Hydrogeologische Untersuchungen der Geothermalfelder von Puyehue und Cordón Caulle, Chile

Dorsch, Klaus (2003): Hydrogeologische Untersuchungen der Geothermalfelder von Puyehue und Cordón Caulle, Chile. Dissertation, LMU München: Fakultät für Geowissenschaften

Abstract

-Resumen extendido- Investigaciones realizadas en conjunto con la Universidad de Chile, en las áreas geotermales activas entre Lago Ranco y Lago Rupanco en el Sur de Chile (40.5ºS) han sido enfocadas a establecer balances hídricos e hidroquímicos. Esta tesis muestra los resultados de dos estudios de terreno realizados en las temporadas enero-marzo 2001 y enero-febrero 2002, y una investigación bibliográfica y recopilación de datos llevada a cabo en Chile. Los cálculos del caudal total se basan en un cálculo diferencial superficial entre el promedio de la precipitación y la evapotranspiración potencial media anual. Con la aplicación de un paquete geoinformático (GIS-Geographic Information System) y con el uso de una base de datos disponibles, se ha podido establecer un balance hídrico general de varias zonas dentro del área de investigación. La cantidad de precipitación media anual es bastante alta y alcanza desde un valor de 2000 mm/a en los valles hasta más de 7000 mm/a en las cumbres. Sin embargo, la base de datos es bastante pobre y las suposiciones sobre valores de precipitación en altura están basados en una recopilación realizada durante cinco años por la estación climática "Antillanca" perteneciente a la CONAF a una altura de aproximadamente 1000 m.s.n.m. Como consecuencia de fluctuaciones climáticas como ENSO por ejemplo, los valores de precipitación pueden llegar a variar en rangos de miles de milímetros por año. Un reporte climático de larga duración y especialmente datos más precisos de las zonas elevadas son esenciales para un balance hídrico detallado. La precipitación media anual calculada, para toda la zona investigada es del orden de 4300 mm/a mientras que la evapotranspiración potencial promedia de 540 mm/a es sólo 1/8 de los valores de precipitación. Esto significa, que la mayor parte de la precipitación está disponible para el caudal. Los valores medios de caudal medidos en el área de captación del Río Puleufú en la orilla noreste del Lago Rupanco posibilitan una evaluación e interpretación de líneas de caudal superficial llamadas hidrógrafos. Esto muestra que la posibilidad de infiltración y la permeabilidad hidráulica parecen ser bastante alta en las rocas volcánicas, geológicamente muy heterogéneas. La precipitación media calculada en el área de captación es de aproximadamente 5500 mm/a y la evapotranspiración potencial es de 480 mm/a. El caudal medio anual es aproximadamente 2800 mm/a quedando asi, más de 2000 mm/a para la infiltración en las partes profundas de las secuencias volcánicas y en el basamento intrusivo. En este contexto, los grandes lagos Ranco, Puyehue y Rupanco situados junto a los macizos volcánicos ejercen una importante función como cauces principales de aguas subterráneas en esta zona. Las cantidades de recargas de agua subterránea se han calculado para diferentes áreas de captación. Especialmente las áreas de gran altitud con escasa vegetación, grandes cantidades de precipitación y capas muy permeables de lava en bloque, pómez y lapilli en la superficie son probablemente las áreas de recarga mas importantes. En el altiplano de Cordón Caulle (1300-1500 m s.n.m.) por ejemplo casi toda la precipitación es infiltrada inicialmente. Eso significa un valor extremadamente alto de recarga de aguas subterráneas de mas de 200 l/(s·km²). Incluso parte de esta recarga alcanza la superficie muy pronto en las vecindades del altiplano de Cordón Caulle por medio de pequeñas fuentes y, en ocasiones, hacia la parte terminal de coladas de lava con estructuras de túneles una cierta cantidad queda disponible para la infiltración en niveles más profundos. Localidads importantes para la recarga de sistemas acuíferos profundos son, en este contexto, especialmente zonas tectónicas compuestas por rocas intensamente fracturadas como ocurre en la zona de Falla Liquiñe-Ofqui, complejos volcánicos y fisuras así como en los alrededores de fisuras volcánicas. Aparte del descenso del agua, estos localidads son también importantes para la circulación de aguas termales. Los manantiales calientes alrededor del macizo Antillanca están localizados cerca de los valles y están relacionados con estructuras tectónicas. Las fracturas y fallas parecen estar relacionadas a la zona de Falla Liquiñe-Ofqui. Las características hidroquímicas de las aguas superficiales y cercanas a la superficie, aguas subterráneas frías, están por una parte compuestas por grandes cantidades de precipitación con baja salinidad (conductividad eléctrica (eC) < 80 µS/cm) como resultado. Por otra parte, debido a la lixiviación de cenizas volcánicas recientes y lapilli así como pómez con una gran superficie de reacción y el desgaste intensivo de estos depósitos por agentes atmosféricos, la cantidad de ácido silícico disuelto en esta agua es moderadamente alta con valores de 15-40 mg/L. El principal tipo de agua sódica-bicarbonatada tiene un pH entre neutro a ligeramente básico. En contraste, las precipitaciones y el agua de deshielo muestran valores de salinidad muy bajos con eC < 5µS/cm, un pH ligeramente ácido y excepto en temporadas con entradas atmosféricas por erupciones volcánicas, no hay una contaminación significativa debido a la polución del aire. El análisis de muestras de suelo y sedimento con respecto a la lixiviación, muestra gran capacidad potencial de intercambio catiónico así como experimentos de lixiviación con agua destilada (24h-batch) muestran una resolución de ácido silícico en valores de hasta 12 mg/L. Sólo los ríos Nilahue y Contrafuerte al Norte del volcán Puyehue con descargas de alrededor de 9.4 m³/s y 4 m3/s respectivamente medidos en temporada de sequía tienen significantemente alta salinidad (< 200µS/cm), debido a la incorporación de aguas termales desde la parte SE del Cordón Caulle. Incluso aun con la descarga de las aguas termales desde Trahuilco que fluye directamente al Río Riñinahue, no se pudo observar en el agua del río ningún aumento significativo de salinidad debido a la extremadamente alta disolución con agua de precipitación. Manifestaciones termales superficiales como manantiales calientes, géiseres y fumarolas se concentran en el Cordón Caulle al NE del volcán Puyehue, así como varios otros manantiales calientes en los alrededores del macizo Antillanca como las famosas Termas de Puyehue. El grupo volcánico activo Carán-Los Venados, al NE del Cordón Caulle no muestra actividad geotermal superficial alguna. La mayoría de las manifestaciones geotermales en el Cordón Caulle están localizadas a lo largo de las fallas y fisuras orientadas NO-SE, que representan los bordes de un graben de 15 x 5 km en area. Actividad fumarólica relacionada con rocas intensamente alteradas y la aparición de aguas de tipo sulfato-ácidas están concentradas en la parte alta del altiplano (1500 s.n.m.) en Las Sopas y Los Venados. La principal zona de descarga de fluidos desde el Cordón Caulle está localizada en Trauhilco (1000 s.n.m.) en el centro de la caldera Cordillera Nevada y descarga varias decenas de litros por segundo a una temperatura mayor de 90°C. Las aguas son del tipo alcalinas bicarbonatadas y se observan depósitos silíceos alrededor de la fuentes. Debido a la ausencia de aguas cloruradas en superficie la aplicación de geotermómetros de sílice y catiónicos tiene que ser tratada con cuidado porque el equilibrio agua-roca parece estar ausente en los sistemas o al menos cuando las fuentes termales tienen su origen en un reservorio en profundidad. Aplicando el geotermómetro de cuarzo se calculan temperaturas de al menos 200°C en el reservorio. Geotermómetros de gas parecen proporcionar una información más fiable. Investigaciones isotópicas (18O, ²H) indican que el agua es de origen meteórico local. Procesos de evaporación ocurren en las fuentes termales del Cordón Caulle. Sólo existe poco evidencia isotópica de procesos de interacción agua-roca intensivos, y el desplazamiento de 18O de las muestras de aguas termales es bajo. Concentraciones de tritio de 0.4-1.8 TU no dan resultados inequívocos. Con la información existente el sistema geotermal del Cordón Caulle representa un sistema dominado por vapor donde el agua subterránea local es calentada a través de vapor en ascenso. La condensación y oxidación del vapor así como procesos de mezcla en el acuífero superior tienden a resultar en una composición de las aguas termales de tipo bicarbonatadas y sulfatada, explicando la ausencia de aguas cloruradas. En este contexto, el afloramiento de aguas de tipo bicarbonatada con una temperatura máxima de 70°C en la cima del Cordón Caulle cerca de la pendiente noroeste del volcán Puyehue, tiene su origen en pequeños niveles 'colgados' de agua subterránea calentada por vapor. La química de las fuentes termales Termas de Puyehue-Antillanca es diferente de aquellas del Cordón Caulle con respecto a pequeños incrementos en el contenido de cloro, pequeñas variaciones en la razón B/Cl y altas concentraciones de arsénico (varios cientos de µg/L). Incluso muestras de agua potable "Agua Mineral Puyehue" presentan concentraciones de arsénico de alrededor de 100 µg/L. Además de estas diferencias geoquímicas, existe una larga distancia geográfica y una diferencia de altura en la localización de fuentes termales. Además la separación hidráulica de los acuíferos locales y probablemente también de las zonas de descarga en las cercanías del Río Gol Gol y del Lago Puyehue deben ser mencionadas. Esto probablemente caracteriza dos flujos ascendentes y dos sistemas separados. 1) El primero está situado debajo del rango del Cordón Caulle con su principal descarga en el borde de un graben. 2) El segundo, bajo el macizo Antillanca donde la descarga de fluidos esta asociada a rasgos tectónicos en el basamento intrusivo. Clasificaciones hidroquímicas muestran que todas las aguas termales investigadas son inmaduras con respecto a su afinidad geotermal. Incrementos en las concentraciones de boro y arsénico muestran influencia de fluidos volcánicos y el joven desarrollo de los sistemas geotermales. La presencia de sistemas dominados por vapor en el Sur de Chile es diferente a la del Norte, donde predominan los sistemas líquidos de alta entalpía en terrenos volcánicos abruptos. En todo caso, la energía potencial de estos sistemas dominados por vapor en el Sur promete ser muy alta.

Abstract

In Kooperation mit der Universidad de Chile wurden hydrologische und geochemische Untersuchungen der Geothermalfelder von Cordón Caulle und Puyehue im Süden Chiles (40,5°S) durchgeführt. Die anhand meteorologischer und hydrologischer Daten und mittels GIS-Applikation erstellte Wasserbilanz für das Gebiet zwischen Lago Ranco und Lago Rupanco zeigt einerseits, dass die Niederschläge extrem hohe Werte von ca. 2000 mm/a in den Talregionen bis weit über 7000 mm/a in den Gipfelregionen erreichen. Für das gesamte Untersuchungsgebiet kann ein mittlerer jährlicher Niederschlag von ca. 4300 mm/a ermittelt werden. Die durch empirische Formeln berechnete durchschnittliche jährliche potentielle Gebietsevapotranspiration beträgt mit ca. 540 mm/a nur ein Achtel der Niederschlagsmengen, sodass der überwiegende Teil des Niederschlagswassers der Abflusskomponente zur Verfügung steht. Die Auswertung von Abflussganglinien sowie durchgeführte Trockenwetterabflussmessungen zeigen, dass in den geologisch sehr heterogen aufgebauten und gut durchlässigen Vulkaniten bzw. Pyroklastika ein großer Teil des Niederschlagswassers rasch infiltriert und erst in den tiefer gelegenen Talbereichen in die Vorfluter gelangt. Dabei scheinen vor allem die glazial übertieften, großen Seen Lago Ranco, Lago Puyehue und Lago Rupanco, die aus der Andenkordillere bis in das zentrale Längstal hineinreichen, eine wichtige Vorflutfunktion für die lokalen Grundwässer der einzelnen Vulkanmassive darzustellen. Für das Cordón Caulle Hochplateau (ca. 1500 m ü. NN) lässt sich eine Grundwasserneubildungsrate von über 200 l/(s·km²) berechnen. Auch wenn ein Teil des Wassers entlang von Schichtquellen und am Ende von Lavadecken rasch wieder an die Oberfläche gelangt, so steht doch ein nicht unerheblicher Teil der Tiefenzirkulation potentiell zur Verfügung. Diese tief in das intrusive Basement hinab reichende Wasserzirkulation ist an große Störungen und Lineamente gebunden, wie sie beispielsweise entlang der Liquiñe-Ofqui-Störungszone sowie im Umfeld von Eruptionsspalten und Vulkanschloten in Erscheinung treten. Die Oberflächenwässer und kalten Grundwässer sind gering mineralisiert (< 80 µS/cm), weisen einen neutralen bis schwach alkalischem pH-Wert auf und sind aufgrund der intensiven Silikatverwitterung durch leicht erhöhte Kieselsäurekonzentrationen (15-40 mg/L SiO2) charakterisiert. Der Wassercharakter entspricht im Wesentlichen dem eines Natrium-Hydrogenkarbonat-Typs. Lediglich die Flüsse Río Nilahue und Río Contrafuerte, die das Arbeitsgebiet in NE-Richtung entwässern, zeigen eine signifikante Beeinflussung durch Thermalwasser an. Allen Thermalquellen gemeinsam sind zum einen das Fehlen von hohen Chlorid-Konzentrationen, zum andern leicht erhöhte Bor-Konzentrationen. Ein Großteil der Wässer ist durch eine Dominanz von Hydrogenkarbonat und Sulfat- in der Anionenzusammensetzung gekennzeichnet. Der Hauptausfluss des Cordón Caulle Systems mit einer Schüttung von mehreren Zehner Litern pro Sekunde heißen Wassers (> 90°C) befindet sich im Zentrum einer ehemaligen Caldera am NW- Ende des Cordón Caulle Plateaus. Aufgrund unzureichender Voraussetzungen bei der hydrochemisch-geothermischen Klassifizierung der Wässer, lassen sich nur eingeschränkt Si- und Kationengeothermometer anwenden. Der Teil des Thermalsystems, der die austretenden Thermalwässer in ihrer chemischen Zusammensetzung prägt, führt zu keinem ausgeprägten Wasser-Gesteins-Equilibrium. Vielmehr deuten die Ergebnisse auf ein von der Dampfphase dominiertes System hin, in dem ein oberflächennaher Grundwasserleiter von der durchströmten und kondensierten Dampfphase seine Temperaturerhöhung und chemische Charakteristik erhält. Berechnete Quarz-Temperaturen von ca. 200°C stellen wenn überhaupt Minimaltemperaturen dar. Gasgeothermometrie ist daher unverzichtbar. Die Untersuchung stabiler Isotope (2H, 18O) sowie die für Thermalwässer niedrige Mineralisierung (max. 660 µS/cm am Cordón Caulle Ausfluss) zeigen, dass es sich bei den austretenden Thermalwässern um Niederschlagswässer handelt, die keiner allzu intensiven Wasser-Gesteins-Wechselwirkung ausgesetzt waren. Zudem deuten erhöhte Mg2+-Konzentrationen auf eine Vermischung mit kaltem, oberflächennahem Grundwasser hin. Tritiumkonzentrationen von 0,4 - 1,8 TU lassen keine eindeutige Interpretation zu. Saure Sulfatwässer im Umfeld der Fumarolenaustritte sind ein Zeichen der Oxidation von Schwefelwasserstoff zu Schwefelsäure, die in Tümpeln mit frisch gefallenem Niederschlagswasser oder in lokal begrenzten, schwebenden Grundwässern erfolgt. Die Thermalwässer des Puyehue-Antillanca Gebietes sind durch leicht erhöhte Chlorid-Konzentrationen und deutlich erhöhte Arsen-Konzentrationen von einigen hundert Mikrogramm pro Liter gekennzeichnet. Der verschiedenartige chemische Charakter sowie die hydrologischen und geographischen Bedingungen deuten auf ein separates Reservoir der Thermalwässer von Cordón Caulle und Puyehue-Antillanca hin.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Keywords: Geothermie, Hydrogeologie, Chile, Puyehue, Cordón Caulle
• Themengebiete: 500 Naturwissenschaften und Mathematik ; 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 550 Geowissenschaften
• Fakultäten: Fakultät für Geowissenschaften
• Sprache der Hochschulschrift: Deutsch
• Datum der mündlichen Prüfung: 22. Dezember 2003