When huge masses of salt move underground: Lessons from outcrops that go beyond table salt

When huge masses of salt move underground: lessons from outcrops that go beyond table salt
Aerial view of the El Gordo Anticline (in the foreground) and La Popa Mountain (in the background). Credit: Ramon Lopez

There is a place in northeastern Mexico where anyone can learn a lot about the dynamics of the ground beneath our feet while enjoying the wonders of the desert. Geologists call this area the ‘La Popa Basin.’ La Popa means “the Bow,” a name derived from the shape of one of the mountains in this area, resembling the front of a very large ship. This place is a perfect training ground for geologists and engineers working in the hydrocarbon industry and in carbon capture and storage projects. There are excellent outcrops not only of salt but, more importantly, of sedimentary rocks where oil, gas, and water can be extracted or stored. In any case, the place is very striking to many people, regardless of their personal interests: there is a plethora of cacti and other amazing desert plant species in an arid landscape, herds of wild horses, a series of mountain ranges surrounding the area, and… salt, lots of salt. One can walk over 3 km2 of white salt (CaSO4 ± 2H2O). Remember that ‘salt’ can appear in many other chemical forms besides table salt (NaCl). If you go to La Popa, take this advice: wear sunglasses and protect yourself with sunscreen. This salt reflects sunlight as if you were skiing in the Alps.

Figure 1. The seismic image at the bottom shows a 2D vertical section of the Auger Salt Diapir. This salt diapir has reached the seabed surface north of the Gulf of Mexico, as shown by the bathymetric image from BOEM (2020). The salt moved upward, creating a bulge or dome (see Google Earth capture in the top right). Seismic image modified from Hearon et al., 2014.

So, how did all this salt get there? To answer this question, it is necessary to explain the formation of salt deposits, but also something that might be surprising: how it moves underground. Massive volumes of salt are common in the subsurface worldwide; particularly beneath the seabed along coasts, but also in continents. Most ancient salt deposits precipitated in ancient seabeds due to changes in temperature, relatively high evaporation rates of water, and other physical and chemical processes. Salt accumulated year after year, creating deposits several hundred meters thick. When salt precipitation ceased, these deposits were covered over time by mud, sand, or sometimes even lava flows. The entire process typically takes several million years. Some of these salt deposits can move underground. These movements can be observed in underground salt mines, and seismic data show evidence of lateral, upward, and even downward salt movement (Figure 1).

How is this possible? The main controlling factors are the Earth’s gravitational field, differences in density of sediments and rocks, and the movement of our continents. Simply put, salt tends to be less dense than the surrounding sediment or rock, which causes the salt to flow over time. Such flow rates are comparable to glacier movement, where ice also moves very slowly. The role of density in the upward movement of salt is analogous to that of oil in water. If you introduce oil with a dropper into the bottom of a glass filled with water, the drop of oil will quickly move to the surface of the water. A common mistake is to think that it is the oil that actively moves upward. In fact, it is the water that ‘pushes’ the oil drop upward. This is because water is heavier than oil, so it moves under the gravitational field to a position closer to the center of the Earth. This may seem trivial, but it is probably counterintuitive for most people. If we have a mass of salt surrounded by denser rocks and sediments, the latter will try to position themselves below the salt. But, as you can imagine, it is not easy for solid rock to flow like water does. Rocks are solid and cannot easily move and push the salt upward. This means that salt can only move if something else prompts those rocks to shift or if space is created for the salt to move. Tectonics is therefore an important process in salt movement, as it can displace vast quantities of rock volumes. Both extensional and compressional tectonics can result in the thinning of the crust and thus a reduction of weight over the underlying salt layers. The buoyancy of the salt would eventually facilitate the ascent of the salt (e.g., in rift basins). Tectonic processes also form fractures that act as conduits for salt to move.

The La Popa Basin is unique in that it clearly exposes masses of salt that have moved upward through the Earth’s crust. One of these masses of salt, called the El Gordo Diapir (‘The Fat One’), probably best exposes both its salt deposits and the surrounding sedimentary rocks (Figure 2). The compressional forces associated with the opening of the Gulf of Mexico formed folds and fractures and pushed the salt upward.

Figure 2. Aerial view of the El Gordo Diapir (marked in red). Credit: Ramon Lopez

Figure 3. Cross-section of the El Gordo Diapir from recent detailed mapping in the area. Salt in red. Credit: Ramon Lopez













Concomitantly, the movement of the salt deformed the adjacent sedimentary rocks. All these tectonic features in the form of folds and fractures on a wide range of scales can be observed in the El Gordo Diapir area. The diapir itself is spatially associated with a thrust anticline that was once part of a submarine fold and thrust belt (Figure 3). This makes it a great analog for oil reservoirs related to this type of tectonic configuration (e.g., Salinas Basin, Gulf of Mexico). This is one of the few places where we can observe and study the complex interaction between salt movement and tectonics. It is a natural laboratory for the oil and gas industry and even for projects looking to store greenhouse gases or radioactive waste within giant salt deposits. It is an astonishing fact that these large salt reservoirs play a vital role in meeting modern energy demands, as well as a tool for combating climate change.

References:

“BOEM Northern Gulf of Mexico Deepwater Bathymetry Grid from 3D Seismic.” Bureau of Ocean Energy Management, November 4, 2020, https://www.boem.gov/oil-gas-energy/mapping-and-data/map-gallery/boem-northern-gulf-mexico-deepwater-bathymetry-grid-3d.

Hearon, T.E., Rowan, M.G., Giles, K.A., and Hart, W.H., 2014. Halokinetic deformation adjacent to the deep-water Auger diapir, Garden Banks 470, northern Gulf of Mexico: Testing the applicability of a surface-based model using subsurface data. Interpretation, 2(4), pp.SM57-SM76.

Websites of interest:

Carbon capture and storage: https://ec.europa.eu/clima/policies/innovation-fund/ccs_en

European project on underground salt deposits in the Mediterranean: https://www.saltgiant-etn.com/

Cuando enormes masas de sal se desplazan bajo tierra: lecciones de afloramientos que van más allá de la sal de mesa

Cuando enormes masas de sal se mueven bajo tierra: lecciones de afloramientos que van más allá de la sal de mesa

Vista aérea del Anticlinal El Gordo (en primer plano) y la montaña La Popa (en el fondo). Crédito: Ramon Lopez

Hay un lugar en el noreste de México donde cualquiera puede aprender mucho sobre la dinámica del suelo bajo nuestros pies mientras disfruta de las maravillas del desierto. Los geólogos llaman a esta área ‘Cuenca La Popa’. La Popa significa “La Proa”, un nombre que proviene de la forma de una de las montañas de esta zona, que se asemeja a la parte delantera de un barco muy grande. Este lugar es un campo de entrenamiento perfecto para geólogos e ingenieros que trabajan en la industria de los hidrocarburos y en proyectos de captura y almacenamiento de gases de efecto invernadero. Hay afloramientos excelentes no solo de sal, sino, más importante aún, de rocas sedimentarias donde se pueden extraer o almacenar petróleo, gas y agua. En cualquier caso, el lugar es muy llamativo para muchas personas, independientemente de sus intereses personales: hay una plétora de cactáceas y otras asombrosas especies de plantas del desierto en un paisaje árido, manadas de caballos salvajes, una serie de cordilleras que rodean el área y… sal, mucha sal. Uno puede caminar sobre 3 km2 de sal blanca (CaSO4 ± 2H2O). Recuerda que ‘sal’ puede aparecer en muchas otras formas químicas además de la sal de mesa (NaCl). Si vas a La Popa, toma este consejo: usa gafas de sol y protégente con protector solar. Esta sal refleja la luz del sol como si estuvieras esquiando en los Alpes.

Figura 1. La imagen sísmica en la parte inferior muestra una sección vertical 2D del Diapiro Auger. Este diapiro de sal ha llegado a la superficie del fondo marino al norte del Golfo de México, como muestra la imagen de batimetría del BOEM (2020). La sal se movió hacia arriba creando un abultamiento o domo (ver captura de Google Earth en la parte superior derecha). Imagen sísmica modificada de Hearon et al., 2014.

Entonces, ¿cómo llegó toda esta sal allí? Para responder a esta pregunta, es necesario explicar la formación de los depósitos de sal, pero también algo que podría ser sorprendente: cómo se mueve bajo tierra. Volúmenes masivos de sal son comunes en el subsuelo de todo el mundo; particularmente bajo el fondo marino junto a las costas, pero también en los continentes. La mayoría de los antiguos depósitos de sal se precipitaron en antiguos fondos marinos debido a cambios en la temperatura, tasas de evaporación relativamente altas del agua y otros procesos físicos y químicos. La sal se acumuló año tras año creando depósitos de varios cientos de metros de grosor. Cuando la precipitación de sal cesó, estos depósitos fueron cubiertos con el tiempo por barro, arena o a veces incluso flujos de lava. Todo el proceso típicamente toma varios millones de años. Algunos de estos depósitos de sal pueden moverse bajo tierra. Estos movimientos se pueden observar en minas de sal subterráneas y los datos sísmicos muestran evidencias de movimiento de sal lateral, ascendente e incluso descendente (Figura 1).

¿Cómo es esto posible? Los principales factores que controlan son el campo gravitacional de la Tierra, las diferencias de densidad de los sedimentos y rocas, y el movimiento de nuestros continentes. Simplificando, la sal tiende a ser menos densa que el sedimento o la roca circundante, lo que provoca que la sal fluya a lo largo del tiempo. Tales tasas de flujo son comparables al movimiento de glaciares, donde el hielo también se mueve muy lentamente. El papel de la densidad en el movimiento ascendente de la sal es análogo al del petróleo en el agua. Si se introduce petróleo con un gotero en el fondo de un vaso lleno de agua, la gota de petróleo se moverá rápidamente a la superficie del agua. Un error común es pensar que es el petróleo el que se mueve activamente hacia arriba. De hecho, es el agua la que ‘empuja’ la gota de petróleo hacia arriba. Esto se debe a que el agua pesa más que el petróleo, por lo que se mueve bajo el campo gravitacional hacia una posición más cercana al centro de la Tierra. Esto puede parecer trivial, pero probablemente es contraintuitivo para la mayoría de las personas. Si tenemos una masa de sal rodeada de rocas y sedimentos más densos, estos últimos intentarán situarse por debajo de la sal. Pero, como puedes imaginar, no es fácil para una roca sólida fluir como lo hace el agua. Las rocas son sólidas y no pueden moverse fácilmente y empujar la sal hacia arriba. Esto significa que la sal solo puede moverse si algo más anima a esas rocas a desplazarse o si se crea espacio para que la sal se mueva. La tectónica es, por lo tanto, un proceso importante en el movimiento de la sal, ya que puede desplazar vastas cantidades de volúmenes de roca. Tanto la tectónica extensional como la compresional pueden resultar en la reducción del grosor de la corteza y, por ende, una reducción del peso sobre las capas de sal subyacentes. La flotabilidad de la sal facilitaría eventualmente el ascenso de la sal (por ejemplo, en cuencas de separación). Los procesos tectónicos también forman fracturas que funcionan como conductos para que la sal se mueva.

La Cuenca La Popa es única en que expone tan claramente masas de sal que se movieron hacia arriba a través de la corteza terrestre. Una de estas masas de sal, llamada Diapiro El Gordo (‘El Gordo’), es probablemente la que mejor expone tanto sus depósitos de sal como las rocas sedimentarias circundantes (Figura 2). Las fuerzas compresionales relacionadas con la apertura del Golfo de México formaron pliegues y fracturas y empujaron la sal hacia arriba.

Figura 2. Vista aérea del Diapiro El Gordo (marcado en rojo). Crédito: Ramon Lopez

Figura 3. Sección transversal del Diapiro El Gordo a partir de un mapeo detallado reciente en la zona. Sal en rojo. Crédito: Ramon Lopez

Concomitantemente, el movimiento de la sal deformó las rocas sedimentarias adyacentes. Todas estas características tectónicas en forma de pliegues y fracturas en una amplia gama de escalas se pueden observar en el área del Diapiro El Gordo. El mismo diapiro está asociado espacialmente con un anticlinal de empuje que alguna vez fue parte de un cinturón de pliegues y empujes submarinos (Figura 3). Esto lo convierte en un gran análogo de los yacimientos petroleros relacionados con este tipo de configuración tectónica (por ejemplo, Cuenca Salinas, Golfo de México). Este es uno de los pocos lugares donde podemos observar y estudiar la compleja interacción entre el movimiento de la sal y la tectónica. Es un laboratorio natural para la industria del petróleo y gas, e incluso para proyectos que buscan almacenar gases de efecto invernadero o residuos radiactivos dentro de gigantes de sal. Es un hecho asombroso que estos grandes reservorios de sal jueguen un papel vital en la satisfacción de las demandas modernas de energía, así como una herramienta para combatir el cambio climático.

Referencias:

“BOEM Northern Gulf of Mexico Deepwater Bathymetry Grid from 3D Seismic”. Bureau of Ocean Energy Management, 4 de noviembre de 2020, https://www.boem.gov/oil-gas-energy/mapping-and-data/map-gallery/boem-northern-gulf-mexico-deepwater-bathymetry-grid-3d.

Hearon, T.E., Rowan, M.G., Giles, K.A. y Hart, W.H., 2014. Deformación halocinética adyacente al diapiro de aguas profundas Auger, Garden Banks 470, norte del Golfo de México: Prueba de la aplicabilidad de un modelo basado en afloramientos utilizando datos subsuperficiales. Interpretation, 2(4), pp.SM57-SM76.

Sitios web de interés:

Captura y almacenamiento de carbono: https://ec.europa.eu/clima/policies/innovation-fund/ccs_en

Proyecto europeo sobre los depósitos subterráneos de sal del Mediterráneo: https://www.saltgiant-etn.com/