Vol. 16, núm. 2 (2001)

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Hidroquímica de la laguna de evaporación

en Cerro Prieto, Baja California, México

Enrique Portugal Mahendra Pal Verma

Instituto de Investigaciones Eléctricas

Se aplicaron modelos de equilibrio químico y de evaporación con la finalidad de estudiar los procesos que ocurren en la laguna de evaporación en Cerro Prieto, Baja California, México. Se desarrollaron cuatro modelos de equilibrio (MSPF, MCPF; M-3 y M-4), tomando en cuenta los métodos para el cálculo de actividades. Los modelos MSPF y MCPF usan la ecuación "B-dot", mientras que M-3 y M-4 usan métodos para soluciones salinas. De acuerdo con MSPF y MCPF; sílice amorfa está en equilibrio y la fase calcita sólo logra el equilibrio en algunos puntos de la laguna. Mientras que, las fases estroncianita y polimorfas de sílice se encuentran en condicio- nes de sobresaturación. Similarmente, el modelo de evaporación sugiere que el contenido de cloruro, sodio, potasio y calcio en la salmuera es controlado por la evaporación, en tanto que la concentración de magnesio y sulfato se ve afectada por procesos adicionales, posiblemente por mezcla de fluidos y reacciones de reducción, respectivamente. Se desarrollaron relaciones polinomiales basadas en la concentración de cloruros para determinar la evaporación ocurrida en la laguna. La aplicación de este método estimó que la salmuera vertida a la laguna sufre du- rante su trayectoria una evaporación total de Los modelos MSPF y MCPF son los que me- jor simulan el comportamiento químico de la salmuera bajo las condiciones de evaporación de la laguna. Mientras que los otros dos modelos resultan ser mejor aplicados en condiciones de eva- poración severas, donde se encuentran equilibrios con las fases minerales halita, silvita y anhi- drita (<90% de evaporación).

Palabras clave: hidroquímica, modelación, evaporación, lagunas, equilibrio químico, Cerro Prieto.

Introducción

La laguna de evaporación en Cerro Prieto, Baja Califor- nia, México, funciona como un depósito temporal para la salmuera extraída del yacimiento geotérmico durante la generación de energía eléctrica y para aprove- char el contenido salino en la producción de sales por concentración de la solución. Académicamente, el em- plazamiento de la laguna permite estudiar procesos importantes que permitan mejorar el entendimiento so-

bre fenómenos fisicoquímicos que incluyen evapora- ción, mezcla, equilibrio químico-mineral entre aguas, sedimentos y con la atmósfera. Un interés particular es la salmuera geotérmica, cuya formación en ambiente de alta temperatura le confiere características químicas particulares, con predominio en cloruro, sodio y sílice. Los objetivos de este estudio fueron

los

siguientes: determinar el estado de equilibrio químico y los estados de saturación de fases minerales en la salmuera de la

laguna, bajo las condiciones termodinámicas existen- tes; definir los efectos de la evaporación sobre la com- posición química de la salmuera durante su estancia en el depósito, así como identificar la ocurrencia de los procesos que contribuyen a modificar el contenido quí- mico; simular la evaporación en la laguna y determinar la secuencia de formación mineral bajo condiciones severas de evaporación. La ilustración i presenta la ubi- cación de la zona de estudio donde se ha incluido el campo geotérmico y las principales características de la zona. La ilustración presenta un esquema donde se muestra la dinámica de circulación de la salmuera en el depósito y la ubicación de los puntos de muestreo.

Recolección de muestras

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troncio, sílice) y de sólidos disueltos totales. Las mediciones se realizaron de acuerdo con los métodos reco- mendados por el Servicio Geológico de los Estados Unidos de América (USGS) (Skougstad et al., 1979) y por los documentados por Giggenbach y Goguel(1989) para muestras de ambientes hidrotermales.

Las muestras se almacenaron en recipientes secos de El cuadro presenta los resultados de los análisis polietileno. Para el análisis de cationes, se filtró la sal- llevados a cabo a cada una de las muestras, así como muera a través de membranas de micras y se pre- la medición de los parámetros fisicoquímicos. En gene- servaron en medio ácido a pH menor de dos (Lico et ral, el balance iónico es menor a 4%; sin embargo, la

al., 1982). En cada sitio se midió temperatura, conduc- mayoría de los resultados presenta un balance iónico tividad y pH. La determinación de pH se realizó median- menor a lo cual es aceptable, considerando que se te un electrodo de vidrio calibrado a 25°C con soluciones trata de muestras salinas (Custodio y Llamas, 1983). buffer de siete y cuatro. Las mediciones de conductivi-

dad se realizaron con una celda de un centímetro, cali- Simulación numérica

brada con soluciones estándar de acuerdo con la tem-

peratura de la muestra. En el laboratorio se midió la Modelación del equilibrio químico

densidad utilizando un densímetro digital (DMA-35,

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Helgeson otro, el método de actividad de Pitzer (Bethke, 1996) y el último, el modelo de Harvie-Moller- Weare (Harvie et al., 1984).

El método de actividad de Helgeson (1 969) se basa en la aplicación de la ecuación "5-dot":

tre fases en condiciones sobresaturadas, son manteni- das en solución, lo cual permite que exista interacción con las demás especies. En este trabajo se ha definido como MSPF al modelo sin precipitación de fases minerales. El MSPF se desarrolló con la finalidad de evaluar el comportamiento de los datos químicos, evitan- do que exista pérdida de masa de las especies por la segregación de las fases minerales. El segundo modelo, denominado con las siglas MCPF, permite que las fases en estado de sobresaturación precipiten, con la consecuente separación y pérdida de masa de los elementos que forman los minerales segregados. De acuerdo con las condiciones de temperatura y presión de la laguna, el modelo MCPF supone que las fases polimorfas de sílice no precipitan, sino que la sílice amorfa controla la concentración de sílice en la salmuera (Ga- rrel y Mackenzie, 1967; Deer et al., 1982). Con

los

modelos MSPF y MCPF se calculó la distribución de las especies acuosas en la solución, los estados de satu- ración de las fases minerales en la solución.

i+aiB

Donde A, B y B son función de la temperatura, mientras que se refiere al tamaño iónico. El método puede ser empleado en el intervalo de temperatura entre O y en soluciones con valores de fuerza ióni- ca hasta tres molal, donde los iones predominantes sean Na y CI. Para otras especies puede ser empleado con razonable exactitud para fuerzas iónicas en el intervalo de y l molal (Bethke, 1996).

El primero de estos modelos se basa en la situación de permanencia de las fases minerales en solución. Esto significa que aunque el cálculo numérico encuen-

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El estado de saturación de una fase mineral se define como la relación entre el producto de actividades Q de iones de la fase mineral y el producto de so-

lubilidad K(actividades en equilibrio) de la misma fase mineral = Q/K). El logaritmo de esta relación viene a ser el índice de saturación (IS= log-). Si el va-

lor IS es cero, entonces existe equilibrio entre la solu- ción y la fase mineral, mientras que si IS O, entonces la fase está sobresaturada y si IS O está subsatura- da (Appelo y Postma, 1993; Bethke, 1996).

El proceso de cálculo parte de un kilogramo de masa inicial. El algoritmo verifica la condición de consis- tencia eléctrica de las especies en solución, realizan- do los ajustes necesarios a través de un balance de cargas con cloruros.

El tercer modelo de equilibrio (M-3) usa el método de actividad de Pitzer (Bethke, 1996). Este método se basa ampliamente en el tratamiento matemático empleado por Harvie y Weare (1980) y Harvie et al.

(1984). La base de datos de los parámetros de inter- acción incluye los datos parcialmente validados por Harvie et al. (1984) a 25°C y datos no validados para especies como Fe (ll), Mn (II), Sr, Ba, Li, Br, B y otros (Bethke, 1996). Este modelo puede ser aplicado a temperaturas diferentes a 25°C. Con el modelo M-3 se realizaron simulaciones a la temperatura de muestreo de las salmueras para el cálculo de coeficientes de actividades y de los estados de saturación.

El cuarto modelo (M-4) emplea el método de Har- vie-Moller-Weare (H-M-W) (Harvie et al., que también utiliza las ecuaciones viriales para el cálculo de los coeficientes de actividad. Este método, validado para el sistema Na-K-Mg-Ca-H-CI-SO4-OH-HC03-C03-

CO2-H2O, incluye los parámetros de interacción iónica para evaluar el comportamiento de los carbonatos. No obstante, el método no aplica para litio, estroncio y síli- ce, y no puede ser usado a temperaturas diferentes a 25°C; sin embargo puede evaluar el comportamiento de los carbonatos en solución salinas. Las simulaciones hechas con el modelo M-4 se realizaron a 25°C para determinar los coeficientes de actividad y los estados de saturación de los minerales.

Evaporación y mezcla

En condiciones climatológicas semiáridas, la evapo- ración juega un papel importante en el control de los procesos químicos y, consecuentemente, en la modifi- cación de la composición química de aguas superfi- ciales. En el área de Cerro Prieto, la evaporación anual es de mm (ERIC, 1996). La precipitación es muy baja con promedios de mm (Reyes

et

al.,

lo

cual representa poco aporte para la masa total del agua de la laguna. El aporte subterráneo de agua, producto de la mezcla de agua caliente proveniente de yacimiento geotérmico y agua subterránea no ha sido cuantificado. No obstante puede considerarse despre- ciable, ya que como será discutido más adelante sólo se detecta en algunas zonas de la laguna. Además, al considerar la carga hidráulica que representa el agua en la laguna, en su lugar, un flujo inverso sería más fac- tible. La alimentación a la laguna es por bombeo de salmuera proveniente de un colector alimentado por pequeños canales desde los pozos productores de fluido hidrotermal. Constantemente se extrae salmuera del depósito para inyección profunda a través de pozos habilitados para recuperar la presión en el acuífero termal. Por lo tanto es posible suponer que el volumen permanece constante, tomando en cuenta que existe pérdida de agua por evaporación. Cabe mencionar que en los meses de invierno la evaporación disminuye, lo que provoca un incremento en el volumen de agua.

Simulación numérica; metodología

La simulación numérica de la evaporación se realizó con ayuda del algoritmo GWB desarrollado por Beth- ke, (1 996). La primera simulación se realizó usando el modelo de actividad de Helgeson (Helgeson, y Helgeson y Kirkham, 1974). El modelo de evaporación se desarrolló bajo las siguientes situaciones: a) supre- sión de las fases mineralógicas cuarzo, tridimita, calcedonia y cristobalita, b) suponiendo que la fugacidad Q

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del CO2 del agua de la laguna se encuentra en equilibrio con el CO2 de la atmósfera durante todo el proceso de evaporación y c) suponiendo un enfriamiento de la solución al inicio del proceso de a 29°C.

Inicialmente se estimó la composición de equilibrio. La fugacidad de calculada para el agua fue mayor que el valor para la atmósfera.

Se realizaron dos modelaciones adicionales utilizando los modelos de actividad para soluciones salinas. La primera aplicación usa el método de actividad de Pitzer (Pitz) y la segunda, el método H-M-W. Este último se realizó a condiciones isotérmicas de acuerdo con las restricciones del método. Ambas aplicaciones se hicieron bajo condiciones severas de evaporación (alrededor de para simular el comportamiento de las especies químicas y de los estados de satura- ción de las fases minerales.

Resultados obtenidos

Equilibrio químico

En la ilustración se presenta una gráfica de las concentraciones de cloruros en la laguna contra los sitios de muestreo. La secuencia de graficación de los sitios de muestreo se basa en la trayectoria de circulación de la salmuera en la laguna. La ilustración muestra un agrupamiento lineal para la mayoría de los puntos. Con- siderando al cloruro como especie conservativa (Dre- ver, 1988; Carpenter, 1978; Custodio y Llamas, 1983; Zherebtsova y Volkova,

los

datos alineados pueden ser seleccionados como representativos del efec- to de evaporación sobre la salmuera. Las muestras ubicadas fuera del arreglo presentan efectos adicionales a la evaporación o evaporación excesiva por estancamiento. De acuerdo con este comportamiento, los sitios seleccionados son, en secuencia de circulación: L-26, L-1, L-2, L-3, L-4, L-16, L-10, L-7, L-11, L-23, L-

L-25, L-14, L-15, L-17 y L-18.

La distribución de temperatura en la laguna presenta un enfriamiento a partir de la trayectoria de cir- culación del agua. La ilustración presenta isolíneas de temperatura que ilustran tres zonas con temperatura anómala, las cuales contrastan con la secuencia de enfriamiento de acuerdo con la dirección de flujo. Dos de ellas presentan temperaturas más altas, mientras que la tercera, ubicada en el flanco sureste, tiene una temperatura más baja, que contrasta con la medida en esta sección de la laguna. En las zonas de mayor temperatura, los contornos del flanco sur (ilustración 4) son influenciados por el sitio L-21, con parecido a

los

valores encontrados en el agua subterránea del acuífero subyacente a la laguna. La otra zona caliente,

ubicada en el flanco noroeste, presenta ligero incremento de temperatura y es definida por el sitio L-24 con El calentamiento de estas zonas es resul- tado del contacto con agua de emanación procedente del acuífero profundo que se ha mezclado con agua subterránea del acuífero superior. Esto se explica por los contenidos en magnesio y sulfato de las aguas subyacentes a la laguna, aunque la temperatura en las zonas es de a 35°C (ver ilustración 5). Mientras que en la zona fría (sureste) de acuerdo con el contenido en magnesio y sulfato se trata de agua geotérmica.

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serva en el sitio y una tendencia a disminuir a medida que la evaporación avanza. Dicha tendencia es congruente con los cambios en pH, ya que al aumen- tar el

CO2

en la solución, el pH disminuye (ilustración

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ración avanza (ilustración Sólo se encuentra un incremento en los sitios finales (punto L-17 y L-18), donde además los valores de fugacidad de CO2 disminuyen y el pH aumenta (ilustraciones y Esta ocurrencia puede explicarse mediante el diagrama de Bjerrum (Drever, si consideramos que las especies car- bónicas son las Únicas que controlan el pH en la salmuera y se asume que su composición termodinámica se mantiene constante. Estas suposiciones se justifican, puesto que, en concordancia con los modelos MCPF y M-4, la calcita no se encuentra en equilibrio.

El comportamiento de las especies iónicas presenta un incremento gradual a medida que la salmuera realiza su recorrido. Con excepción de la sílice y los sulfatos, el resto de

los

iones (cloruro, sodio, potasio, calcio, litio y estroncio) aumentan su concentración. De acuerdo con el modelo MSPF, las fases polimorfas de la sílice como cuarzo, calcedonia, tridimita y cristobalita se encuentran en condiciones sobresaturadas; sólo la sílice amorfa presenta las condiciones termodi- námicas adecuadas para lograr el equilibrio químico a partir del sitio Esta ocurrencia es congruente, ya que la sílice amorfa, al igual que la calcedonia, por ser fases relativamente inestables, pueden controlar la concen- tración de sílice en la solución, mientras que el cuarzo, considerado más estable, precipita lentamente (Beth- ke, 1996). El esquema del proceso es el siguiente:

El modelo MCPF también predice dichas fases en condiciones sobresaturadas, sin embargo son elimina- das del sistema por precipitación. La formación de las fases polimorfas no es un proceso que se lleve a cabo bajo las condiciones de presión y temperatura que existen en la laguna, y por tal motivo fueron suprimidas (Deer

et

al., 1982).

AI

inicio de la trayectoria de circula- ción de la salmuera, el modelo MCPF predice las fases minerales tremolita, sepiolita y talco en condiciones de saturación. Se observan variaciones no fácilmente explicables en los estados de saturación de estos minerales. La sepiolita muestra un cambio en la condición de saturación a partir del sitio uno. Más adelante se encuentra en condiciones subsaturadas. Un comportamiento similar se presenta para el talco y la tremolita, aunque en diferentes niveles de circulación de la salmuera (ver ilustración 7). Según las tendencias termo- dinámicas de estas fases, se esperaría un incremento de magnesio en la solución.

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muy parecido. Esto indica que ambas fases no encuentran condiciones favorables para precipitar durante casi de la evaporación existente en la laguna. El resto de las fases minerales determinadas, cuyos índices de saturación fueron mayores a permanecen en condiciones de subsaturación. Algunas en forma relativamente estable, mostrando ligera tendencia al equilibrio a medida que avanza la evaporación, mientras que otras fases, como la dolomita, presentan variaciones en los índices de saturación en los sitios evaluados.

Según este modelo, no existen evidencias de equilibrio de ninguna de las fases minerales con magnesio y sulfato. Las fases silvita y halita sólo presentan un ligero incremento de los índices de saturación, pero no muestran posibilidad para alcanzar el equilibrio y precipitar bajo las condiciones de evaporación que existen en la laguna.

En la ilustración se han graficado, respecto a los sitios de muestreo, los estados de saturación obtenidos a partir del modelo MCPF. La ilustración presenta la evolución de los índices de saturación de acuerdo con la circulación de la salmuera. La secuencia mineral es muy similar a la obtenida por el modelo anterior, aunque no aparecen magnesita y sepiolita. Las variaciones encontradas en las tendencias ahora

son

menos marcadas. La restricción aplicada al modelo para simular el comportamiento analítico de la sílice predice equilibrio completo de la sílice amorfa desde el sitio L-26, pre- sentando segregación de fase de la solución donde precipita hasta el final del recorrido. Esta ocurrencia,

como se observará más adelante, es congruente con lo encontrado en la simulación numérica de la evapo- ración. En la ilustración la calcita presenta una evo- lución muy similar a la determinada en el modelo anterior. Sólo las etapas iniciales y el sitio L-25 presenta equilibrio de calcita, ocasionando precipitación del mineral. La tendencia generalizada, al igual que la aragonita, es hacia valores de saturación más bajos. El comportamiento de las fases halita y silvita tienen la misma tendencia que la encontrada a partir del modelo anterior. La estroncianita se determina en condiciones de sobre- saturación en la solución sin lograr precipitar. Mientras tanto, la celestita, de acuerdo con el modelo, se encuentra en condiciones de subsaturación sin variaciones importantes, a pesar de la evaporación en la laguna.

El modelo M-3 determina las fases anhidrita, celestita, basanita, yeso, halita y silvita en condiciones de subsaturación. La ilustración muestra la secuencia mineral de acuerdo con la circulación de la salmuera. Aunque el comportamiento indica una tendencia hacia valores de saturación, el modelo no detecta posibilidad de equilibrio en ninguna de las fases calculadas.

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Comparación de estados de saturación de los diferentes modelos de actividad

Los valores obtenidos por el método de Pitzer (M-3) fueron comparados con

los

calculados para las mis- mas fases minerales por el método MCPF. La ilustra- ción presenta los valores de cada uno de los méto- dos para la halita, silvita, yeso, aragonita y celestita. En ella se observa que los datos de M-3 en general son más altos que los determinados por MSPF para todas las muestras. Las diferencias para halita y silvita fueron muy poco significativas, entre y lo cual es razonable. Mientras que para yeso y aragonita se encon- traron diferencias de en los sitios iniciales y para los sitios con mayor fuerza iónica.

Las condiciones termodinámicas para la fase calcita, calculadas mediante los modelos MSPF, MCPF y M- se presentan en la ilustración Los resultados muestran tendencias muy similares.

A pesar de las limitaciones del método de Helge- son (1969) para soluciones salinas, los valores de sa- turación de calcita calculados por los modelos MCPF y M-4 presentan poca desviación.

La ilustración presenta una comparación de los valores de saturación calculados por los métodos MCPF, M-3 y M-4 para las fases yeso y anhidrita. Las diferencias entre los valores de MCPF y M-4 van desde hasta unidades. El modelo MCPF subestima los índices de saturación, mientras que los métodos M-3 y

M-4 presentan valores muy similares. Las diferencias de los resultados calculados entre los modelos MCPF y M-3 y M-4 presentan mayor desviación para las fases anhidrita y yeso, y valores muy parecidos para las fases halita y silvita.

Evaporación

Determinación del porcentaje de evaporación en la laguna

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Donde

Ev

(d-h Debye-Hückel, Pitz método de Pit- zer, H-M-W método de Harvie-Moller-Weare) se refiere al porcentaje de evaporación y C, a la concentración total del ion cloruro en mg/kg. La solución de las expre- siones permitió estimar el porcentaje de evaporación en cada uno de los sitios de la laguna, a partir de la concentración de cloruro. El cuadro presenta los resultados de la resolución de dichas ecuaciones para los tres métodos. También muestra los valores promedio de evaporación de los sitios. La discrepancia entre los métodos se ha estimado en unidades, lo que corresponde, en el cálculo de la evaporación, a un error menor a El error más significativo viene dado por el método analítico empleado para medir la con- centración de cloruro. Si el error analítico es la pro- pagación de errores encuentra un error global de

(Bevington, 1979). Valores negativos de evaporación obtenidos de aplicar cualquiera de las tres ecuaciones de evaporación significa la presencia de aguas con niveles de cloruro menores al valor del agua inicial. Se- gún el método, la salmuera que realiza la circulación a través de la laguna sufre un efecto de evaporación continua hasta alcanzar un valor máximo promedio de Sólo el sitio L-13, el cual no entra en el grupo de datos de circulación continua, presenta un promedio de evaporación ligeramente mayor a ocasionado probablemente por estancamiento de salmuera. Cabe recordar que la evaluación se hizo sobre los sitios L-26 al L-18 (ver cuadro siendo el primer criterio la direc- ción de flujo de la salmuera en el depósito. Sin embargo, algunos de los sitios muestreados fueron elimina- dos al identificar una desviación en la trayectoria de correlación observada entre los iones cloruros y sodio. De acuerdo con la CFE, el tiempo de residencia del agua en la laguna es de cien días. Si consideramos una superficie promedio para la laguna de km2 y m como profundidad promedio, así como gastos equiva- lentes para la entrada y salida de salmuera, entonces el volumen del cuerpo es m3, usando el valor promedio de evaporación encontrado según las modelaciones realizadas. Entonces, la evaporación total ocurrida para cien días se puede estimar en mm. Mientras que la evaporación anual resultaría en

mm. Este valor es muy cercano al documentado por ERIC (1996) para la zona. El método resulta ser muy sencillo y práctico; un mayor control de las dimen- siones por los efectos estacionales mejoraría la esti- mación del parámetro.

Efecto de la evaporación sobre el contenido químico

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utilizarlo como ion conservativo para identificar procesos adicionales cuando la salmuera se somete a eva- poración intensa. Otros iones en la solución presentan incrementos irregulares hasta la formación de sus sales, disminuyendo su contenido químico. Mientras que algunos otros, como el HCO3- y la continúan ba- jando hasta el final de la simulación. AI evaluar el comportamiento de las especies respecto a la que presenta el litio es posible identificar zonas de precipitación de sales formadas. La ilustración presenta la rela- ción en gramos de los minerales precipitados, en re- lación con el factor de concentración durante un modelo de reacción que simula la evaporación de acuerdo con el método de Harvie-Moller-Weare a

La relación CI/Li y Na/Li muestra que aproximada- mente en un factor de (factor de concentración),

los valores de las relaciones cambian debido a la se- gregación de halita de la solución. Para el potasio se observa que la relación K/Li varía en Io que indica la formación de sales de potasio, como silvita (ilustra- ción El contenido de sulfato muestra un comportamiento similar. De acuerdo con la relación SO4/Li, la formación de sales de sulfato ocurre en un valor de concentración de Sin embargo, no es sino hasta un factor de donde puede observarse claramente la división química de sulfato y calcio (ilustración). De acuerdo con el modelo de equilibrio, la fase mineral formada y segregada de la solución es anhidrita, mien-

tras que la formación y precipitación de calcita se encuentra en las etapas iniciales de la evaporación y durante todo el proceso.

En la ilustración se observa un incremento en la concentración de calcio y una disminución de bicarbonato. Este comportamiento puede ser interpretado en términos de divisiones químicas a partir del modelo de Hardie-Eugster (Hardie y Eugster, 1970; Drever, Appelo y Potman, 1993). La relación de concentraciones entre el calcio y el bicarbonato en meq justifica la precipitación de anhidrita, junto con la precipitación de calcita al inicio del proceso.

El comportamiento de la sílice no es discutido en términos de divisiones químicas (Drever, sin embargo, la formación de la fase sílice-amorfa es la más viable de acuerdo con las condiciones termodinámi- cas que prevalecen en el sistema (Derr et al., 1982).

Procesos químicos

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lación de la evaporación, en tanto que los símbolos corresponden al contenido de los iones medidos en las muestras de la laguna. Las gráficas muestran en todos

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punto L-26, por lo cual ha sido excluido de la descrip- ción. Después del sitio L-16 se encuentra un incremen- to de magnesio en la laguna, ocasionando una desvia- ción de la trayectoria, seguida por los puntos, respec- to a la observada por la línea de evaporación. En este sitio, donde ha ocurrido una pérdida aproximada de del volumen inicial, el incremento de magnesio, arriba del ocasionado sólo por evaporación, sugiere la existencia de un aporte adicional, quizá explicado por la existencia de una zona de debilidad propicia para que un fluido de emanación ascienda. Es importante recordar que esta área se definió como zona de descarga del yacimiento profundo (Lippmann et al.,

Dicho fluido tiene lugar a partir de la mezcla de agua subterránea con agua de descarga del yacimiento geotérmico. El patrón químico del fluido viene a ser agua subterránea caracterizada por alto contenido de magnesio y bajo contenido de cloruro y sodio, mientras que las aguas profundas, con un patrón químico contrario, al efectuarse la mezcla, darían lugar a un agua que no afectaría sensiblemente la relación de los iones mayoritarios debido a su alto contenido de CI- Na, CI-K o CI-Ca, pero sí modificaría la concentración de magnesio. Esta hipótesis podría ser comprobada en campo a partir de ensayos de infiltración para de- tectar zonas de contacto. Otra explicación sería la di- solución de fases minerales suspendidas que contie- nen magnesio. Es más difícil que ocurra esta hipótesis, ya que en la simulación numérica no se observan indi- cios de que este mecanismo suceda, sólo se encuentra un decremento en el índice de saturación de la dolomita alrededor de las zonas de incremento de magnesio. La dolomita, como se presentará más adelante, se encuentra en condiciones de subsaturación prácticamente en todo el recorrido. Para apoyar la su- posición se realizó una simulación considerando que la fase mineral talco [(Mg3Si4O10(OH)2], convergida por el programa en términos de sobresaturación, permanece en solución. Sin embargo, al determinar el equilibrio químico mediante el modelo MSPF se encontró un cambio en las condiciones de saturación de las fases talco y sepiolita hacia estados subsaturados, lo cual implica disolución de los constituyentes, entre ellos, magnesio. Los resultados no mostraron diferencia al comportamiento antes descrito. A pesar de ello, no se descarta la hipótesis de disolución, ahora enfocada hacia la existencia de lentejones de evaporitas en los estratos someros de esta zona. Puesto que han sido encontradas concentraciones anómalas de magnesio en agua a partir de sondeos perimetrales de la laguna, no explicables en términos de una mezcla sencilla entre los diferentes fluidos presentes en la zona de estudio, el primer incremento de magnesio sucede entre ca que la pérdida másica de agua es el proceso que

gobierna la evolución química de estas especies en la solución. Las ligeras desviaciones de los símbolos respecto a las líneas continuas corresponden más bien a errores de medición que a la ocurrencia de otro tipo de procesos. La identificación de la secuencia de puntos de la laguna es la que se ha venido usando para identificar la circulación de la salmuera (del sitio L-26 al L-18).

La ilustración presenta la gráfica de concentra- ción de los iones cloruro contra la concentración de los iones magnesio. La ilustración utiliza la misma simbo- logía que las ilustraciones anteriores, donde las líneas continuas y los puntos corresponden a la trayectoria de la simulación y a los valores analíticos de los sitios de la laguna.

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los sitios L-16 a L-7, indicando la zona principal de aporte. El resto de los puntos (L-11 a L-15) también muestran un arreglo lineal, cuya pendiente es mayor que la obtenida por la simulación. Este comportamien- to muestra que además del efecto de la evaporación existe un proceso de aporte adicional en gran parte de la laguna. Casi al final del recorrido ocurre un evento similar, donde se observa un cambio notable de la pendiente. No es probable que dicho aumento de con- centración se deba a cambios en la velocidad de cir- culación de agua en la laguna, ya que también afec- taría al resto de las especies, lo cual no sucede; es probable que esta ocurrencia pueda ser explicada por las suposiciones antes propuestas, principalmente por aquella referida a la ocurrencia de disolución.

En la gráfica a de la ilustración se presenta el comportamiento de las concentraciones de cloruro contra la concentración de sulfato. En dicha gráfica, la trayectoria de simulación con pendiente aproximada a se indica, como en los casos anteriores, con una Ií- nea continua. Los puntos corresponden a las muestras de la laguna. El efecto teórico sobre el contenido de sulfato encuentra un incremento constante hacia valores mayores de ppm para las etapas finales de la evaporación. Resultados similares se encuentran al usar los modelos de H-M-W y Pitzer, mostrando la misma tendencia que en la ilustración Por el contrario, los datos de los sitios de la laguna al final del reco-

rrido presentan valores no mayores de ppm. El arreglo de las muestras de la laguna en la gráfica muestra una trayectoria diferente a la línea de evaporación. La ausencia de sulfato segregado de la solución no justifica este comportamiento. La distribución de los datos en la gráfica muestra disminución de sulfato y un comportamiento relativamente constante hasta el sitio L-25, donde ha ocurrido una evaporación de (cuadro 2). Este comportamiento se justificaría por precipitación constante de minerales de sulfato, en proporción co- rrespondiente al incremento ocasionado por la evapo- ración. Sin embargo, este proceso tampoco se observa en la laguna, de acuerdo con las condiciones termodi- námicas evaluadas con los datos analíticos. En relación con la predicción teórica, la precipitación de fases de sulfato ocurre hasta de evaporación.

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na. Las fases minerales evaluadas sujetas al grupo de valores químicos alimentados fueron yeso (CaSO4 2H2O); 2H2O); anhidrita (CaSO4); basanita (CaSO4 1/2H2O); epsomi- ta (MgSO4 7H2O); tenardita (Na2SO4); hexahidrita (MgSO4 6H2O), y mirabilita (Na2SO4 10H2O). No se descarta la posibilidad de que el sulfato sea reducido a sulfuro mediante reacción con hierro (Fe") formando FeS2. La evaluación de estos iones y de sedimentos de la laguna será realizada en una siguiente etapa, con lo cual podrá ser apoyada o descartada esta explicación. La gráfica b de la ilustración muestra la trayectoria de la concentración de cloruro versus bicarbona- to (en meq) de las muestras y de los valores obtenidos por la simulación. Los datos corresponden a la mode- lación realizada con el método de Helgeson 969) y se indican en la gráfica por la línea. También se observa que los valores analíticos de bicarbonato muestran mayor decremento que los valores calculados por la simulación. Este comportamiento se aprecia hasta

los

sitios L-14 y L-15. Los sitios L-17 y L-18, que corresponden al final del recorrido, presentan un ligero incremento de bicarbonato.

La trayectoria de simulación fue obtenida al efec- tuar un enfriamiento de la solución de a 29°C y asu- miendo un equilibrio de la fugacidad de CO2(aq) de

agua con la atmósfera. Como se presentó anteriormente, el pH en la lagu-

na indica una tendencia hacia valores ácidos a medida que la salmuera sufre la evaporación. La salmuera de los sitios L-14 y L-15 corresponde a los valores más ácidos encontrados en el recorrido. La ilustración presenta los valores medidos en las muestras de la laguna y los resultados de la simulación respecto a la circulación de la salmuera. La línea continua indica la trayectoria de simulación.

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sílice amorfa que precipita durante el enfriamiento de la solución.

La trayectoria se logró al asumir que sólo sílice amorfa se forma en la solución y que las fases polimorfas, tales como tridimita, cristobalita y calcedonia, a pesar de encontrarse en condiciones de sobresaturación, no precipitan. Esta predición es confirmada por los resultados de los estudios de difracción de rayos X realizados a sedimentos de la laguna. La simulación no reproduce la concentración de los sitios iniciales del recorrido de la salmuera.

No

obstante, en las etapas siguientes, la trayectoria se acerca a los datos de la laguna. Aunque a diferencia del comportamiento de la sílice en la laguna, la simulación encuentra disminución de sílice a ra- zón de mg /kg de fluido. La linea de evaporación presentada en la ilustración considera una pérdida continua de sílice en fase amorfa.

Modelos de equilibrio y evaporación

La ilustración muestra la evolución de los estados de saturación de los minerales calculados mediante la simulación numérica de la evaporación a Los cálculos de actividad partieron de la aplicación de la ecuación de Debye-Hückel para determinar los coeficientes de actividad. El comportamiento de los estados de saturación de los minerales es muy parecido al

encontrado al aplicar los modelos de equilibrio en la laguna. La simulación predice un equilibrio químico para la sílice amorfa con la solución, mientras que las fases polimorfas (cuarzo, cristobalita, calcedonia y tridimita) se mantienen en condiciones de sobresatura- ción. La disminución de los índices de saturación de las fases polimorfas de sílice al inicio del proceso se debe a la transformación de fases y precipitación de sílice en su forma amorfa (ilustración Según esta ilustración, los valores de saturación de dichas fases polimorfas permanecen constantes durante todo el proceso de evaporación, mientras que la sílice amorfa encuentra el equilibrio durante todo el proceso. De acuerdo con el modelo MSPF, la transformación de fases ocurre en los primeros tres sitios y la precipita- ción de sílice ocurre hasta el sitio L-10.

En contraste, el modelo químico MCPF no detecta variación en los índices de saturación de las fases polimorfas, pero sí encuentra que la sílice amorfa alcanza el equilibrio, siendo ésta, básicamente, la única fase segregada de la solución.

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tra, en las primeras etapas, equilibrio con calcita. A

medida que avanza la evaporación en la laguna, la calcita cambia su estado a condiciones subsaturadas. Mientras tanto, las fases minerales estroncianita y talco son determinados en condiciones de sobresaturación, sin llegar a precipitar durante todo el proceso. El resto de las fases (ilustraciones y tales como aragonita, dolomita, yeso, anhidrita, celestita, halita, silvita, y magnesita, se encuentran en condiciones subsaturadas. De acuerdo con este modelo de evaporación no se tiene posibilidad de que las fases precipiten, al menos en el intervalo de evaluación. Aunque, como puede observarse en la ilustración la tendencia general es hacia estados de saturación.

Según el modelo, al inicio del proceso la sepiolita se encuentra sobresaturada y cambia su estado a medida que avanza la evaporación hacia condiciones subsaturadas. Este comportamiento concuerda con la evolución determinada en el modelo sin precipitación de fases minerales.

La simulación a sequedad de la solución por el mé- todo de Pitzer encuentra únicamente las fases minerales anhidrita, yeso, silvita, halita, basanita, celestita y brucita en condiciones subsaturadas. La precipitación de los minerales, de acuerdo con el modelo, se logró arriba de de evaporación. Todas las fases presentan una tendencia hacia condiciones de saturación a medida que la evaporación avanza. Cuando se concentra el fluido, se encuentra que el yeso no precipita, en su lugar lo hace la anhidrita, debido a la disminución en la actividad del agua según el siguiente esquema:

las condiciones de evaporación que presenta la laguna. La formación de halita ocurre sólo hasta un factor de concentración de mientras que la silvita precipita alrededor de un factor de Finalmente, se encuentra formación de anhidrita durante las etapas finales de evaporación La secuencia de forma- ción respecto a la concentración de la solución se presenta en la ilustración

Conclusiones

La laguna presenta un patrón de enfriamiento que va en paralelo con la circulación de la salmuera. Existen zonas donde el enfriamiento se interrumpe probablemente al contacto con agua híbrida procedente del estrato profundo. La modelación del equilibrio realizada a partir de los modelos MSPF, MCPF y M-4 determi- nan que la fugacidad de CO, en la salmuera no se encuentra en equilibrio con la atmósfera. Se observa con- gruencia entre el comportamiento de este parámetro, el pH y los bicarbonatos.

La secuencia de evaporación en la laguna se esta- bleció a partir de los criterios de circulación de la salmuera en el depósito y la concentración de cloruro, considerado en este trabajo como ion conservativo. En la mayoría de los casos, los sitios no incluidos fueron afectados por un proceso de evaporación excesiva causada por estancamiento de la salmuera. La evolu- ción química de los elementos mayores muestra un incremento gradual, aparentemente ocasionado por la evaporación. Sólo se observa una disminución marca- da en la sílice y el bicarbonato, mientras que la con- centración de sulfato aparentemente mantiene un comportamiento constante. Bajo las condiciones im- perantes en la salmuera de la laguna no se observan evidencias claras que puedan ser interpretadas bajo el modelo de división química propuesto por Eugster- Harvie, sólo la formación de calcita reflejada por la dis- minución de bicarbonato y el aumento de calcio.

Las fases polimorfas de la sílice en

los

modelos MSPF y MCPF se encuentran en condiciones sobresaturadas. De acuerdo con el modelo MSPF, la sílice amorfa alcanza el equilibrio y logra precipitar en todos los puntos de la laguna, lo cual es congruente con los estudios realizados por Garrel y Mackenzie, (1967) y Deer et al. 982) en condiciones de baja temperatura. En concordancia con los modelos MSPF, MCPF y el M-4 sólo la calcita logra condiciones de equilibrio al inicio del recorrido y en distintos sitios a lo largo de la trayectoria de circulación. Sin embargo, los índices de saturación calculados se encuentran muy cercanos a cero, por lo que no se descarta la posibilidad de que dicha fase precipite en la laguna.

_ -

En este intervalo, la halita y la celestita alcanzan la saturación y precipitan:

halita

Mientras que la silvita y brucita alcanzan la satura- ción poco más adelante:

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La simulación numérica de la evolución del cloruro en un proceso de evaporación permitió determinar el porcentaje de evaporación en cada uno de los sitios muestreados en la laguna, ai considerarlo como especie conservativa. La aplicación del método encontró que la salmuera se encuentra sometida a un de evaporación durante su recorrido en la laguna.

En este estudio se ha encontrado que el comportamiento de las especies químicas cloruro, sodio, potasio y calcio concuerda con la trayectoria de un proceso de evaporación .modelado teóricamente. Mientras que la concentración de magnesio y sulfato al parecer es gobernada por procesos adicionales a la evapora- ción. En el caso del magnesio, se ha interpretado que procesos de mezcla con fluidos de emanación y reacciones de dilución son los responsables de estas ocu- rrencias. En tanto que el comportamiento del sulfato no pude ser explicado cuantitativamente a partir de la in- formación recabada en este trabajo. Se esperaría que su contenido aumentara, sin embargo se observa una concentración constante durante todo el cuerpo de la laguna. Se ha propuesto la ocurrencia de reacciones

presencia de hierro en la solución, lo cual será demos- trado o desechado en etapas posteriores del estudio.

La secuencia mineral encontrada por los modelos de evaporación son muy similares a la determinada

morfas de la sílice se encuentran en condiciones de

sobresaturación sin lograr precipitar. Sólo la sílice edición, Editoriales Omega, Barcelona, pp. amorfa alcanza el equilibrio en la solución, precipitan-

do durante el desarrollo de la evaporación. Este hecho fue confirmado por los resultados de difracción de rayos X realizados a sedimentos de laguna.

La calcita, a diferencia de lo encontrado por

los

modelos de equilibrio químico, logra las condiciones de equilibrio en la solución durante toda la evaporación.

Las especies halita, silvita y anhidrita también tienen posibilidad de precipitar, sólo que a mayores condiciones de evaporación. Según el modelo de evapo- ración, esta ocurrencia sucedería arriba de de

A pesar de que el modelo de actividad de Helge- son 969) no puede aplicarse confiablemente en soluciones salinas, es una opción para evaluar en un am- plio rango de temperatura el comportamiento de la sílice en soluciones cuya fuerza iónica sea mayor a molal. La comparación de los resultados obtenidos por los modelos MSPF y MCPF con los modelos M-3 y M-4 son muy similares para las fases halita y silvita, mien-

cias hasta de unidades en los índices de satura- ción para las soluciones

m á s

salinas.

Agradecimientos

Se desea agradecer a las autoridades de la CFE-Residencia Cerro Prieto por las facilidades para la divulgación de este trabajo. Este estudio formó parte de un proyecto de cooperación técnica CFE- OIEA-IIE.

Recibido: Aprobado:

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Abstract

Portugal, E. M.P. Verma, "Hydrochemistry of the geothermal brine in Cerro Prieto, Baja California, Mexico". Hydraulic Engineering in Mexico (in Spanish), vol. XVl, num. pages April-June,

The chemical equilibrium and evaporation models are developed in order to study the reaction mecha- nisms and processes occurring in the stored geothermal brine in a lake at Cerro Prieto. Taking into account the different methods for activity calculations, four equilibrium models (MSPF; MCPF; M-3 y M-4) were deve- loped. The models MSPF and MCPF use the "B-dot" equations, while M-3 and M-4 use the methods for sa- line water. According to the MSPF and MCPF models, the brine is in equilibrium with amorphous silica, and calcite is only in equilibrium at some points in the lake, whereas it is supersaturated for mineral strontianite and polymorphous silica. Similary, the evaporation model suggests that the content of chloride, sodium, po- tassium and calcium in the lake is controlled by evaporation. Additional processes like mixing and redox affect the concentration of magnesium and sulfate, respectively Polynomial relations based on the chloride concentration were derived to determine the amount of evaporation in the lake. The application of this me- thod suggested that of the lake's brine was evaporated along its way The MSPF and MCPF models provide good simulation of the brine's chemical behavior for low evaporation, while the other models, M-3 and M-4, are better for high evaporation about where the minerals halite, sylvite and anhydrite are in equilibrium.

Key words: hydrochemistry, simulation, chemical equilibrium and evaporation model, lakes, Cerro Prieto,

geothermal brine.

Dirección institucional de los autores:

Enrique Portugal Correo electrónico: Mahedra Pal Verma

Instituto de Investigaciones Eléctricas Gerencia de Geotermia