| Title | Oxygen Isotope Exchange in Rocks and Minerals From the Cerro Prieto Geothermal System: Indicators of Temperature Distribution and Fluid Flow |
|---|---|
| Authors | A. E. Williams, W. A. Elders |
| Year | 1981 |
| Conference | DOE-CFE Symposium on Cerro Prieto |
| Keywords | |
| Abstract | Oxygen isotopic compositions have been measured in drill cuttings and core samples from more than 40 wells ranging in depth to more than 3.5 km in the Cerro Prieto geothermal field. Profiles of isotopic ratios versus sampling depths provide information on the three-dimensional distribution of temperature and fluid flow. These parameters also indicate variations in the history of hydrothermal processes in different areas of the geothermal field. Oxygen isotopic profiles of calcites in sandstones appear to measure of the recent equilibrium temperature distribution in the field before production began. From these data, a detailed, three-dimensional map has been developed, showing the equilibrium temperatures in the geothermal field. The distribution of thermal gradients can be used to generate a qualitative model of directions of hot water flow in this convective system before exploitation. In particular, the top of the geothermal reservoir over much of the field is marked by extremely sharp thermal gradients, implying that vertical heat transfer is inefficient in those regions. In the absence of an impermeable barrier to flow, this sharp gradient may indicate a strong horizontal component of flow in the hot reservoir fluid beneath a shallower, cold groundwater layer. Wells near the boundaries of the geothermal field commonly show reversals of temperature with depth, also indicating strong horizontal components of fluid flow on the periphery of the circulation system. A mass balance calculation has been performed using measured 180 depletion in subsurface wholerock samples from (ierro Prieto wells and the inferred 180 enrichment of the geothermal brine. This calculation implies an overall water:rock volume ratio of approximately 3:1 during the history of the Cerro Prieto system. Paleotemperatures different from the present thermal regime have been studied by examining coexisting mineral systems which exchanged their oxygen with the geothermal brines at different rates. Very short term events are indicated by vein minerals which were in equilibrium with the fluid from which they were precipitated. Longer term temperature changes are recorded by systems which exchange oxygen relatively slowly, such as silicate minerals or calcites in relatively impermeable shales. Retrograde thermal histories are observed in some areas near the boundaries of the field. In these boundary areas, strong horizontal flow can produce such short-lived heating and cooling effects by slight shifts in the rates or directions of hydrothermal fluid flow. Las composiciones de isotopos de ox{geno fueron loedidas en llluestras de recortes y nucleos de mas de 40 pozos del campo geotermico de Cerro Prieto cuyas profundidades alcanzan a mas de 3.5 km. Los perfiles de las razones isotopicas versus profundidad dan informacion sobre la distribucion tridimensional de la temperatura y del flujo de fluidos. Estos parametros tambien indican 'variaciones en la historia de los procesos hidrotermales en las diferentes areas del campo geotermico. Los perfiles isotopicos de ox{geno de las calcitas que rellenan los poros de las areniscas parecen dar una medida confiable de la reciente distribucion de temperatura de equilibrio en el campo antes de que cornenzara la producciOn. Partiendo de estos datos se elaboro un mapa tridimensional detallado de las temperaturas de equilibrio para el campo geotermico. La distribucion de los gradientes termicos puede utilizarse para desarrollar un modelo cualitativo de las direcciones de flujo de agua caliente en este sistema convectivo antes de su explotacion. En particular, en gran parte del campo, la parte superior del yacimiento geotermico esta indicada por gradientes termicos xtremadamente altos que irnplican que en aquellas regiones la transferencia vertical de calor es ineficiente. Si no existe una barrera impenneable al flujo, este gradiente alto puedo indicar una componente muy fuerte de flujo horizontal en el yaciemento caliente, debajo de una capa mas somera de agua subterranea frfa. Los pozos cercanos a los lftnites del campo geotermiCo frecuentemente presentan inversioues de temperatura con la profundidad, indicando tambien fuertes cOlaponentes horizontales de flujo de fluidos en la periferia del sistema de circulacion. Se calculo un balance de masa utilizando la disminucion de 180 medida en muestras de ocas enteras ("Whole-rock samples") obtenidas de pozos de Cerro Prieto, y el nriquecimiento de 180 inferido de las salmueras geotennicas. Este calculo implica una azon volumetrica total agua:roca de alrededor de 3:1 durante la historia del sistema de Cerro Prieto. Paleotemperaturas que difieren del regimen termico actual se estudiarOll mediante el examen de sistelnas de rainerales coextstentes que han intercambiado sus ox{genos con las salmueras geotermicas a diferentes velocidades. Eventos de muy corta duracion estan registrados por sistemas que intercambian sus ox{genos mas lentamente, tales como silicatos y calcitas en lutitas reIativamente imper.neables. En algunas areas cercanas a los l!mites del caiapo se observan historias termicas retro5radas. En estas zonas liru{trofes, el fuerte flujo horizontal puede producir efectos de calenta[;liento 0 enfriamiento de corta duracion al cambiar leveiUente la velocidad 0 direccion de flujo del fluido hidrotermal. |