Origen de la Estructura de la Caldera Cañas Dulces y su Relación con el Recurso Geotérmico de Alta Entalpía

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Molina, Fernando

2018-A
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Resumen

Resumen
El ambiente geotect¢nico en que se ubica Costa Rica, ha permitido el desarrollo de un arco volc nico activo, contexto geol¢gico que favorece la formaci¢n de sistemas hidrotermales con potencial geot‚rmico; fuente de energ¡a aut¢ctona, sostenible y de bajo impacto para el ambiente, que por sus caracter¡sticas se ajusta a las pol¡ticas econ¢micas y ambientales del pa¡s. No obstante, es bien conocido que el desarrollo de un proyecto geot‚rmico implica un alto riesgo econ¢mico, lo que se ha tornado en un factor determinante a nivel mundial, que limita un mayor provecho de este recurso para generar electricidad. Sin embargo, en Costa Rica la energ¡a geot‚rmica es estrat‚gicamente importante, pues se utiliza en la base de la matriz el‚ctrica, por lo que el Instituto Costarricense de Electricidad (ICE) tiene programado iniciar en el primer semestre del 2018 el desarrollo del campo geot‚rmico Borinquen, ubicado en la falda oeste del volc n Rinc¢n de la Vieja, Guanacaste, Costa Rica. Proyecto que dio origen a esta tesis doctoral, cuyo principal objetivo es mejorar la comprensi¢n del sistema hidrotermal relacionado con la zona geot‚rmica Borinquen, para mitigar el riesgo asociado al desarrollo en busca de logar una explotaci¢n sostenible. Para lo cual, la investigaci¢n se enfoca en tres aspectos principales:
El trabajo inicia con los estudios de exploraci¢n a nivel regional, con el fin de plantear un modelo volcanol¢gico estructural del  rea de estudio. El cual se realiza con base en datos obtenidos por el ICE desde 1974, conjuntamente con nuevos trabajos de teledetecci¢n, geolog¡a de campo, descripciones exhaustivas de perforaciones, dataciones radiom‚tricas, reinterpretaci¢n de datos gravim‚tricos y an lisis de sismos naturales e inducidos; lo que permite describir la estratigraf¡a, estructura y evoluci¢n volc nica de la zona de inter‚s.
El estudio contin£a con investigaciones m s detalladas en el flanco suroeste del volc n Rinc¢n de la Vieja, en busca de corroborar la existencia de un sistema hidrotermal econ¢micamente explotable y plantear un modelo conceptual de la zona geot‚rmica Borinquen. Se utiliza como base el modelo volcanol¢gico estructural, se analiza e integra la distribuci¢n de la: litoestratigraf¡a, mineralog¡a de alteraci¢n, resistiva aparente, gradiente t‚rmico, as¡ como composici¢n geoqu¡mica e isot¢pica de los fluidos provenientes de agua mete¢rica, manifestaciones hidrotermales y pozos. Informaci¢n con la que se determina la ubicaci¢n de: fuente de calor, reservorio, capa sello, zona de recarga, pasos preferenciales y direcci¢n del fluido. En la tercera parte del estudio, se dise¤a una estrategia inicial de desarrollo viable para la zona Geot‚rmica Borinquen. Se integra y analiza la informaci¢n geol¢gica, geof¡sica, gradiente t‚rmico y el modelo conceptual del sistema hidrotermal, para generar modelos de aptitud con los que se zonifica el recurso geot‚rmico de alta entalp¡a, e identifican las  reas aptas para ubicar: las zonas de producci¢n y reinyecci¢n; as¡ como, las plazoletas de perforaci¢n. Adem s, por medio del m‚todo volum‚trico ?USGS Heat in Palce? y el simulador Montecarlo, se eval£a el potencial geot‚rmico y estima la energ¡a el‚ctrica que puede generar el  rea destinada como zona de producci¢n, con un fundamento estad¡stico y probabil¡stico. Con esta informaci¢n se calcula el n£mero de pozos necesarios para iniciar la producci¢n de 50 MWe y plantear una estrategia inicial de desarrollo viable, que busca fundar las bases para lograr la explotaci¢n sostenible del Campo Geot‚rmico Borinquen.



Abstract

Summary
The Costa Rican Electricity Utility (ICE) has programmed to start the first semester of 2018 with the development of the Borinquen Geothermal Field, located on the western flank of the the Rinc¢n de la Vieja volcano, Guanacaste, Costa Rica. The mentioned Project has given rise to this Doctoral Thesis, which has the main objective of bettering the understanding of the hydrotheral system related with the Borinquen geothermal zone, in order to mitigate the risk associated with development, in the search of achisustainable exploitation. That is why this investigation focuses on three main aspects:
Work begins with regional exploration studies, with the aim of proposing a vulcanologic-structural model for the study area. This is done based on the data obtained by ICE since 1974, along with new studies of teledetection, field geology, exhaustive borehole descriptions, radiometric datings, reinterpretaci¢n of gravimetric data as well as the analysis of natural and induced sismic activity; which have permitted to discover the stratigraphy, strucucture and volcanic evolution in the area of interest.
Work continues with more detailed invsetigations on the southwest flank of the Rinc¢n de la Vieja volcano, in search of confirming the existence of an economically exploitable hydrothermal system and propose a conceptual model for the Borinquen geothermal zone. Using the vulcanologic-structural model as a base, lithology, alteration mineralogy, apparent resistivity, geothermal gradient, the geochemical and isotopic composition of the meteoric waters, hydrothermal manifestations and boreholes are analyzed and integrated. This information is used to determine the location of: the heat source, the reservoir, the cap rock, the recharge zone and preferential flow directions. In the third part of the study, an initial development strategy, viable for the Borinquen geohtermal zone, is designed. Geologic, geophysical and thermal gradient information is analyzed and integrated with the conceptual hydrothermal system model to locate: production and reinjection zones; as well as well pads for boreholes. Also, by of the volumetric method ?USGS Heat in Place? and a Montecarlo simulator, the geothermal potential is evaluated and an estimate of the electric energy that can be generated is made for the production zone, based on statistics and probability. With this information the number of boreholes is calculated to start a production of 50 MWe and propose an initial strategy for viable development, which searches to form the base for achieving a sustainable exploitation of the Borinquen Geothermal Field.



Índice

Tabla de contenido
Resumen v
Summary vi
Lista de Figuras x
Lista de Tablas xii
1 Introducci¢n 1
1.1 Motivaci¢n 1
1.2 Objetivos 3
1.3 Estructura de la tesis 5
2 Estado del Arte 6
2.1 Energ¡a geot‚rmica 6
2.1.1 Clasificaci¢n de los sistemas geot‚rmicos 7
2.2 Estudios geocient¡ficos de exploraci¢n de recursos geot‚rmicos de alta entalp¡a 8
2.3 Historia del desarrollo de la energ¡a geot‚rmica en Costa Rica 10
2.3.1 Campo Geot‚rmico Miravalles 11
2.3.2 Campo Geot‚rmico Las Pailas 11
2.3.3 Zona Geot‚rmica Borinquen 12
3 Resultados 13
3.1 Modelo volcanol¢gico estructural del  rea de estudio 13
3.1.1 Estratigraf¡a 13
3.1.1.1 Unidad Pre-Formaci¢n Liberia 14
3.1.1.2 Formaci¢n Liberia 18
3.1.1.3 Post- Formaci¢n Liberia 19
3.1.2 Geolog¡a Estructural 20
3.1.2.1 Sensores Remotos 20
3.1.2.2 Datos de campo 23
3.1.2.3 Gravimetr¡a 25
3.1.2.4 Localizaci¢n de sismos 26
3.2 El sistema geot‚rmico Borinquen 29
3.2.1 Mineralog¡a de alteraci¢n 29
3.2.1.1 Zona de esmectita 30
3.2.1.2 Zona de transici¢n 30
3.2.1.3 Zona de Illita 31
3.2.2 Zonas permeables 33
3.2.3 Magnetotel£rica 34
3.2.4 Manifestaciones Termales 36
3.2.5 Hidrogeoqu¡mica 37
3.2.6 Gradiente t‚rmico 41
3.2.7 Is¢topos estables Deuterio y Ox¡geno 18 (? D y ? 18O) 43
3.3 Estrategia inicial de desarrollo para la zona geot‚rmica Borinquen 47
3.3.1 Selecci¢n de  reas aptas para ubicar plataformas de perforaci¢n 49
3.3.1.1 Pendientes 49
3.3.1.2 Red h¡drica 49
3.3.1.3 Infraestructura existente 49
3.3.1.4 Plataformas existentes 50
3.3.2 Zonificaci¢n del recurso geot‚rmico de alta entalp¡a 51
3.3.2.1 Resistividad 52
3.3.2.2 Gradiente t‚rmico 53
3.3.2.3 Estructuras 54
3.3.2.4 Resultados del modelo de zonificaci¢n del recurso geot‚rmico 55
3.3.3 Evaluaci¢n del potencial energ‚tico 58
3.3.4 Caracter¡sticas de termo-hidr ulicas los pozos geot‚rmicos 63
4 Discusi¢n 64
4.1 Evoluci¢n volcano-tect¢nica de la del  rea de estudio 64
4.1.1 Estratigraf¡a 65
4.1.2 L¡mites estructurales de la Caldera 65
4.1.3 Formaci¢n de la caldera Ca¤as Dulces 69
4.2 Sistema hidrotermal zona geot‚rmica Borinquen 71
4.2.1 Modelo conceptual 73
4.3 Estrategia inicial de desarrollo 76
4.3.1 Escenario 1: utilizando los pozos PGB 01, PGB 02 y PGB 05 78
4.3.2 Escenario 2: utilizando los pozos PGB 02 y PGB 05 78
4.3.3 Selecci¢n de plazoletas y pozos 78
5 Conclusiones 80
5.1 Conclusiones 80
Referencias 84
Anexos 89
A Stratigraphy and structure of the Ca¤as Dulces caldera (Costa Rica) 90
B The Borinquen geothermal system (Ca¤as Dulces caldera, Costa Rica) 108
C Proposal of an initial development strategy for the Borinquen geothermal zone (Ca¤as Dulces, Costa Rica). 125



Conclusiones

Con el fin de mejorar la comprensi¢n del sistema hidrotermal relacionado con la zona geot‚rmica de Borinquen, se ejecut¢ los estudios geocient¡ficos desde la etapa de prospecci¢n hasta el inicio del desarrollo. Considerando que se debe conocer la geolog¡a de la regi¢n para entender la geotermia, los trabajos iniciales de exploraci¢n se orientaron a dilucidar la evoluci¢n volcano-estructural del lugar. Seguidamente, los estudios se enfocan en comprobar la existencia de un sistema hidrotermal con potencial geot‚rmico econ¢micamente explotable. Por £ltimo, la informaci¢n se sintetiz¢ y vincul¢ met¢dicamente, para plantear una estrategia inicial de desarrollo, que permita ubicar los blancos de perforaci¢n en busca de incrementar la probabilidad de ‚xito y disminuir el costo del desarrollo del futuro campo geot‚rmico Borinquen.
Conclusiones
Por medio de geolog¡a de campo, sensores remotos, estratigraf¡a de pozos geot‚rmicos de exploraci¢n, dataciones radiom‚tricas, geolog¡a estructural y geof¡sica, se identific¢ y construyo un modelo comprensivo de la evoluci¢n volcano-tect¢nica, en la que se vislumbran dos eventos que marca el potencial geot‚rmico de alta entalp¡a del  rea estudio, el origen y evoluci¢n de la caldera Ca¤as Dulces y la instauraci¢n de los actuales estratovolcanes Rinc¢n de la Vieja ? Santa Mar¡a.
El colapso cald‚rico sucedi¢ hace 1,43 Ma., en el sector noroeste del arco magm tico interno de Costa Rica, como resultado de una erupci¢n masiva de magma dac¡tico ? riol¡tico, que dio origen a la formaci¢n de la ignimbrita de Liberia y dep¢sitos asociados. El colapso cald‚rico fue principalmente controlado por fallas preexistentes y gener¢ una depresi¢n de 186 km3 en volumen, que fue llenado principalmente con productos sincald‚ricos. La formaci¢n de la caldera caus¢ la destrucci¢n del sistema magm tico superficial y permiti¢ la intrusi¢n de magmas m s profundos, que progresivamente formaron un sistema magm tico m s superficial dentro de los l¡mites de la caldera. Este nuevo sistema fue el responsable de la construcci¢n de los estratovolcanes Rinc¢n de la Vieja ? Santa Mar¡a, cubriendo la mayor parte de la estructura cald‚rica.
La formaci¢n de la caldera y la instalaci¢n de un nuevo sistema magm tico poco profundo han creado condiciones adecuadas para el desarrollo de un sistema hidrotermal en el flanco oeste del volc n Rinc¢n de la Vieja, sector central W de la caldera Ca¤as Dulces, que por medio de los estudios de mineralog¡a de alteraci¢n, magnetotel£rica, hidrogeoqu¡mica, gradiente t‚rmico e isotopos estables; se determin¢ los elementos que prueban la existencia de un reservorio geot‚rmico de alta entalp¡a comercialmente explotable. Aunque en un inicio se vislumbr¢ que la fuente de calor pudo estar asociada al sistema magm tico que caus¢ el colapso cald‚rico; tal y como lo comenta Gottsmann and Mart¡ (2008), las calderas volc nicas son sitios ideales para el desarrollo de sistemas geot‚rmicos de gran magnitud debido a los vol£menes de magma que se acumulas en el subsuelo a poca profundidad; la evidencia muestra que debido a la edad de la ignimbrita de Liberia, con el paso del tiempo perdi¢ el potencial geot‚rmico; pero intrusiones magm ticas relacionada con el volc n Rinc¢n de la Vieja originaron una nueva fuente calor. Aun as¡, la extensi¢n y din mica del sistema hidrotermal contin£a controlada por los l¡mites estructurales de la caldera y el sistema de fallas regionales que favorecieron el colapso. El agua mete¢rica proveniente en su mayor¡a de la vertiente Caribe, principal fuente de recarga, aprovecha la permeabilidad generada por sistemas de estructuras para infiltrarse, hasta alcanzar profundidades donde entra en contacto con roca caliente y se mezcla con fluidos magm ticos. Posteriormente asciende y se almacena en las rocas del Grupo Bagaces (materiales precald‚ricos) y la Formaci¢n Liberia (materiales sin-cald‚ricos), hasta chocar con la base de la capa sello, formando un reservorio sodio clorurado, de pH neutro, con una temperatura igual o superior a 235 øC, que fluye de forma natural hacia el W.
Este ambiente geol¢gico motiv¢ el dise¤o de una estrategia inicial de desarrollo, en la que se establecen las  reas id¢neas para ubicar: las plataformas de perforaci¢n, zonas de producci¢n y reinjecci¢n. Al analizar por medio del m‚todo volum‚trico USGS Heat in Place y el simulador Monte Carlo, utilizando 3 juegos de datos para definir el  rea que ser  dedicada como zona de producci¢n, se concluye que, aun el escenario m s conservador (7.31 km3 de yacimiento geot‚rmico), la zona geot‚rmica de Borinquen tiene potencial energ‚tico extra¡ble para instalar una unidad geotermoel‚ctrica con capacidad de 50 MWe, por un periodo de vida £til de 30 a¤os. Para desarrollar este escenario se debe perforar 5 pozos de producci¢n, por lo que se recomienda construir las plazoletas PLB 06 y PLB 09. De esta forma se dispone de una amplia gama de opciones para ubicar los siguientes 5 pozos. Sin embargo, en esta etapa, aun con gran disposici¢n de alternativas, no es oportuno acelerar el proceso de perforaci¢n realizando m s de un pozo a la vez, pues se debe esperar los resultados del pozo perforado, para utilizarlos en la selecci¢n y ubicaci¢n del siguiente. Por lo tanto, para conocer m s el reservorio bajo el  rea designada para producci¢n se propone, realizar una perforaci¢n desde la PLB 09 con rumbo E y otra en la PLB 06 con rumbo NE (Fig. 4.5). Por otra parte, se debe perforar 7 pozos de reinyecci¢n, lo cual amerita construir las plataformas PLB 07, PLB 08 y PLB 10, y perforar un pozo en cada una de ellas, dirigidos hacia la zona de reinyecci¢n (PLB 08 al NNW, PLB 07 al NW y PLB 10 al W). Bajo estas condiciones, considerando instalar una planta geotermoel‚ctrica de 50 MWe, para desarrollar el campo geot‚rmico Borinquen, hace falta realizar 12 pozos geot‚rmicos, con un costo promedio estimado de 4 millones de d¢lares USA (para el ICE), la inversi¢n necesaria £nicamente en el proceso de perforaci¢n ronda los $ 48 millones de d¢lares USA.

Figura 4.5: Estrategia inicial de desarrollo para la zona geot‚rmica de Borinquen.