Análisis de la estratigrafía y las características hidrogeológicas de los estratos profundos que conforman el subsuelo de la Cuenca de México a partir de la perforación a 2000 m del pozo profundo denominado "Santa Catarina 3a"

Abstract

El pozo Santa Catarina 3a es el cuarto pozo del programa de exploración hidrogeológica profunda en la Ciudad de México realizado por el Sistema de Aguas de la Ciudad de México. El pozo se localiza en el sur de la Ciudad de México (UTM 14Q 491372.62 E, 2133589.67 N), en la alcaldía Xochimilco. Se perforó de diciembre de 2016 a julio de 2017, de manera direccional tipo “J”, con un azimut aproximado de 270°. El Desplazamiento horizontal fue de 520 m y alcanzó los 2026 m desarrollados (md), equivalentes a una profundidad vertical verdadera de 1912 m respecto al nivel del terreno. El inicio de la desviación se situó a los 567 md y alcanzó una inclinación de 26.9°. 

Los resultados de los estudios realizados durante la perforación del pozo Santa Catrina 3A fueron reportados en un informe técnico al SACMEX (Morales Casique et al., 2017). Debido al valor de la información contenida en ese informe, el SACMEX autorizó al Instituto de Geología la publicación de ese informe, lo cual es concretado en este número del Boletín del Instituto de Geología de la UNAM (Morales Casique et al., 2018). Esta es la segunda publicación que proporciona acceso amplio a la información técnica generada durante la perforación de pozos muy profundos. La primera fue el Boletín del Instituto de Geología número 121 (Morales Casique et al., 2018), que está basado en el informe técnico de los pozos Agrícola Oriental 2B y 2C (Morales Casique et al., 2016). 

La información que se analizó e interpretó en este estudio consistió de lo siguiente. Petróleos Mexicanos realizó tres ensayos de adquisición de registros geofísicos de pozo. Se obtuvieron dos registros completos: R2-SC3 de 510.84 a 1009.49 m y R3-SC3 de 1060.09 a 1773.47 m. Estos dos registros incluyeron: Registro Inductivo, Geometría del pozo y Espectroscopia de Rayos Gama con Potencial Espontáneo. El registro incompleto (R1-SC3) sólo incluyó la Geometría del pozo y Rayos Gama. 

Se obtuvieron tres núcleos: Núcleo 1 (N1-SCT3a), entre 966 y 969 md; Núcleo 2 (N2-SCT3a), entre 1550 y 1559 md y el Núcleo 3 (N3-SCT3a), entre 1900 y 1909 md. Adicionalmente se nos proporcionaron muestras de canal en intervalos de 20 md desde los 547 hasta los 1008 md, donde no fue posible continuar con el muestreo debido a pérdida total de circulación. 

El estudio incluyó la descripción macroscópica de muestras y la descripción petrográfica mediante 3 láminas delgadas de muestras de canal de las profundidades 640, 700 y 760 m. No se consideraron más muestras debido al grado de alteración que la mayoría de ellas presentaba.

Adicionalmente se realizaron 6 análisis químicos de roca total de muestras de canal mediante el método de Fluorescencia de Rayos X, en el Laboratorio Nacional de Geoquímica y Mineralogía, Instituto de Geología, de la Universidad Nacional Autónoma de México. De las 6 muestras, 4 corresponden a lavas entre 547 a 760 md y las 2 restantes a arcilla gris (960 m) y roja (1000 m). Químicamente las muestras de lava se clasifican como andesitas, con muy poca variación en sílice (60 - 61 % en peso). 

Cuatro muestras, dos de la ceniza alterada a arcilla (núcleo N1-SCT3a, 966 - 967 m) y dos de la arcilla roja (testigo recuperado entre 980 a 1080 m), fueron analizadas para química de roca total y tipo de arcilla por Difracción de Rayos X. Al Instituto Nacional de Electricidad y Energías Limpias se enviaron 3 segmentos de cada núcleo recuperado para pruebas petrofísicas y termofísicas. La muestra del núcleo N1-SCT3a (correspondiente a la ceniza arcillosa) no pudo ser analizada porque al secarse se vuelve deleznable. Las muestras correspondientes a los núcleos N2-SCT3a y N3-SCT3a pudieron ser analizadas y se obtuvieron valores de permeabilidad, porosidad, densidad, conductividad térmica y capacidad calorífica. 

A partir del análisis e integración de la información y datos colectados durante la perforación, la interpretación estratigráfica del pozo Santa Catarina 3a es la siguiente: 

• 510 a 789 md. Andesitas, probablemente fracturadas, alteradas en la cima y más competentes; menos alteradas hacia la base. No hubo pérdidas de circulación considerables en este intervalo.
• 789 a 887 md. Ignimbrita de color rosado. El registro geofísico sugiere que en esta zona existe menor enjarre y probablemente menor permeabilidad en la formación.
• 887 a 919 md. Flujo tipo lahar, principalmente cenizas. Esta clasificación se apoya en el primer núcleo (N1-SCT3a, 966 - 969 m) donde la ceniza se encuentra muy alterada hacia arcilla. Los valores de resistividad disminuyen hasta 1 a 3 Ohm-m, los valores API del registro de rayos gama aumentan y se observa una menor concentración de los elementos del registro de espectroscopia.
• 919 a 1141 md. Lahar color rojizo, alterado con matriz arcillosa y fragmentos de roca redondeados de tamaño entre 2 y 35 mm. Este intervalo pudo clasificarse gracias a las muestras de canal y a muestras obtenidas in situ, junto con los análisis de Difracción de Rayos X. Elevada socavación en el agujero y pérdida total de circulación observada durante la perforación. Debido a la pérdida total de circulación, a partir de los 1008 md fue imposible colectar muestras de canal. Adicionalmente, el registro geofísico solo llegó hasta los 1700 md. De 1700 a 2026 md solo se contó con la bitácora de perforación y el núcleo N3-SCT3a alteración. Por lo tanto, las secciones siguientes fueron interpretadas a partir de los registros geofísicos de pozo, dos núcleos y la correlación con el pozo Tulyehualco-1.
• 1141 a 1347 md. Flujo piroclástico poco alterado y permeable, con base en el registro geofísico y en lo observado en el pozo Tulyehualco a esta profundidad. En el registro se observa una secuencia relativamente homogénea, más competente (por la poca socavación del agujero) y donde los valores de resistividad para la curva de mayor profundidad de investigación (AT90) son relativamente constantes, entre los 10 y 50 Ohm-m.
• 1347 a 1647 md. Depósitos de lahar heterogéneos, con diferentes condiciones de depósito o diferentes fuentes. En las zonas de contacto entre eventos se observa alteración, lo que genera un contacto gradual y perturbado producto de la interacción mineralógica entre ambos depósitos (puede apreciarse en la profundidad 1554 md del N3-SCT3a), probablemente por flujo de agua. La parte más competente y más resistiva concuerda con un depósito de lahar de color rojizo, endurecido, mientras que los intervalos donde se observa mayor socavación, menor resistividad y formación de enjarre corresponde a las secuencias más alteradas y posiblemente arcillosas. En este segmento se observan intervalos cortos con rasgos similares a la facie permeable superior, por lo que no se descarta que estos intervalos cortos también aporten a la producción del pozo.
• 1647 a 2026 md. Depósitos de lahar. La formación es competente y con características similares a lo visto en el núcleo N3-SCT3a. 

La interpretación hidrogeológica de esta columna estratigráfica es la siguiente. El acuífero superior, actualmente en explotación, probablemente se extienda hasta los 780 md. La base de este acuífero podría extenderse 90 m más para incluir la ignimbrita rosa, que pudiera tener permeabilidad secundaria por fracturamiento. Sin embargo, el registro geofísico sugiere que en esta zona existe menor enjarre y probablemente menor permeabilidad en la formación por lo que el funcionamiento de esta unidad hidrogeológica aún es ambiguo. 

Subyaciendo este acuífero hay dos segmentos que podrían comportarse como acuitardos (de muy baja permeabilidad). El primer segmento es el flujo tipo lahar, principalmente cenizas alteradas a arcilla (~32 md de espesor). El segundo segmento es el lahar color rojizo, alterado con matriz arcillosa (~220 md de espesor), aunque este segmento no es homogéneo y es interrumpido por un segmento de alta permeabilidad a los 1008 md (donde se presentó la pérdida total de circulación). Debido a que a esta profundidad finalizó el primer registro geofísico y el otro registro inició a los 1060 md, el segmento de alta permeabilidad no fue observado en los registros. 

Respecto a estos acuitardos, hacen falta pruebas hidráulicas para determinar su permeabilidad. Los aforos que rutinariamente se realizan no permiten estimar los parámetros de los acuitardos. Adicionalmente, otros asesores del Sistema de Aguas de la Ciudad de México han propuesto que los acuitardos arcillosos, denominados informalmente formación Taxhimay, tienen un origen lacustre (sedimentario). Los resultados de las pruebas de Difracción de Rayos X a las arcillas de los segmentos arcillosos sugieren que el origen no es lacustre. Las cuatro muestras se componen de una arcilla de la familia de las esmectitas. En ninguna de las muestras analizadas la esmectita se encuentra interestratificada (por ejemplo, con ilita o clorita). La estratificación es común en rocas sedimentarias y, de ser de origen lacustre, debiera observarse. La ausencia de estratificación sugiere que estas arcillas pudieron originarse por alteración hidrotermal de rocas ácidas o de depósitos de ceniza volcánica. 

Subyaciendo estos acuitardos se localiza un estrato de ~206 md de espesor de flujos piroclásticos, con respuesta geofísica relativamente homogénea y de buena permeabilidad. La buena permeabilidad de este segmento de más de 200 md de espesor se infiere de las siguientes evidencias: (a) la separación entre las curvas resistivas, (b) la caída significativa de temperatura registrada por el sensor de la barrena durante la perforación de este segmento, y (c) el ascenso de nivel de lodos hasta a los 32 m de profundidad durante esta etapa, a pesar de la pérdida de circulación. Es probable que este segmento sea el principal aportador al caudal que se extrae de este pozo. El hecho de que la temperatura a la descarga del pozo sea menor o igual a 50 °C es consistente con esta evaluación.

Posteriormente se encuentran ~300 md de depósitos de lahar heterogéneos, alternando segmentos de buena permeabilidad con segmentos de baja permeabilidad. Finalmente, se encuentran flujos piroclásticos de ~400 md de espesor, consolidados y que podrían ser permeables por fracturamiento. Finalmente, se tomaron muestras de agua durante varios aforos y se hizo la interpretación hidráulica de estas pruebas. Puesto que el ademe ranurado se extiende a los tres segmentos que probablemente aportan el agua extraída del pozo, no es posible hacer un análisis para obtener valores de conductividad hidráulica para cada uno de ellos. 

Se reportan los resultados de los análisis químicos del agua (iones mayores y elementos traza). Los isótopos estables son congruentes con un origen meteórico del agua. Para estimar la edad, dos muestras de agua se analizaron para contenido de Carbono 14 (¹⁴C). La primera muestra dio un alto contenido de carbono moderno por lo que suponemos que aún estaba contaminada con agua ajena a la formación introducida durante la perforación. La segunda muestra dio una edad de más de 5413 años. Sin embargo, existen dudas de la integridad de esta última muestra porque fue tomada posterior a un problema que originó una rotura en el ademe ciego a ~200 md de profundidad, y en el cual seguramente hubo ingreso de agua somera.