Post-drilling destabilization of temperature profile in borehole Yaxcopoil-1, Mexico

Abstract

As part of the International Continental Scientific Drilling Program (ICDP), the 1.5-km-deep borehole Yaxcopoil-1, located in the Chixculub meteor impact structure in Mexico, has undergone further study after drilling operations ceased. Temperature logs were repeated ten times at intervals 0.3–0.8, 15, 24 and 34 months after borehole shut-in. The logs bear a distinct signature of transient heat transfer by groundwater flow manifested by a gradual distortion of the linear temperature profile when a cold wave of 0.8–1.6°C amplitude was detected propagating downward from 145 to 312 m at a rate of 4–6 m/month. To understand the nature of this moving anomaly, a 20-day monitoring of the cold wave was carried out at a depth of 307 m that showed further cooling of 0.6°C during the first 16 days of the passage followed by temperature stabilisation. As an explanation of this unusual phenomenon, a theory is proposed, whereby the drilling mud has accumulated within the overlying and cooler highly porous and permeable karstic rocks during the drilling and migrates downward. The observed migration rate suggests a permeability higher than 10⁻¹¹ m². This indicates a high vulnerability to contamination of the only freshwater aquifer in the Yucatan region.

Résumé

Dans le cadre du programme international de forage scientifique continental (ICDP), le forage Yaxcopoil-1 profond de 1.5 km, situé dans la structure d’impact météorique de Chixculub au Mexique, fait l’objet d’investigations depuis que les opérations de forage sont terminées. Des diagraphies de température ont été répétées 10 fois pour les intervalles 0.3-0.8, 15, 24 et 34 mois sur le forage au repos. Les enregistrements montrent un signal distinct de transfert de chaleur transitoire par circulation d’eau souterraine caractérisé par une altération progressive du profil linéaire de température. Une vague de froid d’amplitude de 0.8 à 1.6 °C se propageant en profondeur de 145 m à 312 m à la vitesse de 4 - 6 m/mois a été détectée. Pour comprendre l’origine de cette anomalie en mouvement, la vague de froid a été surveillée pendant 20 jours à la profondeur de 307 m. Un refroidissement de 0.6 °C a été observé les 16 premiers jours du passage puis la température s’est stabilisée. Pour expliquer ce phénomène peu commun, une théorie est proposée, selon laquelle la boue de forage se serait accumulée dans les niveaux supérieurs de roches karstiques très poreuses et perméables au moment du forage, avant de migrer en profondeur. La vitesse de migration observée suggère une perméabilité supérieure à 10-11 m2, indiquant une forte vulnérabilité aux contaminations pour l’unique aquifère d’eau douce de la région du Yucatan.

Resumen

Como parte del Programa de Perforaciones Científicas Continentales Internacionales se han realizado estudios posteriores, después de que las operaciones de perforación terminaron, en el pozo profundo (1.5 km) Yaxcopoil-1 que se localiza en la estructura de impacto meteorítico Chixculub en México. Los registros de temperatura se repitieron 10 veces en intervalos 0.3-0.8, 15, 24 y 34 meses después que se terminó el pozo. Los registros muestran una señal distintiva de transferencia transitoria de calor mediante el flujo de agua subterránea manifestada por una distorsión gradual del perfil de temperatura lineal, cuando se detectó una onda fría de amplitud 0.8 a 1.6 oC propagándose hacia abajo entre 145 m y 312 m a una tasa de 4-6 m/mes. Para entender la naturaleza de esta anomalía móvil se llevó a cabo un monitoreo de 20 días a una profundidad de 307m lo que mostró enfriamiento adicional de 0.6 oC durante los primeros 16 días del levantamiento seguido por estabilización de temperatura. Como una explicación a este fenómeno fuera de lo común se propone una teoría que sugiere que el lodo de perforación se ha acumulado durante la perforación en las rocas suprayacentes kársticas altamente porosas y permeables y que posteriormente ha migrado hacia abajo. La tasa de migración observada sugiere una permeabilidad mayor a 10-11 m2. Esto indica una elevada vulnerabilidad a la contaminación del único acuífero de agua fresca en la región Yucatán.