Philosophiae Doctor - PhD / The El Tatio geyser field (ETGF) is the largest known geothermal field in Chile, forming part of a wide spectrum of extremophilic habitats in the country. The ETGF is NaCl rich, with high concentrations of toxic elements such as Li, As and Cs, which are contributed mainly by volcanic activities in the region. Most previous studies in the area have focused on the geology and geochemistry for mining purposes, as well as on the search for geothermal resources for power generation. Very little is currently known about the composition of the microbial communities of the ETGF, which makes the study reported here of particular novelty.A metagenomic approach, involving the amplification of 16S rRNA gene phylogenetic markers from metagenomic DNA was used to investigate seven different sites within the geyser field. The sample sites were characterized by high temperatures (80-85 °C) and a range of pH values (6.3-8). Various molecular methods, including clone library construction and PCR-DGGE analyses were used to target a wide range of microbial populations within the ETGF sites. Multivariate analysis was also applied to assess differences in the microbial diversity from different sites and to correlate microbial diversity with environmental conditions. Culture-dependent screening of novel nanoarchaeal species was also undertaken.These were coupled with PCR and other detection methods such as fluorescent in situ hybridization (FISH) to trace the presence of nanoarchaeal signals from enriched cultures.The results have shown that the ETGF encompasses a limited microbial diversity represented by only 30 dominant phylotypes, and most likely due to the toxic chemical content of the geyser field. The microbial representatives identified were assigned to OTUs from archaeal,nanoarchaeal and bacterial taxonomic groups. The dominant microbial taxa included members of the Proteobacteria, Firmicutes, Aquificae, Actinobacteria, Euryarchaeota(Halobacteriales, Archaeoglobales), Crenarchaeota (Thermoproteales, Desulfurococcales),together with uncultured representatives of the bacteria, archaea and nanoarchaeota. Notably,representatives of mesophilic, thermophilic and hyperthermophilic taxonomic groups were all detected in ETGF samples. This is attributed to various factors such as temperature gradients and dispersal mechanisms (e.g. natural forces such as rain and volcanic activities). Principal component analysis (PCA) showed significant differences (P < 0.05) in the microbial diversity of the ETGF samples, with principal components (based on the sequenced species from both 16S rRNA clone libraries and PCR-DGGE profiles) explaining up to 62.7% of variance. Furthermore, CCA showed that the differences in phylogenetic diversity were most influenced by temperature and salinity. This was also confirmed by the sequencing results,which showed that hyperthermophilic and haloarchaeal taxa were dominant in the ETGF sites. However, conductivity and pH were also found to contribute to variations in the microbial diversity of the experimental samples, with TDS (total dissolved solids) being a less influential factor. Attempts to generate nanoarchaeal-host co-cultures, and to recover sufficient nanoarchaeal genomic DNA for fosmid and/or large insert cloning for comparative genome analysis, were unsuccessful.This study is the first to employ metagenomic approaches to analyse the microbial diversity of sites in the ETGF, and has expanded our knowledge of microbiota present in this geyser field.

Geólogo / Los géiseres son fenómenos naturales sumamente raros alrededor del mundo, se han documentado aproximadamente 1000 de los cuales 80 se concentran en el Campo Geotermal El Tatio, siendo el tercer campo de géiseres más grande del planeta. Este galardón lo posiciona en un sitio ideal para estudiar el comportamiento eruptivo de los géiseres. La presente investigación se enfoca en identificar los intervalos eruptivos de los géiseres estudiados y en determinar si existen interacciones entre cuatro géiseres de la Cuenca Media. A partir de estos resultados más las observaciones en terreno se asociarán a un modelo teórico que se adecúe a los resultados obtenidos. La metodología utilizada se basa principalmente en mediciones de temperatura de los fluidos al interior del conducto o en los flujos de salida, con el fin de obtener una señal digital que dé cuenta de diferentes peaks, los cuales están relacionados a las erupciones de los géiseres. Las mediciones realizadas en los géiseres de la Cuenca Media están influenciadas fuertemente por el ciclo de temperatura diario, por ello fue necesario filtrar la señal para recuperar sólo las frecuencias altas que evidencian periodicidades propias del ciclo eruptivo de los géiseres. La señal filtrada muestra patrones que indican que existen interacciones entre ellos. En el géiser Vega Rinconada se identificó un intervalo entre erupción multimodal, donde existe una frecuencia dominante que corresponde a 1,84 horas. Todos los géiseres mencionados anteriormente se asocian al modelo de fractura de Ingebritsen y Rojstaczer (1993; 1996). En cambio, en el géiser El Jefe se observa un comportamiento unimodal con un intervalo entre erupción bien marcada de 2,19 min y una configuración más afín al modelo de cámara-conducto de Steinberg et al. (1982). Este trabajo marca un precedente para futuros estudios en el Campo Geotermal El Tatio, en relación al entendimiento de la dinámica de los géiseres, aportando las primeras ideas con respecto al comportamiento eruptivo de los géiseres, las cuales pueden servir de bases para realizar modelos a futuro que permitan entender la mecánica que hay detrás de ellos.

Geóloga / Los centros eruptivos Cerro Volcán, Cerro La Quebrada, Volcán Tatio y Cerro La Torta, presentan litologías correspondientes a andesitas de anfíbola, andesitas de piroxeno y riolítas de anfíbola y biotita, calcoalcalinas de alto K, y se edifican por sobre los 4000 m.s.n.m. al sureste del campo geotermal del Tatio, en la Zona Volcánica Central (ZVC), Andes. La evolución de ellos toma lugar en el Pleistoceno Inferior-Superior, con una actividad predominantemente efusiva y litología caracterizada por: (1) gran proporción de fenocristales (20-45%); (2) rango composicional amplio (58-70%SiO2); y (3) variadas texturas de desequilibrio. La actividad eruptiva comienza a los ca. 2,12 Ma con la emisión del domo riotítico que hoy constituye el Cerro La Torta. Posteriormente, a los ca, 1,33 Ma, se dio la erupción de flujos andesíticos que constituyen los centros Volcán Tatio, Cerros Del Tatio y Cerro La Quebrada, en una cadena orientada NE-SW. Finalmente, la emisión de flujos andesíticos a los ca. 0,47 Ma edifica lo que corresponde a Cerro Volcán. En los pies del flanco oeste de este centro, es donde hoy se desarrolla la actividad geotermal de los Géiseres del Tatio. El volcanismo en la zona de estudio se caracteriza, en este periodo, por su migración hacia el norte. Los diferentes lineamientos en los centros, NE-SW y NS, sugieren un fuerte control estructural, lo que favorece el ascenso de magma a través de debilidades preexistentes en la corteza superior. La actividad de las erupciones es efusiva, debido a la falta de depósitos piroclásticos y escarpes de colapso asociados, aunque no se descarta la posibilidad de eventos de baja explosividad con depósitos piroclásticos cubiertos por sucesivas erupciones efusivas, o depósitos erosionados por acción glaciar. Los magmas que originaron las rocas de los centros estudiados ocurren a partir de una fuente con presencia de plagioclasa, anfíbola y ± clinopiroxeno, en lo que se cree una fuente somera con respecto a lo observado por otros autores en rocas volcánicas recientes de la ZVC, en donde se infiere una fuente profunda de alta presión con granate residual presente. Esto difiere con la implicancia general de que los magmas generados en un arco continental con una corteza engrosada debieran poseer una fuerte signatura de granate. Se sugieren reservorios someros para Cerro La Torta y Cerro Volcán, en donde se dio la cristalización de anfíbolas a temperatura, presión, % de H2O y fO2 de 835°C, 135MPa, 4,6%H2O y -11,7logfO2; y, 840°C, 130MPa, 4,6%H2O, y -11,7logfO2, respectivamente. Además se plantea un reservorio más profundo con respecto a los anteriores para el Volcán Tatio, en donde se dio la cristalización de piroxenos (a temperaturas de 1006-1013°C). Se presume una evolución de los centros eruptivos caracterizada por la perturbación de inyecciones de magmas con mayor temperatura respecto a los reservorios someros que explican la composición mineralógica y texturas de desequilibrio observadas. Sin embargo, no se descartan procesos de cristalización fraccionada y asimilación cortical, que son característicos en la evolución de los magmas en la ZVC.

Geóloga / En el contexto energético de Chile, en que la capacidad instalada es de 18703.6 MW (correspondiente al 99 % de la capacidad instalada nacional), en que la matriz de energía eléctrica de Chile está compuesta principalmente por hidroelectricidad y generación de origen térmico, que la capacidad de generación debería aumentar en 800 MW/año y que el costo de energía eléctrica va en aumento con el tiempo, resulta imprescindible considerar nuevas formas de generar energía eléctrica. Las características geológicas del país, con un arco volcánico activo con manifestaciones termales que se extienden de norte a sur, sugieren que Chile posee un alto potencial geotermal. En efecto, Lahsen (1986) realizó una estimación preliminar del potencial geotermal asociado a recursos de mediana a alta entalpia (> 150ºC) en Chile. La estimación arrojó valores del orden de 16.000 MW por al menos 50 años que correspondería prácticamente a duplicar la capacidad actual de generación. En el presente trabajo se realizan estimaciones del potencial de generación de energía eléctrica del Campo geotermal de El Tatio, que se ubica en la segunda región de Antofagasta, en el norte de Chile (22.33°S, 68.01°W), con el método del volumen con simulaciones de MonteCarlo. El método consiste en encontrar la función de probabilidad del potencial geotérmico a partir de variables aleatorias; evalúa la función a estudiar en n escenarios diferentes seleccionados de manera aleatoria, asignando al azar un valor a cada variable en su dominio de pertenencia. Para llevar a cabo la estimación se analiza la geoquímica y geotermometría de las fuentes termales, se estiman los valores de los parámetros variables de la simulación teniendo en cuenta la geología. Se efectúan ajustes normal y de Birnbaum-Saunders (B-S) a los resultados junto con un análisis de sensibilidad de cada parámetro. Finalmente se compara con estimaciones hechas por empresas de exploración geotérmica. Los resultados obtenidos indican que para B-S (el mejor ajuste) se tiene que con un 90% de probabilidad la capacidad de generación de energía eléctrica se encuentra en el rango superior a 33 MW, con un 55% de probabilidad en el rango superior a 59 MW y con un 10% de probabilidad en el rango superior a 93 MW. Mediante el análisis de sensibilidad, el escenario más favorable se alcanza con el valor máximo del área y es de 90.32 MW, comparable con la estimación hecha por Geotérmica del Norte (GDN, 2010) de 91 MW.

In September 2009 exploratory testing of an old geothermal power well caused a blowout at the El Tatio geothermal field of northern Chile. El Tatio is the largest geyser field in the southern hemisphere. The blowout was a paradigm-shifting event for the management of the El Tatio geothermal field and drew attention to the disparity and critical nature of scientific information sharing. This study uses the El Tatio incident as a case study for examining problems of common-pool resource management and geothermal energy development. It explores how differing valuations of geothermal resources resulted in a breakdown of coherent regulation and negative outcomes for all stakeholders. Contingent valuation methods were used to create an elicitive interview process in order to assess how differences in valuation drove these conflicts and negative outcomes. The sharing of scientific information through Decision Support Systems (DSS) is identified as an important element in resolving these conflicts and creating new policies for common-pool resource management. These methods are presented as tools that can be used by stakeholders to find common ground and seek mutually beneficial outcomes. In addition, these tools can help with the critical issue of social perception of scientific data and science driven solutions to these problems. This study posits that the path forward is to ensure not only that scientific data is communicated in modes appropriate to the community and problem at hand, but that the acquisition and interpretation of this data is informed by stakeholder needs. / text

Magíster en Ciencias, Mención Geología / La existencia de un sistema geotermal requiere, aparte de una fuente de calor, que existan unidades geológicas permeables que constituyan acuíferos o reservorios y una recarga de agua adecuada al sistema. En ese sentido es fundamental conocer y estudiar los aspectos hidrogeológicos en los sistemas geotermales, en particular la interacción entre las aguas subterráneas y el gradiente térmico, de forma de anticipar el comportamiento de un sistema geotermal ante posibles escenarios de explotación y recarga. La motivación del presente trabajo de investigación radica en caracterizar la dinámica de las aguas subterráneas y modelar numéricamente los flujos y el transporte de calor en un sistema geotermal andino de alta entalpía. Esto, con el objetivo de contribuir al desarrollo creciente de la energía geotérmica en el país y por el potencial que esta representa. En particular, el trabajo se enfoca en el sistema geotérmico de El Tatio, ubicado en la Región de Antofagasta. Como hipótesis de trabajo se planteó que dicho sistema geotérmico es modelable numéricamente a través de un enfoque de flujo multifase no isotermal asumiendo un medio poroso equivalente, con permeabilidades consistentes con el tipo de roca y discontinuidades que conforman los acuíferos, permitiendo reproducir los datos registrados de temperatura y presión en el sistema. A partir de la recopilación y análisis de antecedentes hidrológicos, hidrogeológicos, topográficos y de estudios de exploración geológica y geoquímica, se elaboró el modelo conceptual del sistema, el cual constituyó la base para el desarrollo de la modelación numérica. Para la construcción del modelo numérico se utilizó: el software GMS (Groundwater Modeling System) como herramienta de creación de la grilla numérica, Microsoft Excel para el procesamiento de datos, y TOUGH2 para la resolución numérica del problema. El modelo fue posteriormente calibrado tanto en régimen permanente como en régimen transiente y luego fue sometido a un análisis de sensibilidad de los principales parámetros que condicionan el comportamiento del sistema. Los resultados indican que el modelo calibrado en régimen permanente reproduce en forma razonable los datos de temperatura y presión observados en los pozos existentes del sistema geotermal El Tatio. Esto indica que el enfoque basado en medios porosos equivalentes permite representar adecuadamente el comportamiento de un sistema cuya dinámica de las aguas subterráneas está dominada fundamentalmente por permeabilidades de tipo secundaria. El modelo calibrado permite además estudiar las respuestas del sistema ante potenciales escenarios de explotación, aunque la validez de estos resultados queda sujeta a las posibles mejoras en la calibración del régimen transiente del sistema.

Magíster en Ciencias, Mención Geología / Los depósitos de sínter silíceo son rocas formadas por la evaporación y enfriamiento de aguas termales alcalinas cloruradas, de pH cercano a neutro y ricas en sílice disuelta. Las texturas y morfología que muestran estos depósitos están fuertemente influenciadas por las condiciones ambientales de formación, y por las características hidrodinámicas del agua termal. La ocurrencia en superficie de depósitos sínter revela la existencia de sistemas hidrotermales de alta temperatura en profundidad, y, por lo tanto, su estudio se relaciona a la exploración geotérmica y mineral. A pesar de que actualmente existen numerosos proyectos de exploración en la Zona Volcánica Central de Los Andes, poco se han estudiado las características particulares de los depósitos de sínter que se han formado en este ambiente. El campo geotermal El Tatio, que se ubica en el Altiplano del norte de Chile a gran elevación, se caracteriza por presentar condiciones climáticas extremas (gran oscilación térmica y alta tasa de evaporación) y una geoquímica de aguas termales particular (alta concentración de sílice disuelta, arsénico y boro). Estas características hacen que El Tatio sea un lugar ideal para estudiar la influencia de las condiciones ambientales y la geoquímica de aguas termales sobre las características de los sínteres silíceos. En el presente estudio se presentan análisis de laboratorio (ICP-OES, ICP-MS, SEM and DRX) y mediciones en terreno, las características mineralógicas, químicas y texturales de los depósitos de sínter silíceo de El Tatio, y las características hidrodinámicas de las aguas termales a partir de las cuales ellos se forman. Adicionalmente, se desarrolla un experimento in situ para estimar la tasa de precipitación de sílice en El Tatio. Los sínteres silíceos de El Tatio están formados por micro- y nano-esferas de ópalo-A, y presentan un alto grado de desorden estructural, evidenciado por altos valores de FWHM (7.8-12.5 °2Ɵ), que se atribuye a la incorporación de cationes como Ca2+ y Na+ en su estructura. Otras fases cristalinas, como la halita y el yeso, también son comunes en El Tatio. Minerales de calcio y arsénico, como la cahnita, ocurren como relleno de cavidades y formando laminaciones continuas dentro del sínter. La ocurrencia de estas fases minerales se debe a la alta concentración de elementos como boro, arsénico y calcio en las aguas termales, y su formación se relaciona con el proceso de formación de los sínteres silíceos a través de procesos de evaporación total. Los depósitos de sínter de El Tatio se caracterizan también por presentar texturas asociadas a temperaturas bajo cero, y relacionadas a las condiciones hidrodinámicas y a la temperatura del flujo de agua termal. Estas características contrastan con las de los sínteres formados a baja elevación, lo que resalta la importancia de comprender el origen de la mineralogía y texturas particulares de los sínteres formados a alta elevación para poder utilizarlos exitosamente como herramienta de exploración. El estudio integrativo de los sínteres formados en campos geotermales activos del norte de Chile, que incluya tanto la caracterización mineralógica y textural de los depósitos, como la caracterización de las aguas termales y la estimación de tasas de precipitación de sílice, proporciona nuevos conocimientos acerca de los procesos que influyen en la formación de los depósitos de sínter silíceo en el contexto andino.

Tesis para optar al grado de Magíster en Ciencias, Mención Geofísica / El sistema geotermal El Tatio - La Torta se ubica en la región de Antofagasta, Chile. Se encuentra a una elevación de 4200 a 4300 m.s.n.m y es uno de los campos de geyseres más grandes del hemisferio sur con más de 110 manifestaciones termales conocidas. Se sitúa en el Complejo Volcánico del Altiplano Puna (APVC) el cual, a través de evidencias geofísicas de sísmica y magnetotelúrica (MT), se propone que alberga un cuerpo magmático de escala regional. La zona de estudio se encuentra sobre una serie de rocas volcánicas que provienen de erupciones locales datadas desde el Mioceno y que, durante periodos de inactividad local, actúan procesos erosivos y depositación de materiales de fuentes lejanas como ignimbritas. Estudios geológicos indican que el evento volcánico local más reciente (Pleistoceno-Holoceno) se ha dado en el domo La Torta. Desde 1921 se han realizado diversos estudios geológicos y geofísicos en la zona, sin embargo la caracterización y funcionamiento del sistema geotermal El Tatio - La Torta aún no es clara, por lo que el presente trabajo se realiza para tener un mayor entendimiento y es desarrollado con el apoyo del Centro de Excelencia en Geotermia de los Andes (CEGA) utilizando mediciones de MT que fueron medidas durante el año 2017, abarcando el campo de geyseres de El Tatio y el domo La Torta que se encuentran separados 10 km aproximadamente. Estos datos fueron modelados a través de una inversión de datos con el algoritmo ModEM y los resultados fueron analizados con datos de litología y temperatura de pozos presente en la zona y comparados con datos geofísicos de gravedad, aeromagnetismo y MT realizado anteriormente. El modelo de MT obtenido muestra que en el campo de geyseres de El Tatio existe la presencia de conductores someros asociados con zonas impermeables y otros, a mayor profundidad, relacionados con presencia de sales, alteración hidrotermal o precipitación de otros minerales. A unos 20 km al noreste de El Tatio se encuentra otro conductor en profundidad asociado con la caldera volcánica Laguna Colorada, que se ha evidenciado en estudios anteriores de MT. Además, colindando hacia el lado este del campo de geyseres se encuentra el Cerro Volcán donde existe un conductor en profundidad asociado a la presencia de manifestaciones geotermales que no habían sido documentadas hasta el momento. También se observan estructuras resistivas de importancia como es el domo Copacoya, el cual se encuentra adyacente al campo de geyseres (hacia el oeste), actuando como una barrera geológica que no permite que aguas subterráneas fluyan hacia el oeste, por lo que deben hacerlo hacia arriba, ocurriendo manifestaciones geotermales en superficie. Finalmente, al sureste de El Tatio, se encuentra el domo La Torta con la presencia de un resistivo en profundidad asociado a un intrusivo a alta temperatura que sería la zona caliente del sistema geotermal.

Tesis para optar al grado de Magíster en Ciencias, Mención Geología / La actividad geotermal es registrada en los depósitos de sínter silíceo, que se forman cuando aguas termales se descargan y enfrían rápidamente en superficie. La formación de sínter silíceo entrampa microbios que viven en aguas termales, así como también material vegetal. La preservación de ésta materia orgánica permite la datación mediante 14C en sistemas geotermales activos como El Tatio en el norte chileno. A pesar de ser el tercer campo de géiseres más grande del mundo, después de Yellowstone en Estados Unidos, y El Valle de Géiseres en Kamchatka, la edad absoluta de este sistema geotermal permanece sin constreñir. El campo de géiseres El Tatio está localizado en el altiplano chileno, a una altitud de más de 4.200 metros sobre el nivel del mar, y sus condiciones climáticas extremas como la alta tasa de evaporación, gran amplitud térmica, y alta radiación UV, resultan en un ambiente único análogo a la Tierra primitiva y Marte. En este estudio, la edad de los depósitos de sínter silíceo de El Tatio es determinada mediante 14C en 21 muestras de superficie usando espectrometría de masas con acelerador. Con el objetivo reconstruir la evolución de la formación de sínter silíceo, la estrategia de muestreo incluyó la colección de muestras en perfiles estratigráficos de afloramientos de sínter fósiles. Las edades varían de 15,042 ± 30 a 230 ± 35 años B.P., indicando que El Tatio ha tenido una descarga activa de aguas termales por al menos 15.000 años. Estas edades son utilizadas para determinar la tasa de precipitación en El Tatio, que fue calculada entre 0,14 and 2,57 kg/años/m2. Estos valores están entre las más altas tasas de precipitación medidas en sistemas geotermales y son consistentes con experimentos de precipitación in situ en El Tatio (0,84-2,92 kg/años/m2). Los resultados indican que las condiciones ambientales extremas en el Altiplano Chileno, i.e., alta tasa de evaporación y enfriamiento de las aguas termales, junto con una gran amplitud térmica, han jugado un rol fundamental en la construcción y preservación de los depósitos de sínter silíceo. La mineralogía de las muestras de sinter silíceo fue determinado utilizado difracción de rayos X y espectroscopia Raman, mostrando que las fases minerales presentes en los sinter fósiles son dominantemente ópalo-A y ópalo-A/CT, reflejando un general bajo grado de diagénesis. Estos resultados apuntan a una compleja evolución mineral en el Tatio, donde la maduración de sílice está asociada a procesos de disolución-reprecipitation. Este estudio resalta la importancia de un mejor entendimiento de la evolución de la formación de sinter silíceo en sistemas geotermales y explora el uso del radiocarbono como una herramienta novedosa para constreñir las tasas de precipitación, Además, este estudio enfatiza el impacto de las condiciones ambientales en la precipitación de sílice en los sistemas geotermales andinos. / Centro de Excelencia en Geotermia de los Andes (CEGA),Proyecto FONDAP-CONICYT 15090013, y por el Núcleo Milenio Trazadores de Metales NC130065