ENEREG1 MÓDULO 2 unidad III

Curso básico en exploración geotérmica para la integración regional.

Edición 2016 MÓDULO II Exploración Geológica.

Unidad III. Material obligatorio

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Curso básico en exploración geotérmica para la integración regional

Edición 2016

Autor del curso: Banco Interamericano de Desarrollo (BID) (www.iadb.org), a través de su Sector de Integración y Comercio (INT) Coordinador del curso: Rodrigo Ernesto Vázquez Escalante Diplomado Especialista en Diseño de Contenidos y en Formación Pedagógica para universitarios por la Universidad del Salvador Banco Interamericano de Desarrollo (BID) (www.iadb.org), a través de su Sector de Integración y Comercio, el Instituto para la Integración de América Latina y el Caribe (www.iadb.org/es/intal), el Instituto Interamericano para el Desarrollo Económico y Social (INDES) (www.indes.org), y el Programa Regional de Entrenamiento Geotérmico (PREG) (www.geotermia.edu.sv ) Autor del Módulo: Hernán Pablo Barcelona, Doctor en Geología, Especialización en Geotermia, Investigador del Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas, Jefe de Trabajos Prácticos de Geología Estructural y Geotectónica en el Departamento de Geología de la Universidad de Buenos de Aires.

Coordinación pedagógica y de edición: El Instituto Interamericano para el Desarrollo Económico y Social (INDES) (www.indes.org ), en colaboración con la Fundación Centro de Educación a Distancia para el Desarrollo Económico y Tecnológico (CEDDET) (www.ceddet.org)

Copyright ©2016 Banco Interamericano de Desarrollo. Esta obra se encuentra sujeta a una licencia Creative Commons

Edición 2016

IGO

3.0

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(CC-IGO

3.0

BY-NC-ND)

(http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/igo/legalcode). Este documento es propiedad intelectual del Banco Interamericano de Desarrollo (BID). Cualquier reproducción parcial o total de este documento debe ser informada a: BIDINDES@iadb.orgCualquier disputa relacionada con el uso de las obras del BID que no pueda resolverse amistosamente se someterá a arbitraje de conformidad con las reglas de la CNUDMI (UNCITRAL). El uso del nombre del BID para cualquier fin distinto al reconocimiento respectivo y el uso del logotipo del BID, no están autorizados por esta licencia CC-IGO y requieren de un acuerdo de licencia adicional.Note que el enlace URL incluye términos y condiciones adicionales de esta licencia.Las opiniones incluidas en los contenidos corresponden a sus autores y no reflejan necesariamente la opinión del Banco Interamericano de Desarrollo.

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Índice Unidad III. Aspectos de Hidrogeología sobre los Sistemas Geotérmicos............................................................................ 4 Objetivos ............................................................................. 4 III.1 Ciclo hidrológico ............................................................ 4 III.2 Porosidad y permeabilidad .............................................. 6 III.3 Tipos de acuíferos ........................................................ 10 III.4. La transmisión de fluidos en acuíferos y sus parámetros .. 14 III.5. Características hidrogeológicas de los elementos de un sistema geotérmico ............................................................. 15 SÍNTESIS DE LA UNIDAD ................................................. 21

Índice de Figuras Figura No. 3.1 Ciclo Hidrológico .................................................................. 6 Figura No. 3.2 Porosidad efectiva ............................................................... 8 Figura No. 3.3 Tipos de acuíferos...............................................................12 Figura 3.4. Elementos de un sistema geotérmico desde el punto de vista hidrogeológico ...........................................................................................18 Figura 3.5. Efecto de la topografía sobre el desplazamiento lateral de la zona de descarga superficial ..............................................................................20

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Unidad III. Aspectos de Hidrogeología sobre los Sistemas Geotérmicos

Objetivos 

Conocer el ciclo hidrológico y establecer su relación con los sistemas geotérmicos.



Definir la diferencia entre porosidad y permeabilidad.



Establecer las características y tipos de acuíferos.



Caracterizar desde el punto de vista hidrogeológico cada elemento del sistema geotérmico.

III.1 Ciclo hidrológico El ciclo hidrológico describe la combinación de todos los posibles patrones de circulación del agua entre la atmosfera, la litosfera, la biosfera y la hidrosfera, además de los patrones de circulación específicos dentro de cada una de estas esferas (Fig. 3.1). La hidrosfera incluye todos los ambientes asociados a los cuerpos de agua, como los lagos, ríos, océanos y reservorios de agua subsuperficial. Zekai Sen (2015) plantea que la circulación del agua incluye procesos complejos e interdependientes

como

la

evaporación,

transpiración,

evapotranspiración, precipitación y de recarga de aguas superficiales.

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Entonces,

los

sistemas

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geotérmicos

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son

parte

del

ciclo

hidrológico1, donde el agua interacciona fuertemente con la litosfera, como se vio en la unidad 1.

El ciclo se inicia en los cuerpos de agua por procesos de evaporación y sublimación y continúa con la precipitación o el deshielo. Dependiendo del relieve y de las características de las rocas en superficie, parte del aporte de la precipitación y del deshielo (i.e. agua meteórica) puede cruzar la frontera de la superficie de la tierra. Este paso es el inicio del ciclo hidrogeológico, que es motorizado por la fuerza gravitacional.

El primer estadio de infiltración del agua meteórica en subsuelo se da en la zona no saturada, donde el agua convive con el suelo y sus espacios rellenos de aire y humedad. La infiltración en profundidad se da hasta la zona saturada o capa freática (i.e. donde los poros están saturados de agua). La superficie superior de esta zona se conoce como superficie freática y el agua por debajo de ella es el agua subterránea. Se destaca que la superficie freática suele replicar la forma de la superficie topográfica a escala regional.

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Los sistemas geotérmicos son parte del ciclo hidrológico, pero con una característica

particular: la interacción con la roca caliente en profundidad activa mecanismos de transferencia de calor que pueden implicar la movilidad de masa (i.e. convección de fluidos geotérmicos).

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Figura No. 3.1 Ciclo Hidrológico Abreviaturas: ZNS: zona no saturada, FC: Franja Capilar, ZS: Zona Saturada. Fuente: Hernán Barcelona.

III.2 Porosidad y permeabilidad

¿Por qué el agua meteórica es capaz de infiltrarse en subsuelo rocoso a mucha profundidad? Esto se debe a que algunas rocas tienen en su interior espacios que están rellenos de fluidos (p.ej. agua, vapor, aire, 6 6 6

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etc.). A estos espacios se los denomina poros. La porosidad es una propiedad de esos medios y se calcula como la relación porcentual entre el volumen total de la roca y el volumen de poros.

Cuando los poros se forman al mismo tiempo que la roca, se dice que las rocas tienen porosidad primaria. Las rocas sedimentarias, como las areniscas y las brechas, las rocas volcánicas, como las lavas o las volcano-sedimentarias

suelen

tener

una

significativa

porosidad

primaria.

Pensemos. El concepto de porosidad permite imaginar como el fluido traspasa un medio rocoso. Sin embargo, considere lo siguiente: ¿qué pasa con un medio rocoso con elevada porosidad pero donde todos los poros se encuentran aislados unos de los otros?

Esta condición hace que los fluidos puedan estar dentro de las rocas en altas proporciones, pero también impide que los fluidos traspasen el medio rocoso (Fig. 3.2b). Un ejemplo clásico de este tipo de porosidad la presentan las rocas volcánicas.

Permeabilidad. La porosidad por sí sola no permite explicar como un fluido atraviesa un medio rocoso. Para que el fluido vaya migrando a través de los intersticios de la roca, los poros deben ser lo suficientemente grandes2 y estar conectados entre sí.

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Un ejemplo que muestra la importancia del tamaño de los poros son las arcillas (el barro). Las

arcillas están compuestas por partículas muy pequeñas y pueden albergar hasta un 70% de fluidos en su estructura. Sin embargo, las arcillas son típicos materiales impermeables: los

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La permeabilidad de un material queda definida por su capacidad de transmitir un fluido a través de su estructura.

Porosidad efectiva. Los conceptos de porosidad y permeabilidad pueden fusionarse al considerar el porcentaje de espacios que se encuentran conectados entre sí. Esto define a la porosidad efectiva y su fórmula es

Figura No. 3.2 Porosidad efectiva Efecto de la porosidad efectiva sobre la circulación de fluidos a través de un medio rocoso. Medio rocoso a) sin porosidad b) con elevada porosidad pero no impermeable y c) con menor porosidad que en b pero con una porosidad efectiva que permite que el fluido lo traspase. Fuente: Hernán Barcelona.

fluidos no pueden atravesarlas. Por esto explica por qué el barro esta debajo de los charcos o en el fondo de los lagos. En el caso de los sistemas geotérmicos, las arcillas componen la capa sello del sistema.

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El efecto de las fracturas. Se sabe que los reservorios de los sistemas geotérmicos de alta entalpía suelen estar constituidos por rocas volcánicas.

¿Qué

sucede

para

que

las

rocas

con

muy

baja

permeabilidad efectiva, como las volcánicas, permitan la circulación de fluidos dentro del reservorio?

Como se vio en la unidad anterior, las rocas pueden fracturarse cuando se someten a esfuerzos. Las fracturas generadas son de canales de libre circulación de fluidos y les confieren una altísima permeabilidad y porosidad efectiva a las rocas. Esta porosidad generada a posterior de la formación de las rocas se le denomina porosidad secundaria y es la causante de que rocas con baja porosidad inicial como las rocas volcánicas, los granitoides o las ignimbritas soldadas3 puedan actuar como reservorio de un sistema geotérmico.

Finalmente, el porcentaje de la roca o unidad geológica que está compuesto por los espacios vacíos se denomina porosidad total. Esta porosidad incluye cualquier tipo de porosidad (primeria, secundaria, etc.) y los espacios capaces de ser ocupados por fluidos pueden ser poros, espacios entre los granos o los espacios dentro de las fracturas.

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Las ignimbritas soldadas son aquellas en que los componentes de la matriz fueron soldados

durante su formación. El resultado es una roca muy dura, como baja porosidad efectiva inicial.

Estas rocas son muy comunes en sistemas geotérmicos vinculados a actividad volcánica.

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Existen distintos tipos de porosidad, pero la más importante en los sistemas geotérmicos es la porosidad efectiva. Esto se debe a que si los poros están conectados entre sí, el fluido puede atravesar la unidad geológica con facilidad. Además, la porosidad secundaria se asocia a

fracturas,

y

las

fracturas

aumentan

drásticamente

la

permeabilidad de una unidad geológica.

III.3 Tipos de acuíferos

Considere una secuencia de rocas en profundidad. Cada nivel, capa, estrato o unidad rocosa puede ser clasificada según su permeabilidad y su capacidad de almacenar y transmitir fluidos.

Acuífero (del latín aqua: agua y fero: llevar). Es una unidad geológica4 muy permeable que permite la circulación de fluidos a través de ella, los transmite y libera con facilidad. Las arenas y roca compacta con alta fracturación son ejemplos comunes.

Al considerar variaciones en la permeabilidad y la transmisión de fluidos, las capas rocosas también pueden definirse como:

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Unidad geológica: formalmente y desde el punto de vista estratigráfico, la unidad de roca

se denomina Formación y tiene un sentido genético asociado. En este caso, utilizaremos una visión informal del concepto y cuando se menciona “unidad geológica”, nos referimos a un tipo de roca o material.

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

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Acuicludo (del latín aqua: agua y claudere: encerrar). Es impermeable e impide la circulación de fluidos a través de la capa.

Puede o no tener porosidad. Si los poros tienen fluidos, no transmite ni los libera. Los ejemplos clásicos son los limos y las arcillas.



Acuitardo (del latín aqua: agua y tardare: tardar). EL fluido circula con dificultad, los transmite y libera muy lentamente. Pueden almacenar una cantidad apreciable de fluidos. Ejemplo: arenas limosas o arcillosas

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, rocas compactas con alteración y/o

fracturación moderada. 

Acuífugo (del latín aqua: agua y fugare: huir). No almacena, no transmite ni libera fluidos. No hay circulación en este tipo de unidad.

Los granitoides no fracturados son un ejemplo común.

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Cuando los poros de las arenas se rellenan de material mucho más fino, como el limo o la

arcilla, las arenas dejan de tener su característica permeabilidad y pasan a ser medios que dificultan la transmisión de fluidos.

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Figura No. 3.3 Tipos de acuíferos Combinación de acuíferos que se da en profundidad según la composición de las distintas capas. En A) se muestra las condiciones típicas de acuíferos confinados y en B) las condiciones típicas de acuíferos semiconfinados. En ambos modelos se encuentran un acuífugo en la base y un acuífero libre cercano a la superficie. Estas condiciones son comunes en los sistemas geotérmicos. El acuífugo basal seria la base del reservorio, mientras que el acuífero libre representa los cuerpos de agua dulce que deben ser preservados durante la explotación del recurso geotérmico.

Fuente: Hernán Barcelona.

Es muy útil clasificar a los acuíferos por las presiones a las que están sometidas. Estas presiones están relacionadas a la disposición que el acuífero tiene en profundidad: 

Acuífero libre o no confinado. Está sometido a presión atmosférica. El agua satura parcialmente el acuífero y la superficie freática es libre de ascender o descender, sometida a presión atmosférica.



Acuífero confinado. El agua satura completamente el acuífero y está cubierto por una capa impermeable. La superficie freática está sometida a una presión mayor que la atmosférica.



Acuífero semiconfinado. Es un acuífero a presión, al igual que los confinados,

pero

su

capa

confinante

es

un

acuitardo

(o

semipermeable) y a través de ella es alcanzado por filtraciones.

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Todos estos tipos de acuíferos se encuentran relacionados unos a otros y están determinados por las propiedades de los estratos o capas rocosas que se encuentran en profundidad. Se sugiere que el lector observe con detalle la figura 3.3 y vea como se dan estas relaciones.

¿Qué tipo de acuífero hace que salga agua en forma espontánea de un pozo profundo?

Los pozos que alcanzan los acuíferos libres son llamados pozos freáticos y el nivel del agua en el pozo se denomina nivel freático del acuífero.

El espesor de un acuífero libre es conocido como el espesor saturado y varía con la posición de la superficie freática. Sin embargo, un pozo que alcanza a perforar un acuífero confinado tiene un nivel de agua por encima del nivel freático y se denomina nivel piezométrico. La superficie piezométrica es una superficie virtual que alcanzaría el agua si se hiciera infinitas perforaciones del acuífero. Cuando la superficie piezométrica está por encima de la superficie topográfica, se producen los pozos surgentes o artesianos. ¿Se imagina que tipo de pozo seria el que llega a perforar un reservorio geotérmico?

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III.4. La transmisión de fluidos en acuíferos y sus parámetros

Los acuíferos transmiten el agua desde áreas de recarga hacia áreas de descargas como si fueran tuberías rellenas de arena saturadas en agua.

El ingeniero francés Henry Darcy propuso en 1856 una ecuación que explica el flujo a través de un medio poroso y que define los factores que controlan el movimiento del agua subterránea6. De la Ley de Darcy se desprende que a) la conductividad hidráulica (K) es el término cuantitativo para la permeabilidad y tiene unidades de velocidad y b) la transmisividad (T) es la capacidad de un acuífero a transmitir o circular el agua horizontalmente y es igual a la conductividad hidráulica (K) del acuífero multiplicado por el espesor saturado (b) del acuífero.

Sabías que…

La conductividad hidráulica de las capas geológicas varía en 12 órdenes de magnitud y también puede variar en diferentes posiciones de las mismas. Estas variaciones son especialmente comunes en los sistemas geotérmicos, debido a las características de

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Para más detalles, consultar el material complementario mc.III.1_Ley de Darcy (1

página).

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las rocas volcánicas y volcano-sedimentarias que componen el reservorio o por los procesos de alteración y oclusión de sus fracturas.

Las drásticas variaciones en la conductividad hidráulica explican por qué se puede realizar a 400 m de un pozo geotérmico productor un nuevo pozo y que no se obtenga fluido geotérmico alguno!

Consejo: aunque recuerde esta explicación, no se la mencione a su jefe si usted fue el responsable de la ubicación de la perforación.

III.5. Características hidrogeológicas de los elementos de un sistema geotérmico A

continuación

se

presenta

un

resumen

de

las

principales

características hidrogeológicas de 5 elementos que constituyen a los sistemas geotérmicos.

1) Reservorio. Es un acuífero confinado con elevada conductividad hidráulica por donde transitan fluidos de origen meteórico. Están usualmente asociados a rocas con porosidad secundaria controlada por fracturas (p.ej. rocas volcánicas o ignimbritas fracturadas). Esta porosidad secundaria favorece la compartimentalización del reservorio.

Además, en la base y en el techo se encuentran acuícludos que aíslan el fluido del entorno y fomentan la instauración del gradiente térmico.

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2) Capa sello. Es un acuicludo

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controlado por su muy baja

permeabilidad. Al tener muy baja transmisividad, confina al reservorio.

Si la capa sello esta fracturada, su efectividad para aislar al reservorio disminuye, pasa a ser un acuitardo y los reservorios pasan a ser acuíferos semiconfinados. Este cambio en el comportamiento de la capa favorece descensos significativos de presión en el reservorio y la formación de bolsones de vapor, además de condicionar la circulación de fluidos y actuar como vías de escape de los fluidos calientes hasta la superficie.

3) Acuíferos someros. Son todos los cuerpos de agua por encima de la capa sello. Pueden ser confinados, semiconfinados o libres, dependiendo de la profundidad a la que se encuentren. Pueden tener aguas fósiles8 o mantener conexión con el circuito hidrológico. En este último caso, contienen agua meteórica o aguas de mezcla con fluidos geotérmicos. Dos aspectos principales deben considerarse: la química de las aguas de manantiales calientes siempre está parcialmente modificada por la mezcla con estos cuerpos de agua y, por lo tanto, la determinación de su existencia es prioritaria para la exploración

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Un acuífugo también podría confinar por la base y el techo a un reservorio. Sin embargo, no

son muy comunes como capa sello debido a que esta capa suele presentar un fuerte grado de transformación de la roca original, producto de transformaciones termodinámicas incentivadas por los fluidos geotérmicos calientes y reactivos. Los minerales de alteración son arcillas, que tienen mucha porosidad, muy baja permeabilidad y son los ejemplos típicos de acuícludos.

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Las aguas fósiles son aquellas que quedaron atrapadas en la formación de una unidad

geológica y pueden formar parte del ciclo hidrológico aunque hayan sido infiltradas mucho tiempo antes y no participen del ciclo por un período prolongado.

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geoquímica y 2) suelen ser reservas de agua dulce que deben preservarse durante una plausible explotación del recurso geotérmico.

4) Zona de recarga. Suelen ubicarse a cotas altas y la carga hidráulica favorece la circulación de los fluidos en profundidad. Son zonas de elevada porosidad a nivel superficial, lo que facilita la infiltración de las aguas meteóricas. Pueden estar asociadas a exposición superficial de rocas muy permeables, a zonas de alta densidad de fracturas o a planicies aluviales extensas.

5) Zona de descarga. Las descargas pueden ser hacia cursos de agua superficiales o hacia acuíferos en profundidad. Usualmente están condicionadas por fracturas que conectan con niveles más superficiales y de alta permeabilidad. La zona de outflow es una expresión de una zona de descarga del reservorio geotérmico y en la práctica se define por la presencia de manantiales calientes y fumarolas activas. Esta zona se genera por la intersección del vector de circulación del fluido caliente con la superficie.

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Figura 3.4. Elementos de un sistema geotérmico desde el punto de vista hidrogeológico. Fuente: Hernán Barcelona.

El desplazamiento de la zona de outflow: efectos de la topografía En condiciones de poca perturbación de la circulación de fluidos, las zonas de upflow (i.e. zona de ascenso de los fluidos termales) y outflow coinciden en su disposición vertical.

Considere zonas con elevado gradiente topográfico, como las laderas de un volcán. En estos casos, el escurrimiento lateral subsuperficial es intenso y se genera es la advección de los fluidos. La advección favorece la interacción de los fluidos meteóricos con los fluidos geotérmicos que ascienden por la zona de upflow. Como resultado, los

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fluidos geotérmicos sufren un desplazamiento lateral considerable antes de descargar en superficie para formar los manantiales calientes y fumarolas. Cuando esto sucede, las zonas de upflow y outflow no se superponen. La figura 3.5 sintetiza esta situación.

Pero, ¿cuál es la importancia de determinar si la zona de outflow se encuentra desplazada? El efecto de la advección de los fluidos subsuperficiales fríos es el arrastre lateral de la estructura térmica y su inversión en profundidad (ver la curva temperatura-profundidad en la zona de outflow de la fig. 3.5).

Si se realiza un pozo exploratorio para medir el gradiente térmico en las cercanías de las fumarolas y manantiales calientes, el resultado será negativo. La curva resultante mostrará que la estructura térmica se deprime en profundidad. Por lo tanto, es fundamental considerar el efecto de la advección y el arrastre de la estructura térmica en la exploración de los recursos geotérmicos. Tenga en cuenta que muchos proyectos no prosperan si el primer pozo profundo no logra satisfacer la expectativa de los inversores.

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Figura 3.5. Efecto de la topografía sobre el desplazamiento lateral de la zona de descarga superficial (outflow). La línea segmentada vertical indica el lugar donde se muestra el gradiente térmico. Note como la temperatura máxima (300°C) se alcanzan a una profundidad media y como la temperatura desciende a mayor profundidad. Sin embargo, el sistema presenta temperaturas que superan los 250°C. En esta configuración, lo conveniente es perforar los pozos exploratorios cuesta arriba de la zona de outflow. Fuente: Hernán Barcelona.

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SÍNTESIS DE LA UNIDAD  La porosidad, presión, conductividad hidráulica, gradiente hidráulico y transmisividad son los principales parámetros que definen a un acuífero.  La permeabilidad de un material indica su capacidad de transmitir un fluido -la porosidad secundaria se asocia a fracturas, y las fracturas aumentan drásticamente la permeabilidad de una unidad geológica.  Un acuífero es una unidad geológica muy permeable que permite la circulación de fluidos a través de ella. Las arenas y roca compacta muy fracturada son ejemplos comunes.  La Ley de Darcy explica el flujo de un fluido a través de medios porosos.  La conductividad hidráulica es el término cuantitativo para la permeabilidad y varía hasta 10 órdenes de magnitud en los materiales rocosos.  Los reservorios son acuíferos confinados asociados a rocas fracturadas (p.ej. rocas volcánicas o ignimbritas).  La capa sello es un acuicludo y confina al reservorio. Si está muy fracturada, el reservorio pasa a ser un acuífero semiconfinado y sufre descompresión.  Los acuíferos someros alteran la química de las aguas de manantiales calientes y de las fumarolas.  En las laderas de un volcán, las zonas de outflow pueden estar desplazadas lateralmente. Por debajo de estas zonas, la estructura

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térmica está deprimida y suelen presentar inversión del gradiente en profundidad

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