UNIVERSIDAD DE CHILE FACULTAD DE CIENCIAS FÍSICAS Y MATEMÁTICAS DEPARTAMENTO DE GEOLOGÍA HIDROGEOQUÍMICA DE FUENTES TERMALES EN AMBIENTES SALINOS RELACIONADOS CON SALARES EN LOS ANDES DEL NORTE DE CHILE TESIS PARA OPTAR AL GRADO DE MAGÍSTER EN CIENCIAS MENCIÓN GEOLOGÍA MEMORIA PARA OPTAR AL TÍTULO DE GEÓLOGO LAURA VALENTINA LAGOS DURÁN PROFESOR GUÍA: DIEGO MORATA CÉSPEDES MIEMBROS DE LA COMISIÓN: MARTIN REICH MORALES LINDA DANIELE LUCIANO ACHURRA REVECO SANTIAGO, CHILE 2016 Resumen En un contexto en que los métodos de exploración de recursos geotérmicos tienen que ser cada vez más eficientes, una comprensión más clara de los factores que controlan la localización y naturaleza de los reservorios de alta entalpía en los Andes chilenos es un requisito clave. Debido a esto, se hace necesario utilizar herramientas geoquímicas especializadas, en particular para agua geotermal con influencia de lago salino, y así establecer modelos que discriminen entre entradas de solución salina de superficie respecto a potenciales signaturas químicas e isotópicas relacionadas con la presencia de reservorios geotermales profundos. A la fecha, sólo un número muy limitado de estudios han reportado concentraciones de elementos traza e isótopos de B, Li y Sr en aguas de salares en el norte de Chile, todos ellos destinados a diferenciar las contribuciones relativas de reservorios y salmueras superficiales en los manantiales termales en borde de lagunas y salares. Sobre esta base, el objetivo principal de este trabajo es definir dichas señales químicas e isotópicas de las diferentes fuentes que aportan iones a las aguas termales al Salar de Surire y a la Laguna Tuyajto en el Altiplano de la I y II región, Chile. Así, se pretende identificar la naturaleza y extensión de procesos de mezcla entre los miembros extremos evaporíticos y geotermales, para finalmente cuantificar el aporte de iones en aguas termales de ambientes salinos según su fuente. Los objetivos propuestos fueron alcanzados mediante el estudio de un set de muestras de agua subterránea y superficial, depósitos evaporíticos, de sinter y volcánicos, y un experimento de disolución de sales. Se analizaron las razones isotópicas de 87Sr/86Sr para estudiar las fuentes de los iones en las aguas, y las concentraciones de elementos mayores, traza e isotopos estables de Li (δ7Li) y B (δ11B) para entender las fuentes y los alcances de los procesos hidrogeoquímicos que afectan las aguas geotermales. Las concentraciones de magnesio en aguas termales (~19,7 mg/L en Polloquere; 59 mg/L en Tuyajto) están significativamente empobrecidas en relación con las aguas de lagos salinos (~685,2 mg/L en Polloquere; 7457 mg/L en Tuyajto). La concentración total de Sr en aguas termales es baja (Sr=3,7 mg/L, 87Sr/86Sr=0,706244 en Polloquere; Sr=2,7 mg/L, 87Sr/86Sr=0,707385 en Tuyajto) mientras que para aguas salinas ésta es alta (Sr=31 mg/L; 87Sr/86Sr=0,706314 en Polloquere; Sr=41mg/L, 87Sr/86Sr=0,70823 en Tuyajto). Las concentraciones y datos isotópicos de Li y B en Polloquere son Li=139 mg/L, δ7Li=5,37, B=795 mg/L, δ11B=10,6 para aguas de lagos salinos y Li=12,2 mg/L, δ7Li=2,96, B=73 mg/L, δ11B=5,09 para aguas termales. Mientras que en Tuyajto son Li=58,9 mg/L, δ7Li=6,66, B=910 mg/L, δ11B=3,91 para aguas de lagos salinos y Li=0,68 mg/L, δ7Li=4,24, B=3,2 mg/L, δ11B=-0,41 para aguas termales Los datos experimentales de disolución de minerales evaporíticos (por ejemplo, ulexita, halita, yeso) muestran que la concentración total de Cl (~3242 mg/L) y razones Br/Cl, (~6,5•10-4) de las aguas experimentales resultantes son similares a las composiciones medidas para las aguas termales (Cl=~1953, Br/Cl=~7,5•10-4). A partir de los resultados obtenidos, se propone un modelo en donde el agua adquiere la signatura isotópica de Sr Li y B de las rocas volcánicas presentes en las cuencas. La meteorización incentiva la captación de 6Li y 10B en arcillas. Mientras que las condiciones áridas superficiales, por un lado, gatillan la evaporación de las salmueras de lago, favoreciendo la incorporación del isotopo más liviano (10B) en la fase vapor, y, por otro lado, estimulan la precipitación de minerales evaporíticos, entre ellos boratos, que captan 10B en la forma tetrahedral. La precipitación y disolución minerales evaporíticos induce cambios en la signatura isotópica, tanto en los minerales cristalizados como en la salmuera residual, haciendo factible la identificación de aportes de solutos provenientes de los depósitos evaporíticos superficiales o de salmueras de lago en las aguas subterráneas (participación de salmueras en aguas subterráneas de Surire entre 5,8 y 53%; en Tuyajto entre 0,73 y 30%). Dado que δ7Li junto con δ11B entregan evidencias de fraccionamiento estimulado por captación de 7Li y 10B en arcillas y boratos, la signatura del posible equilibrio termodinámico que ocurre en profundidad, en los reservorios geotermales, se pierde. Los valores isotópicos de estroncio en las aguas y depósitos evaporíticos, reflejan las razones isotópicas de rocas y depósitos volcánicos continentales. La precipitación de minerales de alteración geotermal en profundidad y durante el ascenso (e.g. calcita, evidenciado por aumento de F acompañado de la disminución de Ca en aguas termales; arcillas, evidenciado por razones Mg/Cl), y procesos de intercambio iónico (e.g. captación de K en arcillas, evidenciado por razones K/Cl), caracterizan la química de las aguas termales salinas. En este estudio fueron aportados antecedentes de utilidad en la exploración de recursos geotermales asociados a lagos salinos en el Altiplano de Chile. La detección química de la señal “salina superficial” en las aguas subterráneas es compleja y su detección debe considerar diversos aspectos (química de cationes, aniones y trazas). Datos isotópicos inéditos de Li B y Sr entregan información sobre la génesis de las fuentes termales salinas, al identificar los procesos que las afectan durante su línea de flujo y al cuantificar su interacción el ambiente salino superficial. I A los pueblos originarios de la Cordillera… II Agradecimientos Partiendo por mi familia. Gracias a mi hermano Nicolás, quien siempre me ha brindado su apoyo. Y a Rolo, quien además de haber sido mi hermano y amigo, sembró la semilla de la Geología Planetaria cuando tenía pensado estudiar Astronomía. A él, a Hernán y a Camello, por incentivarme a cuestionar el mundo y descifrar los misterios de la naturaleza durante mi infancia. Y a mi madre, quien cultivo en mí el interés por los desafíos. Sin todas sus pequeñas influencias, no estaría aquí. Durante estos años de mi formación, tuve la suerte de tener profesores que permitieron y apoyaron el desarrollo de esta tesis. Diego Morata (Universidad de Chile), quien siempre me dio su disposición a conversar sobre los resultados de esta investigación, además de darme el apoyo financiero en representación del Centro de Excelencia de Geotermia de los Andes (FONDAP-CEGA), para poder obtener los datos de FRX y DRX, SEM e IC en los laboratorios que fuesen necesarios. Martin Reich (Universidad de Chile), quien compartió su tiempo conmigo para discutir sobre ciencia, y quien constantemente participó de mi formación como científica. Por su guía en el planteamiento de los parámetros del experimento, tanto por su conocimiento sobre la determinación de elementos traza en salmueras. Linda Daniele (Universidad de Chile), quien aportó con nuevas ideas para zanjar de la mejor manera el trabajo realizado durante estos tres años. Por sus consejos y simpatía. Gracias profesores por su participación durante este camino. A Luciano Achurra (EASA), quien estuvo presente durante los 2 primeros años de la tesis, dándome su tiempo y disposición para discutir sobre ciencia, y quien representó a mi parecer el aporte de EASA, empresa que me entregó información química e isotópica, además del financiamiento de las campañas de terreno y del programa de postgrado. Esta tesis no hubiese sido posible sin la colaboración de Linda Godfrey (Rutgers University), quien ha sido mi ejemplar femenino científico a seguir, y me ha ayudado durante estos 3 años a aprender sobre isotopos estables, y ha discutido conmigo sobre sus interpretaciones. A ella, a Colette Deudal y a Verónica Rodríguez, quienes me ayudaron a buscar laboratorios confiables y que tuviesen desarrolladas técnicas apropiadas para analizar las salmueras de lago y las soluciones experimentales. A los pequeños aportes que realizó Stwart Simons y "El Choca" (EASA) sobre como dirigir esta tesis cuando apenas estaba empezando. A Igor y a Catalina quienes participaron en el desarrollo inicial de las metodologías isotópicas y en el planteamiento del tema de la tesis, además de haber ayudado en la recolección de muestras de agua y roca en terreno. A quienes han hecho aportes profundos en mi tesis, que alcanzan principales discusiones y conclusiones, Pablo Sánchez, Daniele Tardani y a Fernanda Álvarez, estudiantes de postgrado de la Universidad de Chile que trabajaron en proyectos que involucraban geoquímica de sistemas geotermales en Chile. Termino este camino contenta de haberme desarrollado como profesional en esta escuela, y por sobre todo, por haber tenido la posibilidad de conocer a todos aquellos que me hicieron crecer como persona. A Felipe, Kari, Karla, Márquez, Perrin, quienes ayudaron a manejar mi locura durante plan común, a Dugo, Bolívar, Leo, 6 lucas, quienes me regalaron su amistad, al profesor Mario Rodríguez, quien me guio en el mundo del atletismo, de la perseverancia y la superación, al grupo de atletas, sobre todo a Jenny y Alonso… a Diego A., mi compañero de aventuras, y a los nunca bien ponderados dispersores de la sala de postgrado, que con sus tallas y conversaciones alegraban mis días y alivianaron la carga asociada al desarrollo de este trabajo.