones introducidas por el propio proceso de inversión.

Así pues, el estudio realizado en el anticlinal de El Hito pone de relieve la importancia del modelo inicial seleccionado para la inversión de los datos magnetotelúricos.

6.1.2. Sistema geotérmico de Tenerife

Para la caracterización del sistema geotérmico de la isla de Tenerife fue necesario realizar un modelo tridimensional, para lo que se utilizaron datos procedentes de diferentes campañas. Algunos de ellos, adquiridos a finales de los años 80 y disponibles tan solo en formato papel, fueron previamente digitalizados.

De entre las características de la zona de estudio destacan, por un lado, el hecho de ser una isla, y por otro, la presencia de una topografía muy escarpada, que va de 0 m s.n.m en la línea de costa a 3718 m s.n.m en el centro de la isla (Pico del Teide). Estas peculiaridades afectan a los datos magnetotelúricos, por lo que no pueden ser obviadas.

Por lo tanto, fue necesario realizar un análisis de la influencia del mar y de la topografía sobre las respuestas magnetotelúricas. Los resultados del análisis, realizado en base a un modelo conceptual 3-D, indican que la influencia de la topografía y del mar se hace evidente a partir de 0.6 Hz y de 0.1 Hz, respectivamente. Así, para conseguir resultados válidos a profundidades superiores a los 3 km, es necesario incluir la topografía y el océano en el proceso de inversión 3-D (Piña-Varas et al., 2014).

El modelo final obtenido tras la inversión 3-D de 148 sondeos magnetotelúricos muestra una distribución de resistividades similar a la típicamente asociada a sistemas geotérmicos convencionales (Árnason et al., 1987, 2000; Uchida, 1995; Pellerin 1996; Árnason y Flóvenz, 1998; Oskooi et al., 2005; Cumming 2009). La estructura

geoeléctrica más llamativa ha sido interpretada como el sello del reservorio (clay cap), caracterizada por estar muy bien definida en el modelo y por su baja resistividad. Bajo este sello, la resistividad eléctrica aumenta paulatinamente con la profundidad, comportamiento asociado en ambientes geotérmicos a un aumento en la temperatura (Muñoz, 2014). Así, la zona más profunda, definida por presentar resistividades mediasaltas, podría asociarse a la parte más caliente del sistema geotérmico (Ussher et al., 2000).

Adicionalmente, el modelo aporta información referente a cuestiones aún sin resolver, como son la formación de la Caldera de Las Cañadas y la localización de las cámaras magmáticas asociadas al complejo TPV. En relación al origen de la Caldera de Las Cañadas, la información aportada por los datos magnetotelúricos apunta hacia la teoría del colapso vertical. Para el caso de la localización de las cámaras magmáticas, se deduce de los datos magnetotelúricos que las cámaras fonolíticas someras (entre 1 y -2 km s.n.m) han de ser de dimensiones inferiores a los 3x3x1 km; mientras que el reservorio máfico, que se espera sea de mayores dimensiones, estaría localizado a profundidades superiores a los 8 km b.n.m.

La interpretación del modelo final teniendo en cuenta información procedente de estudios geofísicos, geológicos, petrológicos e hidrogeológicos, hace pensar que la estructura geoeléctrica reflejada en nuestro modelo posiblemente corresponda a la superposición de diferentes sistemas geotérmicos, no siendo posible, por lo tanto, discernir cuál es el sistema geotérmico actual en base tan solo a la distribución de resistividades.

6.2. TRABAJOS FUTUROS

Los dos trabajos aquí presentados han sido desarrollados en zonas donde se han llevado a cabo diferentes investigaciones. Así, las perspectivas de futuro para ambos casos, están relacionadas con la integración e interpretación conjunta del modelo de resistividades y otros modelos geofísicos y geológicos.

En el caso del anticlinal de El Hito no son muchos los estudios realizados a una escala tal que permita la correcta caracterización de la estructura. Entre los trabajos que se centran específicamente en este pequeño anticlinal, están la cartografía de detalle efectuada por Biete et al. (2012), el estudio magnetotelúrico aquí presentado y el estudio gravimétrico realizado por el IGME, todos ellos enmarcados en el mismo proyecto (García-Lobón et

al., 2011). La cartografía de detalle ha sido tenida en cuenta tanto para la realización de los modelos iniciales, como para la interpretación de los modelos de resistividad finales. Así pues, quedaría pendiente realizar una comparación e interpretación conjunta del modelo de resistividades y el modelo gravimétrico 3-D.

En cambio, es mucha y muy variada la información existente en la isla de Tenerife. En esta tesis se ha presentado una primera comparativa del modelo de resistividades y otros modelos geofísicos, tales como el modelo de tomografía sísmica 3-D realizado por García-Yeguas et al. (2012), o el mapa de anomalías de Bouguer presentado por Gottsmann et al. (2008). Aún así, sería conveniente realizar un análisis más exhaustivo de toda esta información.

En lo referente a la caracterización del sistema geotérmico actual, sería útil examinar conjuntamente el modelo de resistividades y la información geoquímica existente. Especialmente interesante sería la comparación con la información aportada por las campañas de geoquímica de gases y volátiles en ambiente superficial realizadas por el ITER (Instituto Tecnológico de Energías Renovables) para Petratherm s.l. Así, podría definirse qué zonas del sistema geotérmico reflejado en el modelo de resistividades corresponderían a zonas actualmente activas.

Finalmente, y en relación a la localización de las cámaras magmáticas, sería conveniente incorporar más datos magnetotelúricos en la zona central de la isla y realizar nuevas inversiones. Los resultados presentados en esta tesis demuestran que las posibilidades de localizar las cámaras fonolíticas someras están limitadas por el número de sondeos existentes en la zona de la Caldera de Las Cañadas.