The conductive and advective heat flow budget across the Gulf of California rift system

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Neumann, Florian

2018-A
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Resumen

Sinopsis

El Gobierno Federal de México propuso dentro de su Plan para el Desarrollo, generar 20% de
su energía a partir de fuentes renovables. Por esta razón, la Secretaria de Energía creó el Centro
Mexicano de Innovación en Energía Geotérmica (CeMIE-Geo). El CeMIE-Geo esta formado por
varias instituciones académicas, empresas y entidades federales con el fin de la investigación del
aprovechamiento de la energía geométrica.
Este trabajo es parte del proyecto “Campaña Intensiva de Exploración Geotérmica de las Cuencas
Wagner, Consag, Delfín, Guaymas y Alarcón del Sistema de Rifts del Golfo de California».
En este proyecto se levantaron 33 datos de flujo de calor a lo largo de la cuenca Wagner en el Alto
Gulfo de California. El perfil mide 40 km con un espaciamiento de ~ 1 km y esta colocado sobre
un perfil de sísmica de reflexión, procesado e interpretado por Aragón-Arreola y Martín-Barajas
(2007). Las mediciones de flujo de calor se hicieron con una sonda tipo arco de violin, construida
por la compañía FIELAX con una longitude de 6 m. Sobre la sonda de acero inoxidable esta
montado el sensor (6 m) que contiene 22 termistores, donde se registran las temperaturas del
subsuelo. Para obtener una medición de flujo de calor es necesario realizar 6 pasos: A) La sonda
se baja hacia fondo marino; B) La sonda penetra el sedimento y en este paso las temperaturas aumenten
debido a la fricción entre el sensor y el sedimento; C) El decaimiento de las temperaturas
generado por la fricción determina las temperaturas de equilibrio y se calcula el gradiente térmico;
D) Después de un tiempo determinado, donde la sonda se encuentra en condiciones estables,
se dispara un pulso de calor (20 s); E) Se mide el decaimiento durante 20 minutos, en donde se
calcula las propiedades termicas del sedimento como la conductividad y la difusividad térmica; F)
Por último la sonda se retira del fondo marino.
Los datos levantados se analizaron y procesaron usando el método establecido por Hartmann y
Villinger (2002). Las mediciones de flujo de calor en general se realizan a altas profundidades (>
1500 m) para reducir los efectos de la variación de la temperatura del fondo, inducida por efectos
climáticos. La cuenca Wagner tiene una profundidad máxima de ~ 250 m, y por lo cual, su temperatura
del subsuelo esta fuertemente alterada por la variación de la temperatura de superficie.
Además de la variación de la temperatura de fondo, el flujo de calor es reducido por el efecto de
una sedimentación rápida. Los sedimentos pueden reducir los flujos de calor superficiales hasta
que el paquete de los sedimentos llegan a una temperatura de fondo estable. Los sedimentos en
el Alto Golfo de California llagan a alcanzar un espesor de > 7 km (Persaud et al., 2003; Aragón
Arreola y Martín-Barajas 2007; González-Fernández et al,. 2005; González-Escobar et al., 2009).
Los datos deben de corregirse por estos dos efectos. Para el efecto de la temperatura de fondo,
se generó un método usando una aproximación sinusoidal con periodo anual. La solución para
la ecuación de conducción de calor dependiente del tiempo, unidimensional es: T(z, t) = T0 +
Gamma(z)+deltaT*exp(−z sqrt(omega/2*kappa)cos(omega t -z sqrt(omega/2*kappa))
, donde T es la temperatura, t el tiempo, T0 es la variación de la temperatura de fondo a
largo plazo, Gamma(z) el gradiente térmico profundo, deltaT la amplitud de
la variación de la temperatura de fondo, kappa la difusividad térmica y omega la frecuencia angular. El
gradiente térmico profundo se substituye por el análisis de Bullard (Bullard, 1939). El término
exponencial describe la atenuación de la onda térmica y significa que para variaciones cortas (diurnas)
la penetración es menor que para variaciones largas (anuales).
La ecuación anterior se emplea para determinar T0, Gamma(z), deltaT y, haciendo el análisis de sensibilidad,
resulta que los procentajes de variabilidad de los parametros estimados son bajos ( 2%).
Para explorar la naturaleza de la variación de la temperatura de fondo se usaron perfiles CTD,
(Conductividad, Temperatura y Profundidad) en sus siglas en ingles. Se analizaron 1163 perfiles
tipo CTD para demostrar, primero, que la variación anual se comporta como una señal sinusoidal
y, segundo, que la variación total en superficie es entre 16.4″ y 31.0″ y para una profundidad de
200 m entre 13.4 C y 16.4 C grados centigrados.
En el caso del efecto de sedimentación, asumiendo que la taza de sedimentación es de 1-2 mm
yr−1 en los últimos 5-6 Myr años, la depresión del flujo de calor es aproximadamente 40%.
Los resultados están divididos en tres regiones a lo largo de la cuenca Wagner, la parte occidental
donde se observa un promedio de 220 mW m−2, la parte central con un valor de 99 mW m−2 y
la parte oriental con un valor de flujo de calor de 889 mW m−2. La parte occidental representa
valores ligeramente elevados con respecto a la parte central, donde los valores son relativamente
consistentes. La parte oriental representa valores muy altos y variables. El flujo de calor en la
parte central de la cuenca, después de la corrección por sedimentación es de 150 mW m−2, el
cual es apropiado y interpretado como el flujo de calor de fondo. Los valores de flujo de calor
en las partes occidental y oriental, por otra parte, están interpretados como flujos enfocado de
fluidos.
El análisis del flujo advectivo indica que las velocidades de Darcy usando una profundidad promedio
de las fallas de ~ 1.75 km, son de 2 y 8 cm yr−1 para la parte occidental y oriental, respectivamente
El valor para la parte central (150 mW m−2) coincide con un modelo establecido por Lachenbruch
et al., (1985) en el área del Salton Trough, al norte de la cuenca Wagner. Para calcular este flujo
se usaron dos diferentes modelos, uno que incluye el flujo de calor superficial orginando por de
intrusións magmaticas por debajo de la corteza y otro causado por la intrusión por diques. Si hay
intrusión por diques significa que la corteza esta rota, mientras que en el caso de intrusión por
debajo de la placa significa que la litosfera esta en proceso de ruptura.
Los resultados de los modelos son de 113 mW m−2 y 173 mW m−2 para la intrusión magmatica
por debajo de la placa y la intrusión por diques, respectivamente.
Concluyendo se puede decir que el valor de flujo de calor en la parte central de la cuenca Wagner
es de 150 mW m−2 el cual, coincide con el modelo de intrusión magmatica por debajo de la placa
y con el valor calculado basado en un análisis de isotermas de Curie de 126 mW m−2.

Abstract

Índice

Content

Abstract in English
Abstract in Spanish
Dedication
Acknowledgement
List of figures
List of tables
Sinopsis

Chapter 1 Introduction
1.1 Basic heat terms
1.2 Geothermal energy
1.3 Gulf of California
1.4 Wagner basin
1.5 Previous studies
1.5.1 Heat flow
1.5.2 Seismic reflection lines and seismic events
1.5.3 Bathymetry
1.5.4 Magnetic and gravity data
1.6 Goals

Chapter 2 Acquisition and analysis of marine heat flow
2.1 Marine heat flow probe
2.2 Marine heat flow measurement
2.2.1 Configuring the memory probe
2.2.2 Stages of measuring process
2.3 Data analysis
2.3.1 Raw data and processing files
2.3.2 Inversion of heat flow data
2.3.2.1 Calculations on the cylindrical probe
2.3.2.2 Inverse problem of the decay curve
2.3.3 Data presentation for a typical heat flow probe measurement

Chapter 3 Environmental corrections
3.1 Bottom water temperature variation
3.1.1 Sensitivity analysis
3.1.2 CTD-casts
3.2 Sedimentation

Chapter 4 Results
4.1 Heat flow across the Wagner Basin
4.2 Advective fluid flow
4.3 Continental rupture ?

Chapter 5 Discussion

Chapter 6 Conclusion

Bibliography

Conclusiones