Comportamiento geoquímico de las manifestaciones geotérmicas
en el flanco oriental del volcán El Nevado del Ruiz
(Río
Claro-Las Nereidas), Colombia
Eduardo González Partida Víctor Manuel Arellano Gómez
Rosa María Barragán Reyes Peter Birkle
Vicente Torres Rodríguez
Instituto de Investigaciones Eléctricas
El volcán El Nevado del Ruiz se localiza en las inmediaciones de la cordillera Central de Colom- bia. En sus cercanías existe un número significativo de manifestaciones termales las que desde hace tiempo han despertado el interés por determinar las posibilidades de utilización de este re- curso para generación de electricidad.
El macizo volcánico de El Nevado del Ruiz es la manifestación superficial de una cámara mag- mática activa de evolución ácida, emplazada a niveles corticales someros, capaz de aportar calor al entorno.
El estudio geoquímico mostró dos sistemas de circulación de fluidos independientes en el ma- cizo de El Nevado del Ruiz. Uno para las aguas sulfatadas al norte del volcán y otro para las aguas cloruradas neutras al oeste.
Las manifestaciones termales de la zona corresponden a mezclas en varias proporciones de agua geotérmica con aguas superficiales. El agua geotérmica proviene de un yacimiento con una temperatura estimada mínima de 235-C, con una concentración de sílice de 408 mg/kg. La frac- ción de componente caliente en las muestras de Botero Londoño se estimó en 0.36, esto explica la elevada temperatura de los manantiales en la superficie.
Palabras clave: Geotermia, Geoquímica de fluidos, Nevado del Ruiz, Colombia.
Introducción
Localización
En macizo volcánico de El Nevado del Ruiz forma par- te de un eje de aparatos volcánicos cuaternarios, ali- neados en dirección NNE-SSW, que forma parte de la cordillera Central de Colombia, la que junto con las cordilleras Oriental y Occidental, constituyen la por- ción septentrional de la cordillera de los Andes consti- tuida por una cadena volcánica andesítica de compo- sición calco-alcalina. Políticamente el macizo pertene- ce a dos departamentos, ya que sirve de límite entre Caldas y Tolima (al norte del Nevado del Ruiz), y se lo- caliza a unos 25 km en línea recta al sureste de la ciu- dad de Manizales, capital del departamento de Caldas (ilustración 1).
En los alrededores del Volcán brotan manifestacio- nes termales superficiales en forma de manantiales, fumarolas, suelos calientes y emanaciones de vapor; las más alejadas se ubican a unos 24 km al occidente del Nevado del Ruiz.
Bosquejo geológico
fines del paleoceno y a mediados del mioceno; se trata La zona geotérmica de Las Nereidas-Botero Londo- de una actividad prácticamente continua a lo largo del ño está delimitada por las fallas Río Nereidas y Río Cla- tiempo. Esto explica la formación de los volcanes ac- ro, a lo largo de las que se conocen las manifesta- tualmente activos en la cordillera andina y, dentro de ciones termales de Las Nereidas, El Recodo y Botero ella, el macizo volcánico de El Nevado del Ruiz. Este Londoño. Las unidades litológicas que definen a esta estratovolcán parece estar regionalmante controlado región se muestran en la ilustración 2.
por tres importantes estructuras de dirección NNE- El basamento prevolcánico está constituido por SSW, que son las fallas Romeral, Palestina y Mulatos gneises paleozoicos cortados para los batolitos graní- (ilustración 1). La falla Romeral es un accidente estruc- ticos de edad precretácico y terciario, cubierto de la- tural de extensión regional que funge como el límite vas y rocas volcano-clásticas que provienen de la des- oriental del valle del Cauca, fosa tectónica por la que trucción, durante el plioceno superior, de una cadena corre el río Cauca y que separa a la cordillera Occi- volcánica antigua (ilustración 1 y 2).
dental de la Central. Se trata de una falla de tipo late- ral derecha que, en la zona del macizo de El Nevado del Ruiz, tiene una dirección que va de NE-SW, en la porción sur, a N-S en la porción norte; es una falla acti- va, según ha podido interpretarse a partir de los meca- nismos focales de sismos someros y medios, que apa- rentamente están asociados a ella. Es pues, un acci- dente estructural de primera magnitud, cartografiable a lo largo de unos 1000 km, y que actúa como fronte- ra entre la fosa de Cauca y la cordillera Central; más que una sola falla, parece estar constituida por un sis- tema de fallas de dirección similar.
La falla Palestina es otra falla de tipo lateral derecha que constituye una importante zona de debilidad corti- cal, la cual ha propiciado el ascenso de los magmas que han alimentado al vulcanismo cuaternario del ma- cizo volcánico de El Nevado del Ruiz. Esta falla pare- ce ser evidente sólo en un desplazamiento hasta de 28 km a lo largo de su rumbo, presenta una dirección NE-SW.
que se acaba de describir, es evidente un patrón de estructuras de dirección NW-SE hasta E-W. A este pa- trón pertenecen las fallas de Neira y de Salento, que de algún modo limitan estructuralmente al macizo vol- cánico (ilustración 1), así como las fallas Río Claro y Las Nereidas (en donde se piensa desarrollar un cam- PO geotérmico) y la falla Villa María Termal (de gran potencial geotérmico debido a su gran actividad y ma- nifestaciones termales con fluidos de carácter geotér- mico).
Estas fallas son posteriores en el tiempo a las del
patrón NNE-SSW, pero aparentemente contemporá- Cuaternario neas con el vulcanismo cuaternario, ya que los flujos
de lava tienden a aprovecharlas y varios aparatos vol- cánicos se ubican en su intersección con las fallas del otro patrón; así, las fallas Villa María Termal y Las Ne- reidas (en donde están las manifestaciones termales de Las Nereidas y de Botero Londoño-El Billar) al cru- zar la falla Palestina originan en parte El Nevado del Ruiz.
Paleozoico
Estas rocas se aglutinan en el llamado Grupo Cajamar- ca, o Complejo Polimetamórfico Paleozoico, compues- to por rocas metamórficas que junto con las intrusivas constituyen el basamento del macizo volcánico del Nevado del Ruiz y se considera formado por sedimen- tos pelíticos, esquistos cuarzo-sericíticos y grafitosos, metacuarcitas y gneises, predominando los esquistos. En esta roca posiblemente esté instalado el reservorio geotérmico a profundidad.
Terciario
Está constituido por rocas volcánicas esencialmente andesíticas, con pequeñas variaciones a andesitas basálticas. En algunas partes, especialmente al occi- Transversalmente al patrón estructural NNE-SSW dente del Nevado del Ruiz, se observan rocas de tipo ignimbrítico, producto de flujos piroclásticos de com- posición igualmente andesítica. Las rocas de esta uni- dad afloran en las porciones centrales del macizo donde están cubiertas parcialmente por los productos volcánicos y de erosión cuaternarios y sobreyaciendo a los esquistos paleozoicos. Son producto del vulca- nismo andino previo a la actividad actual y constituyen el basamento volcánico sobre el cual se edificó par- cialmente el macizo del Nevado del Ruiz.
como formas dómicas. La historia geológica del Neva- Geoquímica do del Ruiz comprende dos épocas de construcción
del volcán compuesto. Los datos estratigráficos y las La composición química de los manantiales utilizados edades K-Ar indican que el vulcanismo efusivo y ex- en el estudio geoquímico se presentan en el cuadro 1, plosivo empezó aproximadamente hace un millón de (Arellano-Gómez et al., 1994). La ilustración 2 muestra años con la erupción de coladas de lavas y piroclásti- la localización de los puntos de muestreo.
cas y de domos andesíticos a lo largo de una dirección
estructural regional. Erupciones cataclísmicas inicia- Clasificación de los fluidos
ron la segunda fase de actividad. Las secuencias su-
periores están constituidas de coladas de bloques y En primer término se verificó la calidad de los análisis de domos que corresponden a las lavas que van de químicos calculando el desbalance iónico. Posterior- las andesitas con dos piroxenos a las riodacitas. Las mente se obtuvo la clasificación de las aguas de erupciones volcánicas que van del holoceno a la épo- acuerdo a Piper y a Chevotarev. La clasificación de Pi- ca reciente están controladas por una actividad tectó- per toma en cuenta los iones dominantes mientras que nica intensa en la zona de intersección del sistema de la de Chevotarev indica las características y medio fallas de la Palestina con el sistema regional, y son del ambiente del fluido. Los manantiales localizados en la mismo estilo y de composición magmática equivalente zona de Botero Londoño y La Piscina presentaron ca- a las erupciones de la primera época de construcción racterísticas netamente geotérmicas tanto por tratarse
del volcán. de aguas clorurado-sódicas como por encontrarse de-
La actividad volcánica más joven se distingue por finidas como aguas subterráneas de circulación res- erupciones freatomagmáticas laterales, importantes tringida. Los fluidos localizados en la zona de Las Ne- avalanchas caóticas, las coladas tufáceas de cenizas reidas presentan un desbalance iónico elevado, pH
y las caídas de pómez que provienen del derrumba- ligeramente ácido y se clasifican como del tipo sulfa- miento catastrófico durante las erupciones históricas tadas y/o bicarbonatadas cálcicas.
como el desastre de 1985. Las unidades volcánicas en
el área de Las Nereidas presentan un espesor que va- Geotermometría
ría de los 800 m a los 10 m, como en el área de Botero
Londoño en donde están en contacto con el metamór- Subsecuentemente se calcularon los geotermómetros fico. Estudios de riesgo volcánico, realizados por Parra químicos en las muestras que presentaron caracterís- E. & Cepeda H. (1990), descartan a la zona de Las Ne- ticas geotérmicas. El cuadro 2 contiene los resultados reidas como de riesgo para un posible desarrollo geo- geotermométricos. Los resultados muestran buena
(Fournier y Truesdell, 1973), Na/K (Fournier, 1979) y CCG (Nieva-Gómez y Nieva-Gómez, 1987), mientras que la corrección por magnesio (Fournier y Potter, 1979) subestima la temperatura de manera importan- te. El bajo contenido de magnesio en los manantiales localizados en la zona de interés indica la presencia de un fluido componente de alta temperatura lo que hace inaplicable la corrección por magnesio. Para el análisis de datos se consideró razonable suponer una temperatura de yacimiento de 235°C la cual se obtuvo en promedio por el CCG para las muestras B1 y B2.
La geotermometría de gases concuerda en general con la de fase líquida para una muestra de vapor co- lectado en Botero Londoño (Giggenbach, et al., 1990). En promedio se calculó una temperatura de 233°C aplicando expresiones geotermométricas propuestas por Arnórsson y Gunnlaugsson (1985).
Con el objeto de inferir la existencia de procesos de mezcla de fluidos, se estudiaron los comportamientos de los iones dominantes encontrándose evidencia de tal fenómeno como puede verse en las ilustraciones 3, 4 y 5 donde se muestra que el conjunto de manifesta- ciones contiene diversas proporciones de componen- te caliente mezcladas con aguas someras. En la última ilustración se pueden observar dos conjuntos con ten- dencia lineal sugiriendo dos procesos de mezcla inde- pendientes. El de menor pendiente contiene los datos de interés geotérmico, siendo el boro trazador del va-
Modelos de mezcla
indica una temperatura de yacimiento de 235ºC, lo que concuerda con las estimaciones de temperatura de yacimiento por medio de geotermometría. En la ilustra- ción este punto se representa como LYI. La entalpia del fluido LY1 se estima en 1014 J/g y su contenido de sílice en 408 mg/kg. Estos resultados apoyan la hipó- tesis de ebullición y mezcla en la que se establece que el fluido del yacimiento en equilibrio con la fase mine- ral cuarzo a 235°C asciende a la superficie y en su ca- mino encuentra acuíferos someros con los que al ocu- rrir el proceso de mezcla, constituye la composición química de los fluidos que emergen a la superficie.
De este estudio se puede concluir que al valorar
los
efectos del proceso de enfriamiento resultan ser poco significantes comparados con el proceso de mezcla el cual es dominante. Considerando la Concentración de sílice y la entalpia del líquido de yacimiento LY1, así como la composición y entalpia del fluido somero frío con una concentración de sílice de 38 mg/kg y una en- talpia de 58 J/g, se estimó la fracción de componente caliente en las muestras de Botero Londoño que resul- tó ser de entre 0.35 y 0.38.Lo anterior implica que el fluido primario provenien- te de un yacimiento geotérmico (relacionado con El Nevado del Ruiz) con características de tipo clorurado y diluído, migra lateralmente una distancia de aproxi- madamente 7 km para descargar en las manifestacio- nes de Botero Londoño. Esta descarga natural, por lo tanto, no subyace al yacimiento. Esto se infiere a partir de que las observaciones geológicas muestran que la por, la curva indicaría una importante componente de
vapor en el acuífero profundo.
En la ilustración 6 se presenta una gráfica de sílice contra entalpia en la cual se muestra la curva de
solu-
bilidad del cuarzo, (Fournier y Potter, 1982). En la grá- fica se presentan los puntos correspondientes a las parejas ordenadas de concentración de sílice y ental- pia específica (a la temperatura de muestreo) de las fuentes de interés y de las zonas aledañas al sistema utilizando los datos de Giggenbach et al., (1990). La regresión lineal de todos los puntos proporciona la cur- va A la cual intersecta a la curva de solubilidad del cuarzo a una temperatura de 248°C. Este punto repre- sentaría la temperatura del líquido del yacimiento (LY) y la concentración de sílice en equilibrio a dicha tem- peratura se estima en 465 mg/kg. La curva B repre- senta la separación del vapor a 248°C resultante del proceso de ebullición del fluido mientras que el punto VAP representa la entalpia del vapor saturado sin la presencia de sílice, dado que la sílice es un soluto no volátil.Este modelo es clásico para los sistemas hidroter- males en estratovolcanes y estructuras caldéricas en donde
los
fluidos primarios de tipo clorurado evolucio- nan a tipo sulfatado o bicarbonatado debido a la inter- acción con los acuíferos someros. Una fracción del fluido primario puede emigrar lateralmente distancias hasta de 10 km, descargando fluidos del yacimiento diluídos con componentesno
termales. Sin embargo, considerando quelos
fluidos del yacimiento fueron calentados en las vecindades de la cámara magmáti- ca es de esperar que contengan elementos volátiles magmáticos entre ellos el ácido clorhídrico, porlo
cual no se recomienda realizar exploraciones directas con fines geotérmicos en la cercanías del cráter El Arenal del Nevado del Ruiz.Conclusiones
El estudio geoquímico mostró dos sistemas de circula- ción de fluidos independientes en el macizo del Neva- do del Ruiz. Uno para las aguas sulfatadas al norte del volcán y otro para las aguas cloruradas neutras al oeste.
Las manifestaciones termales de la zona corres- ponden a mezclas en varias proporciones de agua geotérmica con aguas superficiales. El agua geotérmi- ca proviene de un yacimiento con una temperatura estimada mínima de 235ºC, con una concentración de sílice de 408 mg/kg. La fracción de componente ca- liente en las muestras de Botero Londoño se estimó en 0.36, esto explica la elevada temperatura de
los
ma- nantiales en la superficie.La evidencia geoquímica señala a la zonas de Bote- ro Londoño y Las Nereidas como sitios con buen po- tencial para realizar perforaciones; esta afirmación es reforzada por datos geológicos que evidencian la exis- tencia de una fuente de calor y muestran un corredor estructural limitado por las fallas Río Claro y Las Nerei- das, las cuales controlan la circulación de fluidos. fuente de calor se localiza a profundidad hacia la zona
del cráter Arenas. La recarga hidráulica del sistema se asume constituída por agua meteórica que se infiltra lateralmente hacia la profundidad, mientras que los acuíferos someros de características bicarbonatadas o
Recibido: febrero, 1996 Aprobado: febrero, 1997 sulfatadas son el producto de la recarga meteórica
local.
Giggenbach
et
al.,
(1990) propusieron un modelo similar basado en evidencia geoquímica, principal- mente de gases, que comprendió el estudio de las manifestaciones superficiales y del cráter Arenas. En este último,los
componentes presentan un origen mag- mático mientras que las descargas naturales como las registradas en Las Nereidas indican una mezcla com- pleja de aguas someras y fluido geotérmico además de componentes magmáticos.Referencias
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Abstract
Gonzalez-Partida E.; V.M. Arellano-Gómez; R. M. Barragan-Reyes; P. Birkle; V. Torres-Rodriguez “Geochemical behavior of the thermal springs on the east face of the Nevado del Ruiz Volcano“ Hydraulic Engineering in Mexico (in Spanish). Vol XII Num. 3, pages 05- 13, September-December, 1997.
The Nevado del Ruíz volcano is located in the inner part of the Central Cordilleran belt in Colombia. A signi- ficant number of thermal springs is located in its vicinity causing increasing interests in determining the pos- sibilities for the use of this resource for electricity generation. The Macizo Volcánico del Ruíz represents the su- perficial manifestation of an active magma chamber with acidic evolution characteristics. The chamber is em- placed in a shallow crustal level with capacity to provide heat to its vicinity. The geochemical study showed two independent fluid circulation systems at the Macizo del Ruíz. One of them corresponds to the sulfate water type, which is located N of the volcano. The other system represents the chloride water type, which is located W of the volcano. The thermal springs of the zone consist of mixtures with variable proportions of geothermal water with superficial water The geothermal water comes from a reservoir with an estimated minimal tempe- rature of 235°C and a silica concentration of 408 mg/kg. The fraction of the hot component for the Botero Londoño springs samples was estimated as 0.36. This fact explains the high temperature of these springs.
