| Title | Modelado del flujo de masa y energía en chimeneas submarinas usando el método de elementos finitos |
|---|---|
| Authors | Mario César Suárez-Arriaga |
| Year | 2005 |
| Conference | Mexican Geothermal Congress |
| Keywords | Geotermia submarina, chimeneas oceánicas, modelado matemático, elementos finitos. |
| Abstract | La circulación hidrotermal en las cordilleras profundas del mar es un proceso geológico fundamental que controla la transferencia de masa y energía desde el interior de la Tierra, a través de la litosfera oceánica, hacia la hidrosfera y hasta la atmósfera. Los reservorios geotérmicos submarinos contienen un potencial infinito de energía. Las propiedades y comportamiento de un sistema de tal complejidad no pueden ser explicadas completamente por el estudio aislado de cada uno de sus componentes. Estos sistemas actúan como un todo y no es posible entender su funcionamiento sin considerar las interacciones entre todas sus partes. La energía submarina profunda se relaciona con la existencia de aberturas y fisuras que surgen en muchos lugares a lo largo de los centros de dispersión entre las placas tectónicas. Esos lugares en la corteza oceánica tienen una longitud total de 65,000 km. Hay dos tipos de recursos: los profundos, localizados a más de 2000 m bajo del nivel del mar, y los superficiales, cerca de las plataformas continentales, entre 1 y 50 metros de profundidad. Ambos tipos existen en las costas mexicanas del Océano Pacífico. El fluido hidrotermal submarino sale por fisuras profundas del piso marino a temperaturas entre 350° C y 400° C, con velocidades aproximadamente de 0.70 a 2.36 m/s, mezclándose con el agua del mar a 2° C. La depositación de minerales que acompañan al fluido provoca la formación de chimeneas submarinas que llegan alcanzar más de 15 metros de altura. Los flujos termales convectivos medidos en algunas chimeneas van de 1 a 93 MWT. El valor promedio para un solo orificio es aproximadamente de 8 MWT. Con unos pocos datos medidos es posible estimar una altura correspondiente para la pluma formada de 370 m sobre el piso oceánico. Se han observado en el Océano Pacífico plumas con flujos mayores a los 1000 MWT. Tales megaplumas son el resultado impresionante de una descarga instantánea de flujo de calor en la fuente profunda correspondiente. También, en la Cordillera Meso-Atlántica se han observado chimeneas llamadas Fumadoras Blancas, más pequeñas y con temperatura moderada entre 250° C y 300° C. Con todos los datos disponibles, se estima una pérdida de calor promedio para la corteza oceánica de aproximadamente 1.5 WT/m2. El mismo parámetro predicho para las cordilleras está entre 2 y 100 MWT/Km (o sea, por unidad de longitud). Se estima que las descargas hidrotermales submarinas transportan aproximadamente el 30% del calor cedido por la corteza oceánica. Las interacciones hidrotermales submarinas a temperaturas y presiones elevadas influencian la geoquímica, la composición de la corteza oceánica y a los océanos mismos. Este mecanismo produce campos de “ventilación hidrotermal” capaces de soportar comunidades biológicas extrañas y diversas. A partir de poblaciones microbianas que se alimentan de la energía de sustancias químicas disueltas con producción de carbono orgánico, se forman los primeros eslabones de una cadena alimenticia ligada a la energía geotérmica submarina. La comprensión de estas transferencias de masa y energía entre esos complejos subsistemas geológicos, químicos, geofísicos y biológicos, requiere el desarrollo de modelos integrados que incluyan las distintas interacciones entre ellos. En este trabajo, además de una descripción actualizada de los procesos involucrados, se presenta una introducción al modelado de procesos hidrotermales submarinos utilizando el método numérico de Elementos Finitos. Este estudio ha sido propuesto y aceptado como tema oficial de investigación por la Coordinación de la Investigación Científica de la Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo. Hydrothermal circulation at the deep ridges of the sea is a fundamental complex process controlling mass and energy transfer from the interior of the Earth through the oceanic lithosphere, to the hydrosphere and to the atmosphere. The properties and behavior of such a complex system cannot be thoroughly explained by the isolated understanding of each one of its single components. These systems act as a whole and is not possible to understand their operation without considering the interactions among all their parts. This deep submarine energy is related to the existence of hydrothermal vents emerging in many places along the oceanic spreading centers between tectonic plates. These systems have a total length of about 65,000 km in the Earth’s oceanic crust and are located at more than 2000 m below sea level. Shallow submarine geothermal heat is related to faults and fractures in the sea bottom close to some coasts. Shallow resources are found near to continental platforms between 1 and 50 m depth. Both types of resources exist in the Mexican coast of the Pacific Ocean. The hydrothermal fluid at 350° C - 400° C exits the seafloor at velocities between 0.7 m/s and 2.36 m/s and mixes with seawater at 2° C. Many vent fields have vertical structures forming chimneys built of materials which precipitate from the heated vent fluid as it mixes with seawater, having up to 15 m height. Thermal flows measured at black smokers range from 1 to 93 MWT , with an accepted average value for a single orifice of about 8 MWT. With this data is possible to estimate a plume’s height of about 370 m over the seafloor. Some plumes have been observed in the Pacific Ocean with thermal flows of about 1000 MWT. Such megaplumes could be the impressive result of an instantaneous and huge release of heat flow at the corresponding source. Also, in the Mid-Atlantic Ridge, small white smoker chimneys with measured temperature between 250° C and 300° C have been observed. With the available data it is predicted an average hydrothermal heat loss for the oceanic crust of about 1.5 WT/m2. The same parameter predicted for the ridges is between 2 and 100 MWT/Km (per unit ridge length). It is estimated that submarine hydrothermal discharges remove about 30% of the heat lost from oceanic crust. Submarine hydrothermal interactions at high pressure and high temperature, influence the composition of the oceanic crust and the oceans’ chemistry. This mechanism produces hydrothermal vent fields which support diverse biological communities starting from microbial populations that link the transfer of the chemical energy of dissolved chemical species to the production of organic carbon. This events form the first link of a feeding chain supported by geothermal energy. The understanding of this mass and energy flows among those complex geological, chemical, geophysical and biological subsystems requires the development of integrated models that include all the interactions between them. This work presents an updated description of the processes involved and an introduction to the modeling of submarine hydrothermal mechanisms using the Finite Element Method. This study has been proposed and officially approved as a research subject by the Coordinación de la Investigación Científica of the Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo (UMSNH). |