Estudio de afloramientos de unidades detríticas como posibles almacenes geológicos de CO₂ en la cuenca del Duero (España)
Study of outcrops of clastic units as potential sites for geological storage of CO₂ in the Duero Basin (Spain)

B. Llamas¹, R. Alvarez², L.F. Mazadiego¹, J. Loredo², A. Cámara¹

¹Universidad Politécnica de Madrid. ETSI. Minas y Energía. Alenza 4, 28003 Madrid. España. Email: bernardo.llamas@upm.es

²Universidad de Oviedo. ETSI. Minas. Independencia 13, 33004 Oviedo. España

IntroducciónTOP

El consenso científico sobre el peligro que conlleva la emisión incontrolada de gases de efecto invernadero (GEI), con el fin de luchar contra el cambio climático, ha tenido un apoyo político decidido en la Comisión Europea. Directivas medioambientales para regular las principales emisiones de GEI como la Directiva 2003/87/CE o Directiva 2009/29/CE son ejemplo de ello.

Más aún, tras la publicación de la Hoja de Ruta de la Energía 2050, la Comisión Europea considera el carbón como recurso energético que contribuye a la seguridad del suministro (COM(2011)885 final), y que podría ser sostenible mediante el desarrollo y aplicación de tecnologías de Captura y Almacenamiento Geológico de CO₂ (CAC).

De acuerdo a las estimaciones realizadas por la Agencia Internacional de la Energía (IEA, 2011; IEA, 2012; IEA, 2013), el consumo de energía primaria para las próximas décadas seguirá siendo principalmente de origen fósil (ver Figura 1). Con estas previsiones, la tecnología de CAC tomará un papel relevante en la generación de electricidad de forma sostenible (es decir, con bajas emisiones de CO₂).

Mientras que la respuesta a la tecnología de captura de CO₂ provendrá de una solución global –donde las principales regiones tecnológicas pugnan por desarrollar soluciones efectivas en este sentido– la tecnología de almacenamiento geológico de CO₂ deberá solucionarse de una manera local -considerando esta escala a nivel nacional. Es por ello que cada país deberá abordar la identificación y exploración de estructuras geológicas susceptibles de ser utilizadas como almacén de CO₂ de forma eficiente y estable en el tiempo.

De entre todos los tipos de roca almacén susceptibles de ser utilizados, en nuestro país solamente es posible considerar los acuíferos salinos profundos (ASP), al no contar con significativos yacimientos de hidrocarburos, y dado que las capas de carbón presentan condiciones desfavorables para el fin propuesto. Otros tipos de posibles almacenes (lutitas orgánicas, basaltos, …) aún no se encuentran en un estado de desarrollo y verificación para que puedan ser considerados de forma realista.

Este tipo de estructuras (ASP) presentan grandes ventajas, como por ejemplo su mayor capacidad teórica de almacenamiento (Benson et al., 2005); pero su principal inconveniente reside en el escaso grado de conocimiento de las mismas, lo que incrementa el riesgo de fracaso en las campañas de exploración.

Con el fin de reducir dicho riesgo, se hace necesario considerar diversos criterios y metodologías de selección (Bachu, 2003, Llamas, 2009; Llamas & Cienfuegos, 2012) y estudio de los afloramientos de las formaciones geológicas consideradas como potenciales almacenes (ver Figura 2).

En este trabajo, se propone una metodología de caracterización de afloramientos, y su aplicación a dos casos particulares en las series que configuran el zócalo y bordes de la cuenca del Duero. Para ello, se utilizan como ejemplo las arenas cretácicas en facies Utrillas y las areniscas rojas del Buntsandstein (Triásico). En este estudio, se tienen en cuenta datos de 151 muestras de ambas unidades litoestratigráficas, tomadas en los principales afloramientos de los bordes de la cuenca.

Contexto geológicoTOP

Cuenca del DueroTOP

La cuenca del Duero se localiza en el cuadrante Noroeste de la Península Ibérica. Es la cuenca cenozoica de mayor extensión, con aproximadamente 50.000 km² (Sánchez San Román, 2006; Alonso-Gavilán et al., 2004).

Estructuralmente es una cuenca intraplaca de compleja evolución, que empezó a definirse a finales del Cretácico, posiblemente debido a la reactivación de los sistemas tardihercínicos de fracturas, en la que se distinguen varios sectores con características tectosedimentarias propias (Alonso-Gavilán et al., 2004; Armenteros & Mediavilla-Manzanal, 1997). La cuenca del Duero cuenta con una morfología asimétrica en la que los márgenes Sur y Oeste experimentaron una ligera subsidencia a favor de fallas en un contexto tectónico de horst y grabens (Alonso-Gavilán, 1981; Marfil & Gómez-Gras, 1992), mientras el sector norte funcionó, desde el Eoceno, como una cuenca de antepaís, relacionada con la evolución alpina de la cordillera Cantábrica (Alonso et al., 1996); por su parte, el sector Este mantuvo un comportamiento similar con respecto a la cordillera Ibérica.

Como consecuencia de este comportamiento geodinámico diferencial, el zócalo de la cuenca se hundió progresivamente hacia el Norte y Este, generándose en estas zonas los mayores espacios de acomodación y de mayor espesor de acumulación de sedimentos. La distribución paleogeográfica de facies, la evolución del carácter endorreico y las etapas de relleno de la cuenca se escapan del alcance del presente trabajo, encontrándose una descripción detallada de estos y otros aspectos a nivel de cuenca en Armenteros et al. (2002). En los trabajos de Herrero (2004) y Herrero et al. (2002) se pueden consultar estudios de menor escala y sobre los mismos aspectos en los sectores central y noroccidental de la cuenca, respectivamente. De especial interés resultan las propuestas de división en unidades sísmicas del sector norte de la cuenca del Duero establecidas por Herrero et al. (2010) y al análisis de la fracturación en el mismo dominio (Herrero & Gómez-Fernández, 2011).

Las unidades litoestratigráficas objeto del presente trabajo aparecen representadas exclusivamente en el zócalo y en los bordes de la cuenca del Duero, y no se corresponden con su relleno (finicretácico-Paleógeno). Dentro de la secuencia sedimentaria mesozoica (Prado et al., 2010), se consideran aquí dos sistemas: por una parte, las series detríticas rojizas de edad triásica (Buntsandstein), considerada en trabajos anteriores (Geocapacity Project, VII Programa Marco; Proyecto ALGECO2) como potencial almacén de CO₂, junto a la secuencia de margas, arcillas y yesos del Keuper, que actuaría como sello del sistema; por otra parte, sobre el conjunto cretácico, se consideran los niveles arenosos en facies Utrillas como almacén de CO₂ (Geocapacity Project, VII Programa Marco; Proyecto ALGECO2), configurando los depósitos margoso-arcillosos paleocenos (facies Garum) el nivel confinante de este segundo sistema.

Como se observa en la Figura 3, la cuenca del Duero reúne no solo características técnicas, sino que también socio-económicas como para ser considerada como idónea para albergar estructuras y unidades geológicas susceptibles de almacenar CO₂.

Materiales y métodosTOP

Identificación de formaciones de interés como almacén de CO₂TOP

La selección de las unidades litoestratigráficas objeto de estudio se justifica por varias considera-ciones presentadas en trabajos anteriores (Ruiz et al., 2007; Ruiz & Lomba, 2008; Vangkilde-Pedersen et al., 2009) que, a su vez, se han basado en información previa disponible, principalmente de sondeos de exploración de hidrocarburos.

Se consideran en este estudio datos preexistentes de dos unidades detríticas -conocidas de forma informal como “facies Utrillas”, y “facies Buntsandstein”– que, a priori, presentan propiedades favorables para confinar de forma estable y segura el CO₂: por una parte, su porosidad es principalmente primaria, lo que les confiere una mayor homogeneidad y, por consiguiente, una mejor distribución del fluido inyectado; por otra parte, su naturaleza mi-neralógica (principalmente siliciclástica) propiciará que la roca se vea afectada en menor medida por la interacción química entre fluido-roca.

Areniscas rojas triásicas (facies Buntsandstein)TOP

Presenta en su base un conglomerado brechoide de color rojo (Figura 4), con franjas verdes y ocres y con un espesor que varía de 3 a 6 m, pudiendo llegar a los 15 m; los cantos son generalmente de cuarzo y fragmentos de roca (cuarcitas, areniscas y pizarras) pertenecientes a las formaciones paleozoicas subyacentes. En conjunto, los cantos presentan una buena clasificación.

La matriz es de color rojo, enriquecida en óxidos de hierro. Encima de los niveles conglomeráticos basales aparecen unas alternancias detríticas areniscoso-pelíticas, compuestas de areniscas gruesas y finas y pelitas, en bancos de espesores de decimtricos a métricos. Tienen tono rojo, con intercalaciones verdes y ocres, debido probablemente a los diferentes grados de oxidación del hierro. Son frecuentes las estructuras sedimentarias, principalmente estratificación cruzada y paralela.

El espesor de esta unidad es notablemente inferior al correspondiente a las arenas cretácicas en facies Utrillas, con potencias medias que se pueden estimar cercanas a 100 m (hojas 239, 277, 278 del mapa geológico nacional).

Arenas blancas cretácicas (facies Utrillas)TOP

La naturaleza de los cuerpos arenosos en facies Utrillas es eminentemente siciliclástica (Figura 5). Están conformados por arenas arcósicas blanco-amarillentas sin cementar completamente, con intercalaciones de arcillas a veces caoliníferas y costras ferruginosas que confieren a la unidad, en ocasiones, un color rojo abigarrado característico y reconocible en los escarpes carcaveados.

Estratigráficamente, esta unidad y las formaciones asociadas, marcan el inicio de la transición al Cretácico Superior, cuando los sistemas fluviales comienzan a erosionar los macizos hercínicos, creando así abanicos aluviales y medios mixtos entrecruzados o anastomosados (braided) y sistemas sedimentarios propios de ríos meandriformes que van a parar a una plataforma marina somera (Alonso et al., 1993).

La potencia del conjunto es variable en toda la cuenca, desde 1000 m en la zona Noreste hasta 200 m en el Sur. Estos datos de potencia se contrastan con los datos deducidos de los sondeos de exploración de hidrocarburos (Tabla 1).

Tras la revisión de los sondeos de exploración de hidrocarburos realizados en la cuenca del Duero, se puede determinar una mayor presencia de la unidad Utrillas en las columnas estratigráficas de los 59 sondeos estudiados: en 19 sondeos se constata la presencia de esta unidad, frente a las 6 coincidencias para los tramos arenosos del Buntsandstein encontrados en los mismos sondeos.

Afloramientos de las formaciones de interésTOP

Los afloramientos de las unidades litoestratigráficas en consideración ofrecen la posibilidad de evaluar algunos aspectos relacionados con su viabilidad como potenciales formaciones almacén de CO₂. Es más, estos afloramientos ofrecen la posibilidad de realizar estudios relativos a la petrofísica, hidrodinámica y comportamiento mecánico de estas formaciones.

Existe información previa disponible a través de las campañas que el Instituto Geológico y Minero de España llevó a cabo para la caracterización de ciertas formaciones (detríticas y carbonatadas) con fines diversos, principalmente la elaboración de cartografía geológica para el proyecto MAGNA. Dicha información, es pública, pero su formato no permite su procesado y/o análisis estadístico.

Los datos que se presentan a continuación sobre la composición mineral de muestras de afloramientos de las areniscas rojas del Buntsandstein proceden de la elaboración de las hojas 239, 277 278, 279 y 316 del mapa geológico nacional, mientras que los datos correspondientes a muestras de las arenas cretácicas en facies Utrillas proceden de la información complementaria de las hojas 109, 129, 130, 131, 239, 277 y 349 (Figura 6).

ResultadosTOP

Procedencia y procesado de las muestrasTOP

Tras el análisis estadístico de los datos sobre la composición mineral de 62 muestras procedentes de la unidad Utrillas y de 89 muestras de la unidad Buntsandstein es posible diferenciar resultados relacionados con (a) la composición mineralógica y (b) el carácter textural, y que podrían priorizar la idoneidad de una formación frente a otra en relación a sus características intrínsecas como almacén.

Dichas muestras, como se ha indicado, han sido recogidas y descritas durante la campaña de elaboración de determinadas hojas del mapa geológico nacional por el Instituto Geológico y Minero de España. Si bien esta información es pública, para la interpretación de la misma ha sido necesario digitalizar las fichas de cada muestra, así como los datos recogidos en ella.

Composición de la fracción granularTOP

Desde el punto de vista de la composición mineralógica de las correspondientes fracciones granulares, el cuarzo es la fase mineral predominante en ambas unidades, llegando a superar el 90% en algunos casos. Siguiendo un orden de importancia cuantitativa, el contenido medio en feldespato potásico resulta de un 10,6% (con valores máximos que superan 30%) para la unidad Utrillas, frente a un 23,8% (con un valor máximo del 51%) en el caso de las areniscas rojas triásicas en facies Buntsandstein. Finalmente, la proporción de fragmentos de roca es superior en la unidad cretácica (principalmente restos de pizarras y areniscas, con un promedio del 15,6%) que en la unidad triásica (fragmentos de roca metamórfica que, en valor medio, suponen un 4,45% de la fracción granular).

Así, según se puede apreciar en la figura 7A y desde el punto de vista petrológico, las arenas en facies Utrillas están constituidas por cuarciarenitas, sublitarenitas y subarcosas estando el resto de sub-grupos representados principalmente por arcosas líticas y litarenitas feldespáticas. Por su parte (ver figura 7B), las areniscas rojas triásicas en facies Buntsandstein están constituidas predominantemente por arcosas, con una representación menor de subarcosas y sublitarenitas.

De entre estos aspectos, en relación con la aptitud de ambos niveles para configurar un buen almacén de CO₂, cabría discutir la significativa diferencia de contenidos en feldespato potásico en ambas unidades. En trabajos anteriores (Raistrick et al., 2009) se cita que la presencia de feldespato potásico en el esqueleto mineral del almacén puede promover varios fenómenos con influencia directa sobre el comportamiento del mismo: la reacción de disolución del CO₂ con la salmuera original que re-llena el espectro poroso del almacén acidificaría la salmuera, que podría atacar con mayor facilidad al feldespato y, por lo tanto, meteorizarlo, favoreciendo el atrapamiento iónico y mineral del CO₂ inyectado (Parry et al., 2007) en forma de ion bicarbonato (en el primer caso) y una potencial precipitación posterior en forma de carbonato (en el segundo caso). Con presencia de Na⁺ en la salmuera, (Johnson et al., 2004) citan el atrapamiento mineral mediante neoformación de dawsonita, mecanismo que ayudaría a mantener la inyectividad original del almacén. Sin embargo, se debe tener en cuenta que la meteorización del feldespato potásico lleva asociada la aparición de fases minerales arcillosas (caolinita, sericita, etc.), fenómeno que podría modificar los valores originales de porosidad y, especialmente, permeabilidad (Parry et al., 2007). En particular, la permeabilidad puede verse reducida por dos mecanismos: relleno de poros como resultado de esta transformación mineral, y posterior rotura de las láminas de los filosilicatos, que parcialmente pueden bloquear la garganta del poro, siendo esta última la principal causa de la pérdida de permeabilidad (Vinopal & Taylor, 1999).

Fase de uniónTOP

MatrizTOP

El contenido en matriz detrítica en las arenas cretácicas es poco significativo, con un valor medio de 1,85% (respecto al volumen total de muestra), y desviación estándar de 4,17% en el conjunto de datos. La naturaleza mineralógica de la matriz, a partir de observaciones microscópicas, es principalmente arcillosa, presumiblemente formada por caolinita, aunque la determinación no es definitiva. El origen más probable de estos filosilicatos, también a partir de observaciones microscópicas, es la alteración de feldespato potásico y/o moscovita.

Por su parte, las areniscas rojizas triásicas cuentan también con un porcentaje de matriz reducido, si bien superior al citado anteriormente para la unidad cretácica (valor promedio de 6,45%, también respecto al volumen total de muestra, y una desviación estándar de 6,80%) Su naturaleza mineralógica, al igual que en el caso anterior, es arcillosa, con un origen post-diagenético ligado a la alteración de los fragmentos de roca, en su mayor parte originalmente metamórficos.

CementoTOP

También existen en ambas unidades precipitados químicos a modo de fase de unión, y aunque en proporciones modestas si se consideran los valores medios, también los niveles triásicos cuentan con proporciones algo superiores en este componente (5,30% en las areniscas rojas frente a 2,50% en las arenas cretácicas). El tipo de cemento que presentan las muestras con facies Utrillas es un precipitado químico ferruginoso, que puede llegar a valores máximos del 20%, mientras que en el caso de las areniscas rojizas triásicas coexisten fases oxidadas de Fe con cemento carbonatado. Se debe tener en cuenta que estas consideraciones se basan en las descripciones de las muestras tomadas durante la elaboración de determinadas hojas del mapa geológico nacional (señaladas con anterioridad) y que no se corresponden con los cementos predominantes en estas mismas unidades en el borde sur de la cuenca del Duero no siendo por lo tanto este aspecto extrapolable a nivel de cuenca.

En las Figura 8 y Figura 9 se presentan, a modo de ejemplo, dos microfotografías de sendas muestras de cada una de las unidades litoestratigráficas que han sido objeto de estudio. En las figuras 8A y 8B se puede observar la textura representativa de los niveles arenosos cretácicos. La presencia de abundante cemento carbonatado, como se aprecia en las imágenes inferiores, no es muy común en esta roca en el sector norte de la cuenca, pero precisamente son las muestras con una mayor proporción de cemento las únicas sobre las que es posible elaborar láminas delgadas.

Por su parte, en la Figura 9 se puede observar en detalle la composición de una muestra de las areniscas rojas triásicas.

TexturaTOP

Sobre la textura (entendida como distribución de tamaños de grano, ver figura 10) de las muestras de las dos unidades consideradas en el presente trabajo, se observa que esta propiedad resulta ventajosa, en cuanto a la configuración de un buen almacén, en las arenas cretácicas, que cuentan con mayores proporciones de las fracciones de mayor tamaño. Así, el conjunto de las fracciones grava y arena es proporcionalmente superior en las facies Utrillas que en las facies Buntsandstein. Considerando dicho conjunto (es decir, la granulometría superior a 63 μm), la unidad Utrillas presenta un porcentaje del 92,53% de los componentes granulares en este intervalo de tamaños, con lo que el conjunto limo y arcilla (la granulometría inferior a 63 μm, de la que una parte sería fase de unión en forma de matriz), en la segunda de las unidades consideradas (facies Buntsandstein) es superior.

Analizando el conjunto de los resultados de los epígrafes anteriores, se puede comprobar que los niveles en facies Utrillas presentan una mayor madurez mineralógica, al presentar un menor contenido medio de matriz (fracción menor de 30 μm, ver Figura 10), así como una mejor (más elevada) relación cuarzo/feldespato potásico en la fracción granular (Figura 7).

PorosidadTOP

Sobre una muestra representativa de cada una de las rocas objeto de estudio se ha realizado un ensayo de porosimetría por inyección de Hg en los laboratorios de los Servicios Científico-Técnicos de la Universidad de Oviedo por medio de un porosímetro AutpoPore IV, y siguiendo la norma ISO 15901-1. Se ha elegido esta técnica instrumental ya que permite analizar todo el rango de macroporos (más de 50 nm), y la práctica totalidad de mesoporos (entre 50 y 2 nm), siguiendo la clasificación de la IUPAC. Los resultados numéricos absolutos se muestran en la Tabla 2.

En las Figuras 11 y 12 se muestran los volúmenes de Hg intruidos en los ensayos, en función del diámetro del espectro de poros de la muestra. Como se puede apreciar, el sistema poroso de las arenas en facies Utrillas cuenta con una mayor proporción de porosidad primaria (intergranular), que es la que se puede asemejar a tamaños de poros superiores a 1 μm (en diámetro). Por su parte, la mesoporosidad (cuya interpretación se asociaría a las irregularidades superficiales de los granos minerales) es más importante en el sistema de espacios vacíos de las areniscas triásicas, pero, en cualquier caso, poco importante cuantitativamente.

ConclusionesTOP

El trabajo llevado a cabo ha contribuido a la justificación de la etapa de estudio de afloramientos en el almacenamiento geológico de CO₂, aportando información sustancial para la toma de decisiones sobre la idoneidad de una unidad geológica como potencial almacén de CO₂. En este caso, el trabajo se ha centrado en discutir y presentar determinados resultados de índole petrográfica y petrofísica (composición mineral, fases de unión, textura y porosidad) en dos unidades litoestratigráficas potencialmente interesantes. Sin embargo, la caracterización de afloramientos – como etapa de exploración – conlleva el estudio de otros parámetros, tal y como se describe en la Figura 2.

Especial relevancia tendrá esta etapa, para el estudio de Acuíferos Salinos Profundos (ASP), ya que el conocimiento de este tipo de estructuras y unidades geológicas es escaso, dificultando por tanto la toma de decisiones y evaluación de la idoneidad de dichas estructuras. Si bien esta etapa no evitará las posteriores inversiones en la exploración de dichas estructuras mediante costosas técnicas de exploración (geofísica y sondeos), la etapa de caracterización y estudio de afloramientos podrá aportar información valiosa y facilitar la toma de decisiones sobre las diferentes alternativas en evaluación, bien dentro de una misma secuencia estratigráfica o cuenca sedimentaria.

En particular, en este trabajo se aplica la metodología de estudio de afloramientos propuesta en algunos sectores de la cuenca del Duero. La información previa disponible, a partir de los muestreos llevado a cabo por el Instituto Geológico y Minero de España, enriquece esta etapa de exploración, al aprovechar los datos de muestras tomadas a lo largo de la cuenca y compararlos con los datos obtenidos por los autores de dos de las principales facies detríticas consideradas como potencial almacén de CO₂: Buntsandstein y Utrillas.

Tras la evaluación de los resultados petrofísicos se puede considerar como más favorable la facies Utrillas por presentar mejores valores de porosidad y permeabilidad (al Hg) y una composición mineralógica más estable y madura, siempre en comparación con las areniscas y arcosas rojas del Buntsandstein. Sin embargo, la presencia de mayor proporción de feldespato potásico en la fracción granular de esta última unidad, podría favorecer el atrapamiento mineral e iónico, pero esta consideración se basa en datos cualitativos, que deberán ser contrastados en posteriores trabajos, evaluando también la pérdida de porosidad y permeabilidad, parámetros que se consideran igualmente relevantes en el cálculo del ratio de inyección.

El estudio aquí presentado, deberá ser completado con una nueva campaña de muestreo y análisis, con el fin de completar el estudio de las propiedades susceptibles de analizar (ver Figura 2: petrografía, mineralogía y geomecánica) y la interacción con el CO₂, fluido-dinámica en condiciones de almacenamiento (inyección de CO₂ en estado súper-crítico) y otras propiedades que podrán evaluarse de forma no muy costosa y con gran rendimiento técnico. Dicha campaña se llevará a cabo a través del proyecto de investigación MIDE CO2 (SV-PA-13-ECOEMP-54).

La herramienta SIG desarrollada en el proyecto (Proyecto AVANZA-CO2) permite identificar de forma sencilla los principales afloramientos, con el fin de garantizar la representatividad de las muestras que puedan ser tomadas en posteriores campañas.

AGRADECIMIENTOSTOP

El presente trabajo se ha realizado en el marco del proyecto AVANZA-CO2, en la que participan las empresas Sacyr y Gessal, y que es financiado a través de la convocatoria AVANZA 2, 2011 del Ministerio de Industria Turismo y Comercio.

Igualmente, se ha contado con la financiación, en la parte analítica del Principado de Asturias a través del proyecto MIDE-CO2 (SV-PA-13-ECOEMP-54).

ReferenciasTOP