Estudio geoquímico-ambiental de los efluentes naturales producidos en la zona geotérmica de Acoculco, Puebla

Aída Quinto

Universidad Autónoma de Guerrero

Edgar Santoyo Vicente Torres

Eduardo González

Instituto de Investigaciones Eléctricas

Daniel Castillo

Comisión Federal de Electricidad

Se presentan los resultados preliminares relacionados con el estudio geoquímico de las aguas termales en la zona geotérmica de la Caldera de Acoculco, Puebla, y su evaluación desde el pun- to de vista de impacto ambiental. Se llevó a cabo un muestreo de manantiales termales en siete diferentes localidades pertenecientes a los municipios de Chignahuapan y Zacatlán, Puebla, los cuales han sido considerados en investigaciones previas como los más representativos del hidro- termalismo de la región. Se emplearon técnicas para la caracterización química de los elementos mayores y traza, así como la clasificación hidrogeoquímica de las aguas. Los resultados indican, en su mayoría, la presencia de aguas de tipo bicarbonatado sódico, bicarbonatado cálcico y sul- fatado cálcico. En lo referente a impacto ambiental, se detectó que las aguas procedentes de los manantiales termales de Los Azufres y La Alcaparroza presentan concentraciones anómalas de elementos traza contaminantes, con niveles de concentración ligeramente superiores a los límites máximos establecidos por las normas técnicas ecológicas.

Palabras clave: clasificación hidrogeoquímica, hidrotermalismo, alteración hidrotermal, elemen- tos mayores, elementos traza, impacto ambiental.

Introducción

La zona geotérmica de la Caldera de Acoculco se localiza en los límites de los estados de Puebla e Hi- dalgo, en el extremo oriental del Cinturón Volcánico Mexicano, CVM. El área de estudio se encuentra com- prendida entre los paralelos 45' y 20" 00' de latitud norte y los meridianos 98" 00' y 98" 25' de longitud oeste, ilustración A nivel regional se ha destacado que en la zona de estudio afloran rocas volcánicas pertenecientes al CVM y rocas sedimentarias (secuen- cias calcáreas y terrígenos) de la provincia Sierra Ma- dre Oriental (Morales y Garduño, 1984).

De la Cruz y Castillo 986) y Tello (1 y 1987) han efectuado previamente algunos estudios geológicos y geoquímicos de este lugar. Esencialmente, los resulta- dos derivados de estas investigaciones han permitido identificar a esta zona hidrotermal como un área con alto potencial geotérmico para su explotación subse- cuente en la generación de energía eléctrica.

Como complemento a estos estudios y con el obje- tivo de establecer un marco geoquímico orientado a la evaluación preliminar del impacto ambiental en esta zona, se realizó un seguimiento geoquímico a los flui- dos hidrotermales producidos. Específicamente, los estudios tuvieron como objetivos centrales:

tividad volcánica representada por domos riolíticos, conos de escoria y derrames andesíticos. A nivel re- gional el área estudiada queda comprendida en los límites de la Sierra Madre Oriental y el CVM, ocupando un área de km2 aproximadamente (De la Cruz y Castillo, 1986).

Las secuencias de la Sierra Madre Oriental son, principalmente, calizas en facies de cuenca de una edad jurásico-cretácico y se encuentran plegadas y falladas constituyendo las rocas más antiguas de la re- gión. Los afloramientos de estas secuencias se ubican en las porciones norte y este del área de estudio, iIus- tración Sobreyaciendo discordantemente a las ro- cas sedimentarias se encuentran rocas volcánicas an- desíticas, riolíticas, piroclásticas y basálticas, cuyas edades se han estimado del mioceno al cuaternario. De acuerdo al análisis de las imágenes de satélite, se observó que existen tres patrones principales de ali- neamientos:

Un sistema noreste-sureste en la Sierra Madre Oriental, que corresponde a los pliegues de la misma y a fallas inversas y de cabalgadura parale- las a los pliegues Un sistema noreste-sureste perpendicular al plega- miento de la Sierra Madre Oriental Un sistema norte-sur de menor frecuencia (De la Cruz y Castillo, 1986).

El límite oriental entre las dos provincias geológicas de la región lo constituye el cauce del río Axaxalpan que se localiza hacia la porción oriental de los pobla- dos de Chignahuapan y Zacatlán con una dirección noreste-sureste. Se ha considerado como una impor- tante estructura regional, debido a que existe un fuer- te desnivel de m entre las calizas de ambas már- genes del río. Otra importante estructura paralela a la del río Axaxalpan es el alineamiento noreste-sureste de un gran número de cráteres de explosión freatomag- mática y de conos escoriáceos.

Características geoquímicas e hidrogeológicas

La geoquímica en las etapas de exploración y explota- ción geotérmica ocupa un papel importante lo que permite definir, entre otros aspectos (Santoyo y Barra-

La determinación de la composición química de los elementos mayores y traza en las aguas termales Clasificación hidrogeoquímica de las aguas terma- les mediante el uso de diagramas de PIPER (Santo- yo y Barragán,

Los datos geoquímicos así obtenidos se analizaron para evaluar su grado de contaminación relacionado con el estado natural del yacimiento geotérmico, y su comparación con respecto a los niveles máximos per- mitidos por las normas técnicas ecológicas. En este trabajo se presenta detalladamente la metodología ex- perimental empleada y la interpretación de los resulta- dos obtenidos.

Antecedentes gán,

Geología de la zona geotérmica de la Caldera de Acoculco

La zona geotérmica de Acoculco se caracteriza por una caldera volcánica de km de diámetro y una ac-

La composición y concentración química de lac es- pecies en los fluidos del yacimiento Las temperaturas en el subsuelo El tipo de sistema geotérmico El origen del hidrotermalismo

El tipo de rocas en contacto con los fluidos geotér- micos La clasificación hidrogeoquímica de los fluidos

En algunas zonas geotérmicas la aplicación de la geoquímica puede ser útil en la identificación y evalua- ción de impactos ambientales generados por especies químicas provenientes durante la emisión y deposición de los fluidos de desecho.

Geoquímica de la zona geotérmica de la Caldera de Acoculco

El hidrotermalismo en la zona geotérmica de la Calde- ra de Acoculco se manifiesta por la presencia de ma- nantiales termales, manantiales de agua agria, mofe- tas, y por encontrarse asociados a extensas zonas de

alteración hidrotermal como son la caolinización, silici- ficación y depósitos de sínter, ilustración Es me- nester señalar que la mayoría de las localidades se asocian a su vez a estructuras o rasgos anulares.

La temperatura de los manantiales varía desde los a 25°C en mofetas hasta 49°C en manantiales ter-

males (Tello, 1986). A partir de los análisis químicos de aguas y gases se han detectado elementos que prue- ban la existencia de un sistema geotérmico a profun- didad. Químicamente las aguas presentan caracterís- ticas de tipo: sulfatada-ácida, bicarbonatada-cálcica y bicarbonatada-sódica. Del estudio de gases se desta- ca la presencia de CO2, el cual ocupa un volumen de

a del total, así como de H2S, He, H2 y N2, con concentraciones variables (Tello, 1986). Los resultados del estudio isotópico, con base en la determinación de oxígeno-18 y deuterio, muestran que algunos manan-

tiales presentan un enriquecimiento de oxígeno-18, lo cual sugiere una proveniencia de yacimiento profun- dos. Por otro lado, mediante la relación oxígeno-18/ deuterio las aguas se sitúan en la línea de mezcla de aguas de origen geotérmico y meteórico (Tello, 1987).

En la zona geotérmica de Acoculco se desconocen hasta la fecha estudios previos con fines hidrogeológi- cos y perforaciones de mantos freáticos. Pese a ello, las condiciones hidrogeológicas en la zona se mues- tran favorables. Lo anterior se sustenta en los gastos impresionantes de los manantiales de Chignahuapan, Jicolapa y Hueyapan, lo cual permite suponer que las rocas volcánicas del subsuelo de la caldera presentan una permeabilidad favorable para la infiltración y la cir- culación de aguas subterráneas (De la Cruz y Castillo, 1986).

Los potentes espesores de rocas volcánicas pre- sentes en la Caldera son capaces de alojar un reser- vorio geotérmico y fungir como rocas almacenadoras. Asimismo, en el área correspondiente a la Caldera se presentan características de la existencia de una capa sello por los afloramientos de manantiales de agua agria y las mofetas sobre las trazas de estructuras. Esto indica que existen escapes a la superficie sólo en localidades permeables por fracturamiento, pero no fuera de ellas.

Como estructuras confinantes, la Caldera de Aco- culco y los rasgos circulares concéntricos a la misma constituyen importantes controles estructurales para el confinamiento en el subsuelo de un reservorio geotér- mico.

Metodología geoquímica-experimental

Las muestras de agua termal fueron recolectadas en los principales manantiales de la región pertenecien- tes a los municipios de Chignahuapan y Zacatlán, Pue- bla. Estos manantiales corresponden a las localidades de Chignahuapan, Jicolapa, Quetzalapa, Agua Agria, Agua Caliente, La Alcaparroza y Los Azufres, ilustra- ción Se recolectaron muestras y se registraron en el mismo sitio y en laboratorio los parámetros caracte- rísticos en las aguas, como son: pH, conductividad eléctrica y temperatura, además de las correspondien- tes observaciones de campo que incluyen: tipo de roca, espesor, grado de fracturamiento, alteración hi- drotermal, altitud y ubicación geográfica.

El trabajo de laboratorio consistió en la preparación y evaluación química de las muestras. Se determina- ron en todas las muestras como elementos mayores: Na+, K+, Ca2+, Mg2+, Li+, NH4+, B3+, F- Cl- SiO2,

NO;, y HCO3, y como elementos traza: As3+, Hg2+, Cu2+, Cd2+, Fe2+, Pb2+ y Mn2+.

Los análisis químicos se efectuaron mediante las técnicas analíticas de cromatografía de iones, absor- ción atómica, volumetría y colorimetría. Detalles de las metodologías de caracterización química empleadas en este trabajo han sido reportadas previamente por Barragán et al., (1 Santoyo et al., (1990) y Santoyo et al.,

Para validar la calidad de los resultados obtenidos durante la caracterización química de las muestras se efectuó el cálculo de balance de cargas que permite identificar errores en el análisis químico mediante el conocimiento de las proporciones relativas entre anio- nes y cationes de una muestra determinada (Santoyo y Barragán,

En relación con el método para la interpretación de los datos geoquímicos se utilizó un diagrama de PIPER, ilustración para establecer la clasificación hidrogeo- química. Finalmente, los resultados de los análisis quí- micos se evaluaron desde el punto de vista de impac- to ambiental con base en las normas técnicas ecológi- cas emitidas por la Secretaría de Desarrollo Social.

Resultados y discusión

Los elementos químicos analizados en las aguas ter- males de la Caldera de Acoculco, se muestran en los cuadros l a , 1b y 1c. Las elementos traza como el As3+ , Hg2+ y elementos metálicos, cuadro 1c, no ha- bían sido reportados anteriormente. Se pretendió en esta investigación evaluarlos conjuntamente con algu- nos elementos mayores desde el punto de vista de contaminación de las aguas.

Los resultados de los análisis químicos incluyen su error asociado que se obtuvo a partir de las ecuacio- nes de precisión establecidas en cada técnica aplica- da (Fishman et al., 1979). Por otra parte, procurando tener mayor confiabilidad en las determinaciones ana- líticas se procedió a evaluar los resultados obtenidos de los análisis químicos en términos de un balance de cargas. De acuerdo con ello, se concluyó que los des- balances caen dentro de los límites tolerables estable- cidos, es decir, entre por ciento.

En cuanto a la evaluación hidrogeoquímica se em- pleó el método de PIPER, ilustración destacándose primordialmente tres grupos de aguas que correspon- den a los tipos bicarbonatado sódico, bicarbonatado cálcico y sulfatado cálcico. El primer grupo de aguas incluye a los manantiales de Chignahuapan, Quetzala- pa, Agua Agria y Agua Caliente, el segundo incluye únicamente al manantial de Jicolapa y el tercero a los manantiales de La Alcaparroza y Los Azufres. De este último grupo, cabe mencionar que son aguas ubica- das dentro de la zona caldérica y, de acuerdo a inter- pretaciones realizadas previamente por Tello 986) se cree que sus características son producto de la inte- racción con H2S de origen geotérmico.

En la totalidad de las muestras se detectó la pre- sencia de As3+, Hg2+, B3+ y elementos metálicos como Fe2+, Mn2+, Cu2+, Cd2+, y Pb2+, con concen- traciones que varían ampliamente. Estos elementos cuando se encuentran en las aguas con proporciones superiores a las establecidas por las normas de cali-

dad, requieren de una especial atención, debido a que minar de los problemas de contaminación en las son los principales causantes de los problemas de aguas inducidos por su posible extracción. Asimismo, contaminación en la hidrología, suelos y el entorno físi- los resultados constituirán la línea base de calidad quí- co en general. mica del medio no perturbado geotermalmente.

De acuerdo a los parámetros especificados por las Por lo antes expuesto, se recomienda ampliar los normas técnicas ecológicas CE-CCA-001/89 que fija estudios en el resto de los manantiales termales de la los criterios de la calidad del agua (SEDUE, y región, así como en los manantiales y norias de uso NTE-CRP-001/88, que establece los criterios para la doméstico, para verificar la posible contaminación na- determinación de residuos peligrosos (SEDUE, tural por migración de fluidos de los manantiales ter- se observó que los manantiales con mayor contenido males naturales. de elementos traza contaminantes (As3+, B3+, Fe2+, También, se recomienda el muestreo de gases y de Cd2+, Cu2+, Mn2+, Pb2+ y que rebasan la nor- las aguas de los manantiales, así como su análisis quí- ma son los correspondientes a La Alcaparroza y Los mico-isotópico con el objeto de estimar el tipo de flui- Azufres. Este resultado nos permite corroborar que dos que se producirán y la mezcla de fluidos, para es- dichos manantiales tienen un origen en una fuente tablecer a priori una estrategia de disposición final de magmática, ya que en la mayoría de las aguas geotér- los efluentes y reducir el impacto ambiental. micas estos elementos se encuentran en cantidades

Asimismo, la presencia de elementos como As3+, B3+, y Hg2+, es indicativa, como también el Fe2+ y el Mn2+ que producen acidez cuando se oxidan y preci- pitan como óxidos (Weres, 1988). Los demás manan- tiales también presentaron estos elementos pero en menor proporción y por abajo de los límites máximos permisibles establecidos en las normas. La excepción es el manantial de Quetzalapa en el que los fluoruros y nitratos estaban arriba de los límites permisibles.

Conclusiones

A partir de la evaluación hidrogeoquímica se identifi- caron tres grupos de aguas que corresponden a los ti- pos: bicarbonatado sódico, bicarbonatado cálcico y sulfatado cálcico. USA,

La evaluación de los niveles de contaminación, da- dos por la concentración de las aguas muestreadas, indica que los manantiales de Los Azufres y La Alca- parroza presentan niveles de concentración ligera- mente superiores a los permisibles por las normas téc- nicas ecológicas.

Los manantiales de Los Azufres y La Alcaparroza, localizados dentro de la zona caldérica, por sus carac- terísticas químicas y físicas, permiten suponer su ori- gen a partir de una fuente magmática. De esta mane- ra, se corrobora el origen geotérmico propuesto pre- viamente por Tello (1986). En cuanto al impacto am- biental que ocasionan estas aguas en su estado natu-

cativo y se restringe a la zonas de alteración hidroter- mal (caolinización, silicificación y depósitos de sinter) donde es escaso o nulo el desarrollo de vegetación.

A partir de estas determinaciones geoquímicas se pretende establecer en principio un diagnóstico preli-

significativas. Recibido: diciembre, Aprobado: marzo,

Referencias

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De la Cruz, M.V. y D. Castillo, Estudio geológico de la zona geotérmica de la Caldera de Acoculco (Los Azufres-La Alcaparroza), Pue., México, CFE Depto. de Exploración, Informe

Fishman, M.J.; M.W. Skougstad; H.E. Taylor. Methods for De- termination of Inorganic Substances in Water and Fluvial Sediments, Techniques of Water-Resources Investiga- tions of the U.S. Geological Survey, (Book Chapter A l ,

Morales, G.J y V.H. Garduño, Estudio tectónico-estructural en el prospecto Huauchinango, Pue. Inst. Mex. del Petróleo, Reporte Interno, Inédito, México,

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Santoyo E. y R.M. Barragán, Geoquímica de exploración-mé- todos de campo, Mem. Curso de Exploración y Evalua- ción de Campos Geotérmicos, Financiado por la Secreta- ría de Hacienda y Crédito Público, Secretaría de Relacio- nes Exteriores y el Banco Interamericano de Desarrollo, (1 Cuernavaca, Mor. México,

total metals in groundwater samples collected near a coal fired generation plant by ion chromatography (Abstract), Int. Ion Chromatography Symp. Johannes-Kepler- University, Linz, Austria,

SEDUE, Secretaría de Desarrollo Urbano y Ecología. Norma

ral en la superficie, se puede decir que no es signifi- Santoyo E.; V. Torres; M. Torres; M. Salazar, Determination of

técnica ecológica NTE-CRP-001/88. Diario Oficial de la Federación, de junio,

SEDUE, Secretaría de Desarrollo Urbano y Ecología. Norma Técnica Ecológica CE-CCA-001/89. Diario Oficial de la Federación, de diciembre,

Tello, H.E., Geoquímica de la zona geotérmica d e la Caldera d e Acoculco, Pue., México, CFE Depto. de Exploración, Informe Inédito,

Tello, H.E., Composición química e isotópica del agua de los manantiales de la zona geotérmica d e Acoculco, Pue., México, CFE Depto. de Exploración. Informe Iné- dito,

Weres, O. Environmental Protection and the Chemistry of Geothermal Fluids, Sci. Tech., (Vol.1, Num. p. p. 302) USA,

Abstract

Quinto, A., et al. "Environmental Geochemical Study of the Natural Effluents of the Acoculco Geothermal Re- gion, Puebla". Hydraulic Engineering in Mexico (in Spanish). Vol x. Num. pages. September- December,

Preliminary results related to the geochemical study of thermal water in the geothermal zone of Acoculco, Puebla are presented. These are evaluated in terms of the environmental impact. Seven thermal spring sites located in the zones of Chignahuapan and Zacatlan, Puebla were sampled. Geochemical studies performed previously indicate that these sites represent the main source of hydrothermal processes. Several techniques were employed for the chemical characterization of mayor and trace elements. These data were used to clas- sify the hydrogeochemically these waters. The results obtained in this study indicate the presence of three dife- rents types of water: sodium bicarbonated, calcium bicarbonated and calcium sulphated. Concerning the environmental impact, it was found that the thermal spring waters from Los Azufres and La Alcaparroza have anomalous concentrations of polluting trace elements. The concentrations detected in the natural state of this geothermal zone are above those permitted by Mexican environmental standards.

Key words: Hydrogeochemical classification, hydrothermalism, hydrothermal alteration, mayor elements, trace elements, environmental impact.