Caracterización geoquímica y geológica de sistemas geotermales de la Puna Norte

Abstract

Esta tesis doctoral tiene como objetivo principal la caracterización geológica, geoquímica e isotópica de los sistemas geotermales de la Puna norte (22º-24º S) y la comparación de éstos con varios sistemas emplazados en otros ambientes geológicos de la provincia. Para ello se utilizó, como principal herramienta, el estudio geoquímico de las fases relacionadas a dichos sistemas: agua, gas y carbonatos. Como resultado, se produjo una serie completa de datos geoquímicos que fueron analizados para determinar el origen y naturaleza de las manifestaciones termales localizadas en la región y así identificar: los factores y procesos geoquímicos que actúan sobre los fluidos termales; los distintos subsistemas presentes en la zona y sus características; la influencia de los rasgos estructurales en el control de las características físicas, químicas e isotópicas de las emisiones de la zona de estudio; y establecer las bases para una re-evaluación del potencial geotérmico de la provincia de Jujuy.Dentro del ámbito de la Puna se estudiaron las manifestaciones termales de 5 áreas: Granada, Vilama, Pairique, Coranzulí y Olaroz. En todas ellas se han reconocido aguas Na+-Clparcialmente maduras que sugieren la presencia de un reservorio hidrotermal profundo, probablemente alojado en el basamento cristalino no aflorante en la región (~5.000 m de profundidad), que representa la principal fuente de fluido hidrotermal. Los reservorios son recargados principalmente por agua meteórica, aunque basados en los valores de δ 18O-H2O y δD-H2O, no se puede descartar totalmente un aporte menor de agua de origen magmático (fuente andesítica). Los sistemas de fallas regionales submerdionales que generaron una tectónica horst y graben, y las estructuras transversales N-E, N-O y O-E actúan como vías de ascenso preferencial para los fluidos profundos. Esto último se sustenta en los valores de la relación Rc/Ra (hasta 1,39) que sugieren la ocurrencia de cantidades significativas de He mantélico (hasta 16%). El origen del CO2 (compuesto más abundante en la fase gaseosa asociada con las aguas termales) es principalmente cortical, aunque la presencia de CO2 mantélico contaminado con material orgánico debido a la subducción es también posible. Se identificaron acuíferos de tipo Na+ -HCO3 - relativamente pequeños y fríos que se producen porla interacción del agua meteórica con los sedimentos cretácicos, paleógenos y miocenos. Un aspecto muy particular de los sistemas geotermales de la región, es que la disolución de depósitos evaporíticos afecta fuertemente la química de los manantiales termales en las zonasperiféricas de las áreas de estudio. La geotermometría en el sistema Na-K-Ca-Mg sugiriótemperaturas de equilibrio de hasta 200°C para el acuífero profundo, mientras que lastemperaturas más bajas (de 105 a 155 °C) fueron inferidas aplicando el geotermómetro de H2.Las diferencias probablemente reflejan el reequilibrio sufrido por el fluido geotérmico durante el ascenso y a través de los acuíferos Na+-HCO3 - relativamente poco profundos.En el estudio de tres campos de travertinos relacionados a sistemas geotermales en la Puna, se han definido los diferentes ambientes depositacionales: salidas de agua, pendientes proximales, y ambientes distales. También se caracterizaron, en base a observaciones de campo, las morfologías presentes y sus respectivas litofacies, a saber: plataformas, pináculos, cubetas, cascadas y terrazas.; así como se infirieron relaciones temporales relativas para cada uno de los depósitos. Los análisis químicos, isotópicos y petrográficos brindaron una base de datos inexistente para este tipo de depósitos en la Puna jujeña. Las relaciones de Mg2+/Ca2+ observadas en las muestras suponen que existe una disminución de la temperatura de los fl idos a lo largo del tiempo. Esta hipótesis es reforzada por las estimacionespaleotermométricas que entregaron temperaturas de hasta 93°C, 78°C y 36 °C para lostravertinos de Rosario de Coyaguayma, Cono Panizo y Mina Pirquitas, cuyas temperaturas medidas actuales son de hasta 63°C, 43°C y 22 °C, respectivamente. Las composiciones isotópicas δ18O y δ13C de los carbonatos son coherentes con la composición isotópica del agua termal que los deposita. Sin embargo, pueden observarse algunas diferencias relacionadas principalmente a las velocidades de desgasificación de CO2 y, en algunos casos, a evaporación diferencial.Al realizar la comparación de los datos geoquímicos obtenidos de los sistemas geotermales en las diferentes provincias geológicas que se encuentran en Jujuy, se comprobó que todos sonsistemas de tipo convectivo de baja a media entalpía. Estos se emplazan tanto en ambientessedimentarios con influencia tectónica como en ambientes volcánicos. La existencia ydistribución de las manifestaciones termales se encuentra fuertemente controlada por lasestructuras (fallas) regionales y locales presentes. La principal diferencia encontrada con lossistemas geotermales de la Puna es que allí existen reservorios con diferentes grados deinfluencia magmática (de acuerdo a los valores de Rc/Ra y δ13C-CO2). No obstante la evidenteinfluencia del volcanismo neógeno en la Puna, temperaturas de reservorio >150°C se hanencontrado indistintamente en esta última región (Termas de Queñual, Termas de Rosario deCoyaguayma, Termas de Mina Pirquitas y Termas de Cono Panizo) como en la CordilleraOriental (Termas de Reyes) y en el Sistema de Santa Bárbara (Termas del Palmar y Termas deLaguna la Quinta).Por último, se analiza brevemente la potencialidad de los recursos geotérmicos, ya que hasta elmomento se han utilizado solo con fines turísticos, dejando de lado otros usos directos y lageneración de energía eléctrica. Se recomienda tener en cuenta las Termas de Rosario deCoyaguayma, Termas de Queñual y Termas de Mina Pirquitas para evaluar la posibilidad de suaprovechamiento tanto para generación de energía eléctrica (en el caso de los dos primeros) opara el desarrollo de otras actividades económicas que pudieran favorecer el desarrollo de unaregión inhóspita como lo es la Puna. Además, se plantea la importancia de profundizar losestudios y definir los recursos presentes en Termas de Reyes y en el área de El Ramal, ya queno se debería descartar su potencial para la generación de energía eléctrica mediante unaplanta de ciclo binario. Otro resultado valorable de esta tesis fue el de corroborar la estrecharelación que existe entre las aguas termales de la Puna y los yacimientos de litio y boro. En estesentido, se destaca también la posibilidad de explotar litio directamente desde las salmuerasgeotermales de la Puna que presentan valores que van desde 10 a 300 ppm.

The main aim of this doctoral thesis is to characterize the geological, geochemical, and isotopic features of northern Puna’s (22º-24º S) geothermal systems, as well as to compare these with similar systems developed in other geological environments from the Jujuy province. With these objectives in mind, the geochemical study of related phases: water, gas and carbonates was used as the main tool. A complete series of geochemical data were produced in order to determine the origin and nature of thermal manifestations, and thereby identify: the geochemical factors and processes that act on the thermal fluids; the various subsystems present throughout the area and their principal features; the influence of the structures that have controlled physical, chemical and isotopic compositions in the thermal springs from the study area; and to establish the basis for a re-evaluation of the geothermal potential in the Jujuy province. Within the Puna, thermal manifestations of five areas were studied: Granada, Vilama, Pairique, Coranzulí and Olaroz. Partially mature waters with a Na+-Cl− composition were recognized in all the investigated zones, suggesting that a deep hydrothermal reservoir hosted within the Paleozoic (non outcropping) crystalline basement represents the main hydrothermal fluid source. The hydrothermal reservoirs are mainly recharged by meteoric water, although based on the δ18O-H2O and δD-H2O values, some contribution of andesitic water cannot be completely ruled out. Regional N-S-oriented faulting systems, which generated a horst and graben tectonics, and NE-, NW- and WE-oriented transverse structures, likely act as preferentially uprising pathways for the deep-originated fluids, as is also supported by the Rc/Ra values (up to 1,39) indicating the occurrence of significant amounts of mantle He (up to 16%). Carbon dioxide, the most abundant compound in the gas phase associated with the thermal waters, mostly originated from a crustal source, although the occurrence of CO2 from a mantle source, contaminated by organic-rich material due to the subduction process, is also possible. Relatively small and cold Na+-HCO3 −-type aquifers were produced by the interaction between meteoric water and Cretaceous, Palaeogene to Miocene sediments. Dissolution of evaporitic surficial deposits strongly affected the chemistry of the thermal springs in the peripheral zones of the study area. Geothermometry in the Na-K-Ca-Mg system suggested equilibrium temperatures up to 200 °C for the deep aquifer, whereas lower temperatures (from 105 to 155 °C) were inferred by applying the H2 geothermometer, likely due to re-equilibrium processes during the thermal fluid uprising within relatively shallow Na-HCO3 aquifers. The study of three fields of travertines related to geothermal systems in the Puna, allow to define distinct depositional environments (vents, proximal slope and distal slope) as well as morphologies and lithofacies (aprons, pinnacles, pools, waterfalls, terraces, etc.). Based on field observations, temporal relations concerning each of the three deposits were inferred. Chemical, petrographic and isotopic analyses provided a non-existent data for this type of deposits in the Puna. The Mg2+/Ca2+ ratios in the samples suggest a decrease in the fluid temperature over time, which is consistent with paleothermometric estimates of up to 93°C, 78°C and 36°C for the Rosario de Coyaguayma, Cono Panizo and Mina Pirquitas travertines, whose current measured temperatures are not higher than 63°C, 43°C and 22°C, respectively. The δ18O and δ13C compositions of carbonates are consistent with the isotopic signature of thermal waters that deposited them. However, some differences related mainly to the degassing of CO2 ratios and, eventually, to differential evaporation can be observed. Comparison of geochemical data obtained from the geothermal systems in different geological provinces from Jujuy, suggests that all of them are convective systems of low to medium enthalpy, no matter if the springs are allocated in sedimentary environments with tectonic influence, or in a volcanic environment. The existence and distribution of the thermal manifestations is strongly controlled by the structures (regional and local). The main difference found in the case of Puna geothermal systems is that, in this region, there are reservoirs with different degrees of magmatic influence (according to RC/Ra and δ13C-CO2 values). Despite the evident influence of Neogene volcanism in Puna hot springs, reservoir temperatures >150°C have been found either in the latter region (Queñual, Rosario de Coyaguayma, Mina Pirquitas and Cono Panizo hot springs) as in the Eastern Cordillera (Reyes hot springs) and Santa Barbara System (Palmar and Laguna la Quinta hot springs). Finally, a brief discussion on the geothermal resources potential, that have so far been used only for tourism purposes, is done in order to evaluate other direct uses and electricity generation as well. . It is recommended to take into account the Rosario of Coyaguayma, Queñual and Mina Pirquitas hot springs to assess the possibility of their use for both, power generation (in the the first two) or for the development of other economic activities that would favour the development of a remote region as the Puna. In addition, the importance of further studies, as well as resource estimates in Reyes and the Ramal area, may validate their potential for power generation by means of a binary cycle plant. Another result of this thesis was to corroborate the close relationship that exists between Puna thermal waters and lithium and boron deposits. In this sense, it also emphasizes the possibility of exploiting lithium directly from Puna geothermal brines that have concentrations ranging from 10 to 300 ppm.