RESUMEN. Debido a la intensiva extracción de minerales y/o hidrocarburos, en muchas localidades de México, se ha ocasionado un impacto ambiental el cual no siempre se evalúa y se controla. En este estudio se plantea la metodología para determinar dicho impacto asociado a la extracción de minerales no metálicos, aplicando técnicas geológicas, hidrogeológicas y geofísicas. En la región de estudio aflora una secuencia sedimentaria evaporítica, seguida de una secuencia calcárea; sobreyaciendo a las unidades anteriores, se tiene una secuencia siliciclástica. Esta secuencia esta afectada por un sistema de pliegues dómicos, con ejes longitudinales orientados al NE, En los domos salinos se formaron durante el movimiento de la sal un sistema de fracturas y fallas de tipo normal en las formaciones de cubierta. En la zona en estudio el nivel hidrológico más bajo es el río Coatzacoalcos, el agua subterránea por lo tanto fluye hacia dicho río, con excepción de la zonas de en donde se encuentran áreas de alta densidad de pozos de extracción de agua subterránea en donde se ha generado un cono de abatimiento piezométrico. El método magnetométrico de exploración geofísica resultó ser una excelente herramienta para la detección superficial de pozos de explotación de minerales no-metálicos INTRODUCCIÓN En áreas donde se han explotado minerales y/o hidrocarburos, en ocasiones se produce un impacto ambiental el cual no siempre se evalúa y se controla. Durante la explotación se generan residuos que causan la afectación de suelos y cuerpos de agua, y los pozos abandonados en muchos casos no se observan a simple vista y pueden contener fluidos peligrosos. En este estudio se plantea una metodología para determinar dicho impacto ambiental. Los objetivos de este estudio son:

• Caracterizar litoestratigráficamente las

rocas y suelos que afloran en el área estudiada, así como sus relaciones estructurales.

• Determinar el funcionamiento hidrodinámico del sistema de aguas subterráneas en la cuenca en cuestión

• Determinar la geometría de la contaminación de los minerales e hidrocarburos

• Detectar pozos ademados enterrados • Plantear el sistema de remediación de las

zonas contaminadas Para lograr los objetivos anteriores se realizaron las actividades siguientes: Estudio geológico e hidrogeológico. Para entender como se mueven los fluidos en el subsuelo es necesario conocer la litología, el estudio hidrogeológico permitió determinar la dirección de flujo del agua subterránea, así como las áreas de carga y descarga. Estudio geofísico. Se aplicó el método magnetométrico para la detección superficial de pozos ademados, y se realizaron sondeos eléctricos verticales para determinar zonas de saturación de agua subterránea y presencia de hidrocarburos en el subsuelo. Carac terización de la fuente. Se caracterizaron y muestrearon los suelos y aguas de norias y pozos de extracción de agua. Caracterización de la geometría de contaminación. Por medio de la instalación de pozos de bioventeo, resistividades e interpretación geológico-hidrogeológica se determinó la zona contaminada

Modelación de flujo y transporte de la zona de estudio mediante un simulador comercial de aguas subterráneas

ESTUDIO DE IMPACTO AL SUBSUELO Y PLANTEAMIENTO DE LA SOLUCIÓN DE LAS FUENTES DE CONTAMINACIÓN,

AL SE DE VERACRUZ

Aguilar, P.L.A., Arias, P.A., Arellano, G.J. y Angeles, C.E. Facultad de Ingeniería, Universidad Nacional Autónoma de México

Copyright 2005, CIPM. Este artículo fue preparado para su presentación en el cuarto E-Exitep 2005, del 20 al 23 de febrero de 2005 en Veracruz, Ver., México. El material presentado no refleja necesariamente la opinión del CIPM, su mesa directiva o sus colegiados. El artículo fue seleccionado por un comité técnico con base en un resumen. El contenido total no ha sido revisado por el comité editorial del CIPM.

Medidas correctivas y estrategias de restauración del sitio afectado. Se diseñó el sistema de taponamiento de pozos y el sistema de remediación del suelo con pH ácidos MATERIALES Y MÉTODOS Estudio Geológico e Hidrogeológico Cartografía geológica Se realizó una Cartografía Geológica a lo largo de la cuenca del río en estudio. En esta estudio se llevaron a cabo las siguientes actividades:

Compilación de material bibliográfico, fotográfico y digital

Primero se consultaron los bancos de información en diferentes bibliotecas y mapotecas, como tesis, artículos, publicaciones, reportes, mapas, y secciones. Después se adquirieron las fotografías aéreas, la carta digital a escala 1:50,000 de INEGI y una imagen de satélite temático con una resolución mínima de 25 metros. Fotointerpretación De la imagen de satélite y de las fotografías aéreas, se identificaron las unidades fotogeológicas con base en sus características morfológicas y estructurales, marcando su distribución geográfica. En esta actividad se elaboró el mapa fotogeológico y la columna estratigráfica preliminar.

Elaboración del Mapa Geológico preliminar

Con la información de las dos actividades anteriores se elaboró el mapa geológico preliminar, así como las secciones geológicas preliminares.

Levantamiento geológico

En esta actividad se realizaron visitas a la región de estudio, colectando la información geológica necesaria para culminar el mapa geológico. Se llevó a cabo el levantamiento de las secciones geológicas en superficie y toma de muestras de las unidades geológicas.

Actividades de laboratorio De las unidades identificadas y muestreadas se elaboró el análisis petrográfico, y con base en éste y la información generada, se elaboró el modelo sedimentológico del área. Estudio Hidrogeológico El estudio hidrogeológico cubrió la cuenca del río en estudio, se recopiló información de CEAS, CNA, CRM, INEGI y de PEMEX, que incluyó:

• Localización de pozos profundos • Censo de captaciones agua, agrícolas e

Industriales • Cortes litológicos de pozos • Información geofísica • Nivelación topográfica de brocales • Configuración de niveles piezométricos de

diversos años • Aforos de pozos • Hidrometría subterránea y tiempos de

operación Censo de captaciones y cuerpos de agua Se realizó el censo de captaciones de 65 obras incluyendo pozos y norias posicionados mediante GPS, y se les asignó un número consecutivo, se midió el pH, CE, temperatura y se fotografiaron, y se obtuvo el diseño de pozo. Piezometría Se midieron los niveles piezométricos de todos los pozos censados, y se seleccionaron cinco para realizar pruebas de bombeo. Con la información disponible se elaboró la red de flujo, en la que se determinaron las zonas de recarga y descarga de agua subterránea. Hidrometría subterránea En los pozos donde fue necesario se midieron los caudales a descarga libre o con medidor. En los

cuerpos de agua más importantes se cubicó su volumen

Estudio Geofísico Detección superficial de pozos ademados Se aplicó el método magnetométrico con la finalidad de detectar en superficie pozos enterrados con ademe metálico. Este método consiste en la medición del campo magnético total sobre la superficie, a fin de generar perfiles de variación del campo magnético que permiten la selección de zonas anómalas que se asocian con la estructura de interés. Para calcular el efecto magnético de un pozo de longitud muy grande sepultado por un metro de material paramagnético se generó el modelo matemático que se muestra en la Figura 1. Los parámetros del modelo son: magnetización por inducción; el campo magnético con un ángulo de inclinación de 45 grados; declinación de cero grados y una intensidad de 1000 nT. Los datos que se obtuvieron se interpolaron con Krigging (Cressie, 1991), y fueron graficados para su representación en escala de colores. Estudios indirectos para determinar la geometría de la contaminación Para determinar en forma indirecta las zonas impactadas en el subsuelo por aguas contaminadas se aplicó el método de los Sondeos Eléctricos Verticales (SEV’s), interpretando los valores obtenidos en campo, considerando las propiedades eléctricas de los materiales que constituyen el subsuelo del sitio. Este método consiste en inyectar corriente al terreno mediante dos electrodos; el campo eléctrico así generado se monitorea a través de mediciones de diferencias de potencial ? V. El cociente de la corriente inyectada I entre la diferencia de potencial ? V multiplicado por la constante geométrica del arreglo empleado, determina el valor de la resistividad aparente, la cual físicamente representa

la dificultad que encuentra la corriente eléctrica para fluir a través de un material. La interpretación de la resistividad puede cambiar radicalmente si no se tiene bien establecido el marco geológico de referencia. Caracterización de la Fuente Para determinar la fuente de contaminación se realizó el muestreo de suelos y de aguas en los pozos de explotación de minerales no-metálicos y la caracterización físico-química de aguas en norias y pozos de extracción de agua potable. Se midió el potencial hidrógeno de los suelos impactados y no-impactados por las actividades de explotación del mineral en cuestión. Las caracterízación química del agua subterránea permitió definir la calidad del agua subterránea y determinar el origen de las diferentes familias de agua subterránea. Las especificaciones para el muestreo de aguas subterráneas se describen a continuación:

• Se utilizaron achicadores desechables • Para descontaminar la sonda y el equipo

para medir pH, temperatura y conductividad se utilizó agua destilada y jabón biodegradable

• Se purgaron los pozos y norias extrayendo tres volúmenes de pozo, antes de muestrear se midieron el pH, conductividad eléctrica, y temperatura del agua subterránea. Una vez purgado los pozos/norias se tomaron las muestras.

• Se realizó una descripción visual de olores, colores, cantidad de sólidos suspendidos, turbiedad, etc. Una vez tomada la muestra se le agregaron los preservadores pertinentes en función del tipo de análisis a realizar. Las muestras selladas fueron colocadas en una hielera a 4 oC para su transporte al laboratorio

Los cationes y aniones que se determinaron son los siguientes: Ca, Mg, Na, K, HCO3, Cl, SO4. Los métodos que se aplicaron fueron los recomendados por la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos de América (USEPA por sus siglas en inglés). Adicionalmente en los pozos/norias con presencia u olor a hidrocarburos se determinaron: HTP´s por el método US-EPA 8015, VOC’s por el método US-EPA 8260 y PAH´s por el método US-EPA 8270. Caracterización de la Geometría de Contaminación Perforación de pozos de bioventeo La metodología para perforar fue la siguiente: El método de perforación no alteró las condiciones químicas del suelo/roca y del agua subterránea, el método de perforación que se empezó a utilizar fue con barrenas helicoidales huecas, sin embargo, cuando se encontraron condiciones explosivas se utilizó la barrena tricónica, con agua para evitar la generación de chispas. No se empleó bentonita durante la perforación y se perforó con agua potable, cuando fue necesario se utilizó espumante biodegradable, no tóxico y químicamente neutro. El diámetro de los barrenos fue de 8", se ademaron con tubería de PVC cédula 40 de 4" de diámetro, la apertura de las ranuras fue de 0.010". El espacio anular se rellenó con arena sílica por debajo del sello de bentonita y por encima del sello se rellenó con una mezcla de cemento y bentonita. Modelación de Flujo y Transporte Primero se compiló la información disponible de la zona de estudio y se generó un modelo conceptual, identificando los mecanismos que controlan el flujo de agua subterránea. Posteriormente se tradujo a un modelo matemático, utilizando la ecuación de flujo y se seleccionaron las condiciones de frontera, identificadas durante el desarrollo del modelo conceptual. Posteriormente se definió el dominio

del problema y se asignaron los parámetros hidráulicos del modelo, tales como conductividad hidráulica, coeficiente de almacenamiento, etc.

Una vez generados los archivos requeridos por el código numérico, se calibró el modelo al reproducir la configuración piezométrica medida, variando los parámetros hidráulicos dentro de un rango. Posteriormente se realizó un análisis de sensibilidad, para determinar el grado de confiabilidad de cada uno de los parámetros utilizados en el modelo. Esta parte sirvió para identificar los parámetros que requieren de mayor análisis. Con la información de las condiciones geológicas en la zona de estudio y con los datos recopilados del censo de norias, pozos y manantiales se determinó la variación de la dirección de flujo del agua subterránea en el área bajo estudio. Medidas Correctivas y Estrategias De Restauración Del Sitio Afectado El sistema de taponamiento de los pozos abandonados consideró los siguientes aspectos:

• Características físicas y químicas de las aguas y fluidos contenidos en los pozos

• Características del ademe • Presiones de los fluidos en los pozos • Características geológicas del sitio • Factores como: diferentes profundidades

de solidificación en los pozos; probables colapsos de ademe; caídos en tuberías de introducción del aire; taponamiento del espacio anular de la tubería; carbonatos precipitados en los pozos, cementaciones parciales, etc.

• Normatividad aplicable RESULTADOS ESTUDIO GEOLÓGICO En la región aflora una secuencia sedimentaria (Figura 2) que comprende desde la Formación

Salina (pre-Kimeridgiano), seguida por una secuencia calcárea constituida por la Caliza Chinameca y la Caliza Sierra Madre, que se extienden en el tiempo desde el Kimeridgiano-Barremiano la primera, hasta Albiano-Cenomaniano la segunda. Descansando sobre las unidades anteriores se tiene una secuencia siliciclástica que abarca desde el Mioceno hasta el Reciente: Formaciones Depósito, Encanto, Concepción Inferior, Concepción Superior, Filisola y Depósitos sin consolidar del Plio-cuaternario, como se muestra en la columna geológica de la Figura 3. La secuencia de más de 4.5 km de espesor, se caracteriza por unidades estratigráficas de diferentes ambientes sedimentarios que varían desde plataforma clástica abierta, cercana a la playa, hasta fluviales. Desde el punto de vista estructural, el desarrollo de la región se ha caracterizó en el Oligoceno por el ascenso de los materiales evaporíticos jurásicos, en la Región Salina del Istmo, dio lugar a un sistema de pliegues dómicos, con sus ejes longitudinales orientados al NE. Los pliegues corresponden de oeste a este con los domos de Sayula, Jaltipan y Chinameca, y ligeramente al sur de éste último el de Cosoleacaque. El origen de los pliegues está relacionado con el empuje vertical de la sal sobre la cubierta sedimentaria. Así el desarrollo de anticlinales está directamente relacionado con las cimas de los cuerpos de sal, mientras que los sinclinales corresponden con los límites de los domos. El modelo propuesto para la formación de estas estructuras es el siguiente: la sal se depositó originalmente en estratos horizontales a finales del Calloviano e inicios del Oxfordiano en un ambiente de tipo sabka y en grandes llanuras de inundación. Duante la transgresión asociada a la apertura del Glfo de México, estos depósitos alcanzaron espesores superiores a 1500 metros. En esta etapa, se formaron pequeñas elevaciones que fueron el punto de partida para el desarrollo de los domos; posteriormente, la cuenca salina cambió a una fase de subsidencia relativamente rápida, por lo que la sal dejó de acumularse y se depositaron

otras secuencias sedimentarias marinas de mayor densidad. Los sedimentos terrígenos fueron aumentando su espesor y en consecuencia la carga litostática sobre el domo y sus alrededores. La alimentación del domo pudo haber terminado cuando el espesor de la sal se aproximó a cero en sus flancos, o cuando se alcanzó el equilibrio isostático entre la columna de sal y los terrígenos de la cubierta, o bien, cuando terminó el hundimiento de la cuenca. Se considera que la fuerza principal que construyó el domo salino se deriva de la diferencia de densidades entre las evaporitas y los sedimentos de la cubierta. La intrusión no debió ser rápida, sino progresiva durante el Oligoceno y Mioceno. Las características estructurales finales de estos domos se muestran en las secciones geologícas transversales de la Figura 4 En los domos salinos de Jaltipan y Coachapa, se formaron durante el movimiento de la sal un sistema de fracturas y fallas en las formaciones de cubierta y en la secuencia intrusionada, esto se debió principalmente a las siguientes causas: a) Porque hubo disminución del volumen de sal al disolverse parte del domo y concentrarse los residuos insolubles. Este fenómeno produjo colapsos locales en la cubierta sedimentaria del domo, originando de forma local fracturamiento y fallamiento de tipo normal; b) Por el diapirismo de la sal, que aunque aprovecha zonas de debilidad de las secuencias suprayacentes, no deja de actuar como intrusivo, produciendo esfuerzos compresivos, que a su vez generan gran tensión en la secuencia superior, originando fracturamiento y fallamiento normal. c) Otro sistema de fallas mas reciente, corresponde con las fallas de desplazamiento lateral que afectan a toda la Cuenca Salina. ESTUDIO HIDROGEOLÓGICO El nivel más bajo hidrológico e hidrogeológico en toda la zona es el río Coatzacoalcos y el flujo semiregional del agua subterránea se dirije de

norponiente a suroriente en la margen izquierda del río, por el contrario en la margen derecha del río el flujo del agua subterránea se dirije de suroriente a norponiente. En la parte occidental de la zona de estudio el flujo local tiene una dirección de poniente a oriente con gradientes hidráulicos de 0.01 (Figura 5). En la zona centro el gradiente hidráulico ha sido invertido y se presenta un abatimiento del nivel freático debido a la presencia de aproximadamente 22 pozos de extracción de aguas subterráneas. Los caudales de extracción de estos pozos varían de 1 L/s hasta 40 L/s. En la zona de Cosolecaque existen gran cantidad de norias y el gradiente hidráulico es de poniente a oriente con un valor de 0.0036, en esta zona se encuentran alrededor de 30 pozos de extracción de agua subterránea con caudales de extracción de 1 a 40 L/s, esto ha causado que el gradiente hidráulico que originalmente tenía dirección hacia el río Coatzacoalcos, se invirtiera y en la actualidad tenga dirección hacia el norte y norponiente. DETERMINACIÓN DE POZOS ABANDONADOS Las anomalías de gradiente magnético medidas en las zonas contaminadas por azufre e hidrocarburos (figura 6), indican la dispersión de óxidos alrededor de un pozo, para lo cual se utilizó el método de Hood (1965) y configurar el mapa de anomalía de gradiente magnético vertical (figura 7). El procedimiento genérico para tapar los pozos en donde los fluidos no salen a la superficie:

• Para determinar las características del

ademe (NOM-004-CNA-1996) cuando no se tiene información del diseño del pozo sujeto a clausura, se debe de llevar a cabo un registro de videograbación o correr registros geofísicos,. Se recomiendó aplicar este método sobre todo en los pozos con pH menores de 7

• Si el pozo en cuestión tiene agua de mina, se recomienda vaciar arena y grava fina para reducir el posible efecto de asentamientos de sustancias en suspensión y para nivelar las irregularidades que pueden presentarse en el fondo del pozo, la colocación de estos materiales debe de ser del fondo del pozo hacia arriba. El espesor de esta capa de arena es de 10 m por lo menos.

• Si es posible se recomienda sacar el agua por medio de un bomba a fin de eliminar el riesgo de puenteo cuando se coloque el sello de bentonita y cemento

• Una vez colocada la capa de arena se coloca un sello de bentonita en pellets con un espesor mínimo de 15 m

• Por encima del sello de bentonita se coloca una capa de cemento con un espesor de 2 m con acelerante de fraguado, una vez que fragüe esta capa se colocará otra capa de concreto con espesor mínimo de 15 m sin acelerante. Una vez fraguada esta capa se colocará otra capa de concreto con espesor de 15 m hasta que fragüe y así sucesivamente hasta llegar a la superficie. Para los pozos con aguas con pH menores de 7, se recomienda utilizar cemento con alta resistencia a la acidez y sulfatos, como puede ser cemento de tipo G o H.

• Concluidos los trabajos de relleno de acuerdo a la NOM-004-CNA-1996 se debe de colocar en la superficie una plantilla de concreto de 1 x 1 m y de 0.1 m de espesor.

• Como requisito para cerrar los pozos se debe de entregar a la CNA un informe que contenga: localización del pozo; profundidad, diámetro; litología, causas que motivan la clausura y diseño del cierre de pozo.

Para los pozos en donde se tiene presencia de fluidos que brotan en la superficie es conveniente instrumentarlos para medición de presiones y en su

caso habilitarlos como pozos de alivio y de monitoreo, a fin de evitar que dichos fluidos puedan migrar hacia zonas ambientalmente sensibles. Se consultaron también las siguientes normas: (Normas NAC 534.4371 y NAC 534.420), información de la USEPA (Well Plugging Procedures, 2002), norma del Estado de Michigan (Well Plugging Rules, Part 127, Act 368 PA 1978) CONCLUSIONES En el sureste de México se desarrolló durante el Jurásico medio una extensa cuenca de depósito de evaporitas, producto de una transgresión generalizada. Al acelerarse el hundimiento del fondo marino cambiaron las condiciones ambientales, por lo que sobre las evaporitas se acumuló una gruesa secuencia sedimentaria de mayor densidad, que posteriormente en el Oligoceno Tardío-Mioceno Temprano fue afectada por la tectónica salina por lo que se formaron importantes domos, diapiros y fallas que forman estructuras de gran interés económico petrolero, minero y geohidrológico. En la zona en estudio el nivel hidrológico más bajo lo constituye el río Coatzacoalcos, el agua subterránea por lo tanto fluye hacia dicho río, con excepción de la zonas de la ciudad de Jáltipan y de Minatitlán en donde se ha generado un cono de abatimiento piezométrico debido a la explotación de agua subterránea El método magnetométrico de exploración geofísica resultó ser una excelente herramienta para la localización superficial de pozos de ademe metálico, así como para el mapeo aproximado de los óxidos presentes en las sustancias contaminantes liberadas por estos mismos. REFERENCIAS

Ángeles Cordero Edgar 2001, Tesis Licenciatura., La Transformación de Euler en la Interpretación de Datos Magnéticos . Facultad de Ingeniería UNAM

CEAS Información sobre piezometría y localización de pozos sin título formal proporcionada en los municipios de Minatitlán, Jáltipan y Acayucan, Veracruz. CNA Información sobre piezometría y localización de pozos de extracción proporcionada por la CNA sin título formal. Gerencia regional de Jalapa, Veracruz. Cressie, N. A. C. (1991), Statistics for Spatial Data, John Wiley and Sons, Inc., New York, 900 pp. Estado de Michigan. (1978). Well Plugging Rules , part 127, Act 368 PA, EUA. Hood P. 196 5, Gradient Measurements in Aereomagnetic Surveying, Geophysics, Vol. 30, No. 5 pp. 891-902. NAC 534.4371 y NAC 534.420. Estado de Nevada, EUA. Regulations on well plugging procedures. EUA NOM-004-CNA-1996. Requisitos para la protección de acuíferos durante el mantenimiento y rehabilitación de pozos de extracción de agua y para el cierre de pozos en general. Publicada el 9 de octubre de 1996 en el Diario Oficial de la Federación. México.

a.

b.

c. Figura 4. Secciones geológicas representativas de los domos de Jaltipan (a y b) y Coachapa (c).

Figura 6 Mapa Localización del predio. La presencia de seis pozos, donde dos de ellos arrojan una mezcla de hidrocarburos y agua con azufre.

Figura 7 Mapa de anomalía producida por pozos con ademe metálico que presentan restos de contaminación por azufre e hidrocarburos. En esta figura se puede diferenciar claramente la presencia de pozos sin presencia de contaminantes, los de la parte superior izquierda, y los pozos que están liberando contaminantes.

VIAS DEL TREN

ESCALA 1:5 ACOT: EN METROS OPERADOR: ING EDGAR ANGELES CORDEROANALISTA: ING.EDGAR ANGELES CORDEROCROQUIS DE LOCALIZACIONVeracruz, México

NCroquis del

área

PANTANO CON SULFUROSE HIDROCARBUROS

LAGUNA DE HIDROCARBUROS

POZOS

SIMBOLOGIA

FACULTAD DE INGENIERIA

UNAM

RESTOS DE TUBERIASDE POZOS

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240metros

0

20

40

met

ros

0

20

40

316 1xx E1987 9xx N

Figura 2. Mapa Geológico de la Cuenca Salina del Istmo

Figura 3. Columna geológica de la Cuenca Salina del Istmo 50 m acotaciones en metros 0 50 m Figura 1. Modelo calculado con Bhattacharya (1964), Prisma cuadrado de lados unitarios y una profundidad de 5 m, a partir del plano de observación. A la izquierda una vista esquemática en planta, a la derecha un esquema a profundidad .

1