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Fases en la vida de una mina según HARTMAN (1987)
Tonelajes aproximados de depósitos no metálicos para ser
económicamente explotables (Lorenz & Gwosdz 2003)
Enriquecimiento de elementos y formación de yacimientos: Fluidos
Componente geológico decisivo para la FdY:
Función de fluidos para los procesos FdY:
• Medio de flujo (magmas; p.ej. Granito: 1050°C seco vs 650°C 5% H2O)
• disolvente
• Medio de Transporte
• Advección de reactandes (e.g. Reacciones de complexización
• Advección de calor
• Convección = advección + difusión
• Componente en reacciones minerales
Origen de los fluidos
¿en la corteza terrestre o el manto superior o meteórico?
¿Juvenil o metamórfico o meteorico o una mexcla?
DIFERENCIACIÓN GEOQUÍMICA DE LA TIERRA
Formación del núcleo Manto que queda = Manto primitivo
GRAN EVENTO DE FUSIÓN (≈ 3000 Ma)
CORTEZA MANTO RESIDUAL
Es el fundido. Va a concentrar el Rb
Es el residuo. Va a quedar empobrecido en Rb
Con el tiempo, la corteza desarrolla relaciones 87Sr/86Sr altas y el manto empobrecido desarrolla relaciones 87Sr/86Sr bajas
ORIGEN DE LOS DISTINTOS COMPONENTES: AÚN EN DEBATE
Fluidos magmáticos: principalmente de procesos de subducción
Enriquecimiento de elementos y formación de yacimientos: Fluidos
Fluidos magmáticos forman sistemas hidrotermales
Junto con aguas meteóricas:
Convección hidrotermal
Resultado: Yacimientos magmatógenos (e.g. Nb-Ta-Pegmatitas)
Enriquecimiento de elementos y formación de yacimientos: Fluidos
Durante procesos de
subducción:
• Diferentes fuentes de
fluidos según nivel de
profundidad. Fluidos
provenientes de la placa
sumergente
• Sin sistema magmático:
Fluidos Metamórficos
Enriquecimiento de elementos y formación de yacimientos: Fluidos
Ejemplo: Liberación de fluidos (Devolatilización) en sector de cuna de
acreción (forma un tipo de fluidos metamórficos) – e.g. Vetas Au-W
(Yacimientos metamorfógenos-hidrotermales)
Enriquecimiento de elementos y formación de yacimientos: Fluidos
Model for the Polaris deposit
•Source of metal ions within the
stratigraphic column
•Metals dissolved in brines in deep
aquifers (‚formation waters‘)
•Faulting causes fluids to rise and to
reach organic-rich limestone
•Bacterial or anorganic sulphate
reduction using C as reductant
•H2S is formed, CaCO3 is dissolved
•Metal-S-minerals precipitate
Fluidos diagenéticos
Sedimentos frescos: ~40% agua;
Durante diagenesis disminue
hasta a 1% de fluidos libres
(brines) Ejemplos: -
Esquisto de cobre Kupferschiefer
/Esquisto negro
- menas de Pb-Zn-
diagenéticos
Enriquecimiento de elementos y formación de yacimientos:
Aguas meteóricas descendentes:
Producen en roca cerca de la superficie
• Oxidación (Eh+)
• Procesos de disolución selectiva
• Transporte de materia
Resultado: Yacimientos de meteorizacón
Ejemplo: Lateritas
Enriquecimiento de elementos y formación de yacimientos: Fluidos
Solubilidad de SiO2 y Al2O3 = f(pH)
• Meteorización química
• Lluvias ácidas ?
• Disolución y neoformación de arcillas
• Diagrama de Temperatura-concentración (T-x, izq.) y de T-presión (T-p, der.) en un
sistema binario de componentes muy volátiles (A) y poco volátiles (B) (seg. Niggli).
El diagrama t-x muestra el aumento de la concentración relativa de las
componentes muy volátiles con T bajando por la precipitación de las componentes
menos volátiles. El diagrama T-p muestra el aumento simultáneo de la presión
interna, llegando a su máximo en el estadio pegmatítico-neumatolítico, y
reduciéndose después lentamente durante la condensación hidrotermal
.
Mineralizaciones Cornwall UK
Minería Pb, Sn, Cu desde la Edad de Bronce 2150 BC
• Cierre de South Crofty tin mine in 1998. Estaño y después cobre
• + arsenic, silver, zinc; kaolin
Mecanismos de deposición de soluciones hidrotermales en vetas izq.: la alta permeabilidad,
porosidad y reactividad química de calizas favorece la precipitación de mineralizaciones
(vea skarn); centro: cuando T y P baja, hay ebullición y se forma un horizonte de
mineralización; der.: la mezcla entre agua hidrotermal y soluciones de otro tipo (e.g. agua
meteórica) cambia el régimen químico (pH, Eh etc.) resultando en precipitación
Mecanismos de precipitación de
soluciones hidrotermales
Distribución de los 8 elementos más
abundantes de la corteza (wt% y vol%)
Formación de magmas
+T, - p depresuración, + H2O etc.=> -Tfus
Procesos de cristalisación - enriquecimiento de elementos
a
b c
a) Diagrama de fases (equilibrio!) para olivino
b) Cristalisación en equilibrio- intercambio químico entre fundido y sólido
c) Cristalización fraccionada (No-equilibrio!) – ningun intercambio químico
entre fundido y sólido / el sólido está separada continuamente del fundido
restante. Consecuencia: El cristalisado final es pura fayalita
Procesos de formación de yacimientos: Yacimientos magmatógenos
Diagramas de fases de forsterita
bajo diferentes p,T y fH2O
Serie de reacción de Bowen
Ambientes tectónicos para la
formación de magmas específicos
Procesos de cristalización - enriquecimiento de elementos
Desarollo de magmas durante cristalización fraccionada:
Magma cambia contunuamente su composición,
Fundidos restantes están enriquecidos fuertemente en elementos
incompatibles
Procesos de formación de yacimientos: Yacimientos magmatógenos
Filter pressing
Segregación Magmática
Cordillera Occidental
• Ni
• Cr
• Pt –
PGE,
• Cu
• Au
Diferenciación gravitativa – Formación de cumulados
Ejemplo: Muskox Intrusion, Cánada
En cumulados: Enriquecimiento de cromitas, PGE, sulfuros
Procesos de formación de yacimientos: Yacimientos magmatógenos
Diferenciación gravitativa – Formación de cumulados
Cumulados en sección delgada
Der: Capas de cromitas en An80
del Complejo Bushveld RSA
Dwars-River
Cumulados en campo
Procesos de formación de yacimientos: Yacimientos magmatógenos
• Cromitas
en
Peridotitas
• Medellin
Pentlandita (Ni, Fe)9S8 Sudburry
• Ni en Cerro Matoso
• 1) en olivinos (Mg, Fe, Ni)2SiO4
• 2) en lateritas: hidrosilicatos de Ni
Enriquecimiento de elementos
calcófilos por adición de S que
se expresan en la superficie
como empobrecimiento
Oceanic crustal architecture showing the main
types of ore deposits characteristic of this
environment. Only chromite and related deposits
(Cr–Ni–Pt) are related to igneous ore-forming
processes; VMS (Cu, Co, Zn) and sediment-
hosted deposits (Mn, Co, Ni) (de Robb 2005)
Procesos de formación de yacimientos: Yacimientos magmatógenos
Rocas magmáticas: ambiente oceánico
Arquitectura de corteza continental (incl. Corteza de arco de isla) con ambientes de
formación de rocas magmáticas y yacimientos relacionados
Rocas magmáticas: ambiente continental
Procesos de formación de yacimientos: Yacimientos magmatógenos
Fusión parcial lleva a enriquecimiento de elementos traza
• batch melting (equilibrio)
• partial melting (no-equilibrio –continuo transporte del fundido del sistema)
Factor decisivo para enriquecimiento de elementos: coeficiente de partición D
Ej.:
enriquecimiento de U en intrusion de
leucogranito, Rössing, Namibia
Procesos de formación de yacimientos: Yacimientos magmatógenos
¿De dónde parto? ¿Por dónde empiezo?
Necesitamos composiciones y coeficientes de distribución (reparto)
Coeficiente de distribución de Nernst
Concentración de elemento en un mineral
Concentración de elemento en el fundido
Kd =
Kd(Fe, Mg) =
(XFeOOL)
(XFeOLIQ)
*
(XMgOLIQ)
(XMgOOL)
Valores medidos: 0.19-0.21; experimental: 0.20
D (coeficiente de reparto global) = Suma ponderada de los Kds parciales de los minerales que están en equilibrio con
el fundido
Ejercicio: Calcular D para varios elementos a partir de análisis modales de una serie de rocas y datos de Kds de earthref. org
Matriz PL OPX CPX OX HBL BT QTZ AP Vacuolas
SAB-3 63,0 23,2 6,3 6,7 0,4 0,1 --- --- 0,3 ---
SAB-5 60,8 22,9 6,7 8,1 0,7 0,2 --- --- 0,6 ---
1-3 50,9 33,0 11,3 2,8 1,4 --- --- --- --- 0,6
19-5 48,6 38,6 7,0 3,8 2,5 --- --- --- --- ---
19-5r 53,6 32,8 7,9 4,1 1,1 --- --- --- --- 0,4
19-8 35,9 45,1 9,7 4,0 4,4 --- --- --- --- ---
4-2r 54,3 30,9 9,0 3,2 2,2 --- --- --- --- ---
4-2 50,6 30,6 10,0 1,8 1,4 --- --- --- --- 4,6
22-4 54,6 28,2 9,1 8,1 --- --- --- --- --- ---
17-3 59,5 29,3 5,6 5,3 1,0 --- --- --- --- ---
10-3 59,0 25,1 1,0 --- 1,2 12,7 0,1 --- --- ---
11-2 50,5 34,5 9,0 --- 1,9 1,0 --- --- --- ---
11-12 53,2 32,6 7,0 --- 2,0 4,5 --- --- --- ---
11-13 60,0 23,7 7,0 --- --- --- 13,4 2,6 --- ---
12-3 61,6 24,6 8,7 --- 1,4 2,7 --- --- --- ---
12-6 66,0 22,3 5,8 1,3 1,0 3,4 --- --- --- 0,2
15-3 53,6 30,6 10,9 --- 3,2 2,2 --- --- --- ---
15-3r 63,9 24,3 6,0 2,0 1,2 1,7 0,2 --- --- ---
16-4 89,2 8,6 1,1 --- 0,8 --- --- --- --- ---
16-6 63,7 24,9 1,2 --- 1,4 9,2 --- --- --- ---
17-6 59,7 25,8 3,4 --- 1,8 8,5 0,4 --- --- ---
18-4 53,5 31,0 4,2 --- 4,1 6,0 tr. --- --- ---
CG-3 56,1 26,2 4,7 --- 3,3 9,3 --- --- 0,6 ---
2-S-9 62,9 25,8 10,0 --- 1,9 7,0 1,5 0,1 0,4 ---
21-7 66,0 18,9 0,1 --- 0,5 10,7 --- 0,9 --- 2,9
21-10 65,5 13,0 0,0 --- 0,4 9,0 1,6 6,1 --- 3,6
Procesos de cristalización - enriquecimiento de elementos
Distribución de elementos trazas durante cristalización fraccionada:
Puede describirse como fraccionamiento Rayleigh
a) Elementos incompatibles (D sólido/fundido <1) se enriquecen extremamente en
cristalizados tardes/restantes
b) Elementos compatibles (D sólido/fundido >1) se encuentran en cristalizados tempranos
según sus coefficientes de distribucción, pero casi faltan en los cristalizados tardios
Procesos de formación de yacimientos: Yacimientos magmatógenos
Sulfuros masivos > 60% sulfuros. Productos: Zn, Pb, Cu; Au, Ag "by-products";
•Tenores Cu 1.4%-1.6%; Zn + Pb > 10% ; •10 to 500 Mt; a menudo en “clusters"
• Cu mundialmente: Pórfidos Cu (Chile!) (pórfidos en Col Au)
• En Col. Cu en SMV El Roble, Carmen del Atrato, inicio gossans Au!
Ambientes tectónicos de SMV Tipo Chipre: pirita, calcopirita lat.: “Ars cyprium”=> “cobre”, relacionado con ofiolita en
zonas de rifting.
Tipo Besshi: (Japón), similar, volcanitas máficas, pero con espesos sedimentos
arcillosas-arenosas y tobas.
Tipo Kuroko: Pb-Zn-Cu (Keiko Cu-Fe) dentro de sedimentos jóvenes y volcanismo
riolítico-andesítico dentro del lado interior de los arcos de isla de Asia Oriental.
Black Smoker y
corte por depósito
tipo Chipre
• Black smoker actual en:
http://www.youtube.com/watch?v=9c
-kGM-Iz_I&lr=1&feature=mhum
Black Smokers: Ore Factories of
the Deep:
https://www.youtube.com/watch?v=x
ywO4j7k2g8
Azufre
• Refinado de petroleo
• Volcánico Mina El Vinagre, 50 km Popayán,
Empresa Minera Indígena del Cauca, Emicauca
• Microorganismos encima de anhidrita
•
Liquación – Desmezcla de fundidos magmáticos (liquid immiscibility)
Diagrama de fases:
Bajo ciertas condiciones P-T
en sistemas magmáticos se
pueden separar 2 fundidos
Ejemplo:
• Vinagre-Aceite
• Fundido sulfúrico – fundido silicático
• Fundido carbonático - fundido silicático
• Fundido de óxido – fundido silicático
• fundido silicático rico vs. pobre en fluidos
Glóbulo de
sulfuro en
granito
Procesos de formación de yacimientos: Yacimientos magmatógenos
Liquación – Desmezcla de fundidos magmáticos
Ej:
Depósito de sulfuros
relacionado con rocas
magmáticas
Procesos de formación de yacimientos: Yacimientos magmatógenos
Tetraedro de basalto
El sistema Di-An-Ab
3 magmas: Si, O, S
• ET Eutéctico ternario, conode A-B,
• fundido X en P xx silicatos y óxidos, en ET
+ sulfuros
• Fundido Y en A fundido coexistente con B
Liquación – Desmezcla de fundidos magmáticos
Ejemplo: Lavas de óxidos asociadas con magmas
silicáticos
IOCG?
Volcan El Laco, Chile
Kirunavaara (Suecia)
etc.
Procesos de formación de yacimientos: Yacimientos magmatógenos
Procesos de cristalisación - enriquecimiento de elementos
Ejemplo para resultado de cristalización fraccionada: algunas pegmatitas de
granitos (cristalizados restantes con Nb, Ta, Li, B, Be, W, Sn, en partes con
granos gigantes)
Procesos de formación de yacimientos: Yacimientos magmatógenos
Yacimientos magmatógenos-hidrotermales:
Enriquecimiento de elementos por Fluidos
magmáticos
Diagrama de fases de agua
Agua:
• Punto crítico en 374°C, 221 bar
• Encima de estas condiciones:
Fluido supercrítico
Regla de fases de Gibbs
F = C - P+ 2 F grados de libertad (freedom)
C Componentes
P Phases
2 Temperatura y presión
Procesos de formación de yacimientos: Yacimientos magmatógenos
Phasendiagramm von H2O
wieviele Komponenten?
Propiedades de agua / fluidos calientes
a) b)
a) Densidades de fluidos y punto crítico. Encima de 374°C, 221 bar diferencia liquido-
gaseoso no tiene sentido
b) Densidad de agua (fl) y vapor (g) en dependencia de P y T.
Observación: Densidades de fluídos supercríticos menor que 1, mucho más liviano
que fundidos silicáticos
Procesos de formación de yacimientos: Yacimientos magmatógenos
Agua:
Alta solubilidad en magmas (hasta >10%)
En magmas subsaturados de fluidos:
Ningún fluido libre
Caminos para saturación en fluidos de
magmas:
• Cristalización de minerales
• Disminución de presión / ascenso
Sobresaturación de fluidos:
Produce desmezcla (Fundido/Fluido)
Terminus: ‘boiling‘ = ebullición
• Primary boiling: Por disminución de presión
• Secondary boiling: Cristalización progresiva
Consecuencias del boiling:
• Producción de una fase de fluido con tendencia de subir (Densidad!)
• Aumento del volumen del Magma – Expansión, Brecciamiento de la roca
encajante
•‘Hydrofracturing‘ de la roca encajante – Fracturas vetas, subverticalo
Formación de yacimientos: Yacimientos magmatógenos-hidrotermales
Zona con sobresaturacion de fluidos
/
boiling: área límite fundido con
magma ya solidificado
Sobresaturción de fluidos / boiling en una cámara magmática en proceso
de cristalización
Formación de yacimientos: Yacimientos magmatógenos-hidrotermales
Expansión de volumen del área sobresaturado de fluidos (hasta > 10%);
Formación de fracturas, pipas de brechas,
Resultado: áreas brecheadas permeables para fluidos, que posteriormente
pueden ser lixiviados o impregnados con menas metálicas
Formación de yacimientos: Yacimientos magmatógenos-hidrotermales
Distribución de elementos entre fluido desmezclado y fundido
Ejemplo Zinc: Distribución entre fluido (f) desmezclado y fundido (m)
en dependencia de la concentración de Cl- en el fluido
Más general: La solubilidad de metales en fluidos depende de la disponibilidad
de ligandes adecuados (Cl-, SO42-, HS- F- etc. )
Formación de yacimientos: Yacimientos magmatógenos-hidrotermales
Intrusiones en áreas del techo brecheadas por procesos de boiling: A menudo con
mineralización (Cu, Mo, W….) Importante: Distribución de elementos entre Magma-Fundido-
Fluido1-(Fluido2)
Formación de yacimientos: Yacimientos magmatógenos-hidrotermales
Ejemplos para yacimientos formados por procesos de boiling
a) porphyry-copper- depósitos:
Formación de yacimientos: Yacimientos magmatógenos-hidrotermales
Ejemplos para yacimientos formados por procesos de boiling
Pegmatita
Greenbushes Lithium mine, WA
con 50% Spodumen (LiAl[Si2O6]
(+Cuarzo, feldespato…)
Formación de yacimientos: Yacimientos magmatógenos-hidrotermales