SEMINARIO
BRECHAS HIDROTERMALES Presentado por
Dr. W.W. Atkinson, Jr., Dra. Milka Alexandra Skewes, y Dr. Charles Stern Departamento de Geología Universidad de Colorado en Boulder 5 al 7 de Noviembre del 2007
CIP - Lima Capítulo de Ingeniería Geológica
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CAPITULO I 1. Introducción. El seminario es dirigido principalmente hacia las chimeneas de brecha mineralizadas con cobre como se han minado en la cordillera de las Américas desde Alaska hasta Tierra del Fuego por más de un siglo. Hay muchos muy importantes, como las minas El Teniente, y Los Bronces-Disputada, las dos en Chile, y la mina Colorada en México. También importantes son brechas en depósitos de pórfidos cupríferos y molibdeníferos, como los de Toquepala, Cuajone y Quellaveco. De veras, son un aspecto importante de depósitos tipo pórfido mundialmente, y dan buenas oportunidades de blancos de alta ley para exploración. Fig. 1.24. Modelo esquemático de un depósito tipo pórfido, ilustrando las intrusiones, la alteración y las rutas de flujo hidrotermal. Seedorf, et al., 2006.
Aunque los autores no han mostrado chimeneas de brecha aquí, tenemos que referir a modelos de depósitos tipo pórfido de cobre como fuente de las brechas (1.24). Así tenemos este modelo para entender la mineralización y alteración dentro de las brechas. Primeramente vamos a considerar unas definiciones, conceptos, y clasificaciones propuestos por varios autores. La
3 palabra más problemática puede ser brecha, por las variaciones graduales hasta una roca que nadie considera como brecha. Todos son de acuerdo de que una brecha debe consistir en una roca de fragmentos, angulares, que son girados (o sean rodados, volteados) y cementados. En muchos casos hay un cambio gradualmente hacia fragmentos que no muestran ninguna rotación, y también a clastos que no son separados por mucha distancia, como menos de un milímetro. ¿Califica como brecha? Han inventado el término “crackle breccia” en inglés, para referir a una brecha sin mucha separación entre fragmentos. Se ha sido traducido como “brecha craquelada”. Podemos decir también “brecha fracturada”, o sea “brecha de ruptura”, los dos que no capturan el concepto bien. Todos son de acuerdo a que una brecha debe tener clastos angulosos. Pero encontramos que hay una graduación de redondeamiento. Desde bordes muy afilados hasta totalmente redondos. Entonces incluimos aquí como “brechas” chimeneas y diques con guijarros. Un aspecto importante que ayuda en adivinar el origen de una brecha y su favorabilidad es el modo de soporte de los clastos. Si no tuvieran soporte, los la fragmentos yacerían uno sobre el otro. Son soportados por tocar a los otros, o por materia más fina, usualmente un polvo de roca. Hablamos de soporte de clastos o de polvo de roca. En el caso de brecha soportado de clastos, hay mucho espacio abierto que puede ser mineralizado. Es una brecha favorable. La material entre los clastos es la matriz. Otro concepto es la dirección de movimiento de los clastos, arriba o abajo. Si subieron, principalmente fue por impulso de ebullición de vapor de agua magmática o agua meteórica calentada por intrusiones calientes. Este tipo de erupción produce una mezcla de los fragmentos, y si hay diferentes tipos e roca, son bien mezclados. Al mismo tiempo, hay mucha abrasión de los fragmentos para hacer un polvo de roca. Durante de este proceso, la mezcla de fragmentos y polvo de roca con vapor comporta como un fluido, un proceso que se llama “fluidización” (Fig. 1.32.). El fluido producido así sigue todas las fracturas suficientes abiertas para que pase. Muchos geólogos llaman a brechas de este tipo “brechas intrusivas” como si pudieran penetrar rocas como magmas. Pero es claro que pueden intruir fracturas, incluso las de estratificación. Si hay movimiento rápido como un fluido, de seguro habrá bajada igual que subida de clastos. Los clastos más grandes dentro de brechas de polvo de roca indican el efecto de la abrasión, que los hizo redondo. Pensamos en aguas pasando como chorros, haciendo un a propulsión muy veloz, como una explosión como observamos en el caso de los géiseres. Este es el ambiente de las diatremas.
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Fig. 1.32. Experimentos modelando fluidización. A.- Primera etapa, aire comprimido sube por fracturas y empieza a circular debajo de cavidades producidas por levantamiento. B.- Una célula ha llegado a la superficie. C.-Continuación de escape de gas y fragmentos construyen una orilla alrededor del cráter. Woolsey, et al. 1975.
Movimiento abajo también puede ocurrir como colapso. En este caso, no pueden los clastos subir sin ayuda de fluidos fluyendo arriba. En el caso de las chimeneas de brechas magmato hidrotermales, el movimiento es principalmente abajo, parece que refleja un proceso de colapso. Los espacios producidos por el proceso dejan mucho espacio abierto para rellenarse por minerales, como los sulfuros, y es responsable por depósitos muy ricos. La alteración hidrotermal depende del ambiente, y vamos a tratar de eso en el Capitulo II. Observamos en el caso de brechas magmato hidrotermales alteraciones como potásico, de feldespato potásico y biotita, sericítico, de pirita, sericita y cuarzo, argílica, de esmectita y caolinita, o propilítica, de clorita, epidota y otros minerales menores. La geometría tiene la forma de cilindros irregulares, hasta la forma de una zanahoria. En plano tienen muchas veces contornos de circulares o óvalos irregulares, pero muchas veces son muy irregulares, siguiendo fracturas. El origen de cuerpos de brecha es bien conocido en el caso de los diatremas y otros cuerpos con una matriz de polvo de roca (Figuras 1.25 -1.27, 1.29, 1.30). Ellos siempre tienen una fuente de calor, cual es una intrusión, y son abiertos a la superficie. Erupcionan como un géiser, depositando un halo de materia fina. El caso de brechas de relleno de espacios abiertos (magmato-hidrotermales, Figuras 1.28A, 1.29B, 1.32) es más problemático, porque se han observado sus raíces y sus techos sólo unas veces. Usualmente el cuerpo de mineral no llega al fondo de la brecha, y fue necesario que el techo se haya sido removido por erosión, o no se hubiera sido descubierto. Por eso han minado muchos sin descubrir su origen. Como vamos a ver, en unos casos, como en el caso del distrito de San Pedro de Cachiyuyo en Chile, han encontrado intrusiones en el fondo de las brechas, y un domo de roca encima, que refleja un origen de colapso. Las brechas magmático hidrotermales son asociadas a los depósitos de pórfidos cupríferosmolibdeníferos, formándose de un dedo de magma mineralizante viniendo del complejo de intrusiones.
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Fig. 1.25 Brechas freáticas de Corbett y Leach, 1998
Fig. 1.26 Brechas freato-magmáticas. De Corbett y Leach, 1998.
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Fig. 1.27 Ambientes de formación de Brechas. Corbett y Leach, 1998
Fig. 1.28A. Chimenea de Brecha, magmato-hidrotermal. Corbett y leach, 1998.
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Fig. 1.29 Modelo de un volcan de maar / diatrema. Baker, et al. 1986.
Fig. 1.30 Modelo de Brecha de explosión en fuentes termales. Baker, et al., 1986.
La teoría propuesta por Norton y Cathles (1973) es que los magmas responsables para las chimeneas intruye las rocas encajantes en una condición casi a saturación con agua (Fig. 1.31.). Durante su subida, llega al estado de saturación, burbujas de agua empiezan a subir por el columna de magma. Cuando llega el agua al cubre de la intrusión, juntan las burbujas para formar una cavidad cada vez más grande llena de agua salina, probablemente sobre crítica, que empuja el magma abajo, creando un espacio del tamaño de la intrusión. Después de un rato, la roca no pueda soportarse, y empieza a colapsar, creando una brecha. El agua salina está saturada con minerales, y empieza a mineralizar la brecha. Como vamos a ver, el proceso es un poco más complicado, que se habla cuando llegamos a las brechas de San Pedro. Hay varios otros tipos de brechas, cada uno que tiene su importancia en su ambiente. Brechas involucradas con fuentes termales y agua meteórica reaccionando con intrusiones forman diatremas y brechas freáticas. Hay varios tipos de brechas sedimentarias, como los de arrecifas en calizas, que son mineralizadas en los distritos de
8 depósitos tipo Mississippi Valley, y brechas dentro de brechas de cavernas en calizas mineralizadas en muchos distritos de Pb y Zn. Brechas de rocas ígneas no son mineralizadas comúnmente. En la superficie de la Tierra, no quedan muchas brechas de impacto más, peor deberían haber sido comunes en el pasado remoto, como atestigua los cráteres de la luna. Brechas de falla son muy comúnmente mineralizadas en vetas, pero no las tratamos en este seminario. Rocas volcánicas contienen una gran parte de sus volúmenes como brechas, pero usualmente no hay mucho espacio abierto para que no se encuentran muchos depósitos minerales en ellas. Un tipo de brecha que puede ser importante para nosotros es la de solución. En las fuentes termales se encuentra mucha evidencia de silicificación de rocas encajantes, y mucha evidencia de reducción del volumen de las rocas. Las cavidades restantes pueden servir como sitios de deposición de minerales económicos, como pirita aurífera, o cinabrio, en el ambiente de fuentes termales.
Fig. 1.31 Modelo de formación de chimeneas de brecha. Norton y Cathles, 1973.
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BRECHAS ASOCIADAS CON DEPOSITOS TIPO DE PORFIDOS CUPRIFEROS Y MOLIBDENIFEROS Y AURIFEROS Tabla modificada del Apéndice de Seedorf, Volumen de Geología Económica 100º Aniversario TIPOS DE BRECHA 1. Brechas ígneas cementadas (brechas de matriz ígnea) 2. Brechas con relleno de espacios abiertos, cementadas por fluidos hidrotermales (hidrotermalismo magmático, rellenando espacios abiertos de las brechas) 3. Brechas con matriz de polvo de roca débilmente cementadas (brechas de polvo de roca) 4. Brechas heterolíticas, con un subordinado componente juvenil, con soporte de matriz (heterolíticas, matriz de polvo de roca, interacción directa del magma y una fuente externa de agua, freatomagmática) 5. Brechas ricas con fragmentos juveniles predominantemente en clastos. (rica en clastos, explosiva, presencia de agujeros hacia la superficie) 6. Brechas de falla: Cuerpos tabulares de brechas con fragmentos angulares de roca en una matriz de roca fragmentada matriz pulverizada (Abajo tenemos varias categorías de rasgos de las brechas. Los números abajo refieren a los tipos listados arriba. Las categorías 3 y 4 arriba son básicamente el mismo tipo de brecha, en algunos casos vistas en diferentes niveles de exposición; esto nos pude dar principalmente sólo cuatro categorías: Ígneas, Magmática-hidrotermal, Freáticas, y de Falla. Tipo 5 no se encuentre mucho)
MATRIZ 1. Ígneas cementadas Sin polvo de roca o agujeros 2. Relleno de espacios abiertos Originalmente agujeros con cantidades variables de polvo de roca. 3. Polvo de roca variable y espacios abiertos; flujo bandeado. 4. Hetero. subord. comp. juvenil Polvo de roca de grano fino y componentes tufáceos juveniles (cuarzo roto y no roto, biotita, cristales de feldespatos) 5. Frag. juv. predom. Polvo de roca y abundantes componentes tufáceos juveniles, pómez. 6. Roca fragmentada, matriz <30%, puede tener estrías, agujeros locales. CEMENTO 1. Ígneas cementadas Cristalizado, sin rocas ígneas intrusitas. 2. Relleno de espacios abiertos, ganga y minerales de mena principalmente hidrotermal, algunos espacios pueden quedar abiertos después de la cementación.
10 3. Matriz de polvo de roca Generalmente inalterado, minerales hidrotermales (sulfatos, cuarzo) escasos. 4. Hetero. subord. comp. juvenil Espacios abiertos mínimos. 5. Frag. juv. predom. (¿ninguno?) 6. De falla Comúnmente ausente pero si presente, la brecha fue conducto para el flujo de un fluido durante o después de la formación. FRAGMENTOS Composición y Soporte 1. Ígneas cementadas Fragmentos de roca encajante comunes, soporte de matriz y clastos. 2. Relleno de espacios abiertos Comúnmente monolitológico (de la roca encajante); soporte de matriz y clastos. 3. Matriz de polvo de roca Heterolitológico a monolitológico; soporte de matriz y clastos. 4. Hetero. subord. comp. juvenil Rico en matriz (típicamente 50 – 90%); heterolítico; soporte de matriz y clastos de la roca encajante y juveniles, magma débilmente vesicular y pómez localmente. 5. Frag. juv. predom. Generalmente dominan los clastos, heterolíticos, fragmentos intrusivos (dacita, riolita) comunes; soporte de matriz y clastos. 6. De falla Roca encajante, soporte de matriz y clastos; matriz <30%
REDONDEAMIENTO 1. Igneas cementadas Angular a sub redondeados 2. Relleno de espacios abiertos Angular a redondeados, brecha de placas no es común. 3. Matriz de polvo de roca Angular a redondeados, son comunes los fragmentos exfoliados. 4. Hetero. subord. comp. juvenil Sub angular a redondeados, es común que esté pulimentado, fragmentos locales exfoliados. 5. Frag. juv. predom. Sub angular a redondeados, exfoliación localmente hipogénica. 6. De falla Angulares TRANSLACIÓN, ROTACIÓN Y TRANSPORTE 1. Ígneas cementadas (No dado) 2. Relleno de espacios abiertos Transporte de clastos ascendente o descendente, pero con un colapso común, no extrusivo. 3. Matriz de polvo de roca (No dado) 4. Hetero. subord. comp. juvenil (No dado) 5. Frag. juv. predom. (No dado) 6. De falla Generalmente trasladado y rotado.
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TAMAÑO DE LOS CLASTOS 1. 2. 3. 4. 5. 6.
Ígneas cementadas Variable, pero generalmente <10m Relleno de espacios abiertos >0.01 a <10m Matriz de polvo de roca <1m Hetero. subord. comp. juvenil Variable, pero generalmente <10m Frag. juv. predom. Variable De falla Generalmente <0.5m; se convierte en estrías si los clastos son <0.1mm
ALTERACIÓN
1. Ígneas cementadas Variable, pero generalmente es menor. 2. Relleno de espacios abiertos Variable y comúnmente intensa. 3. Matriz de polvo de roca En algunos casos inalterado, pero usualmente sericítica, argílica avanzada o propilítica. 4. Hetero. subord. comp. juvenil Menor: sericita, clorita, arcilla. 5. Frag. juv. predom. Variable, incluye potasio y sericita. 6. De falla Variable, pero por lo general está ausente o es menor.
CUERPO DE BRECHA Geometría 1. Ígneas cementadas Fragmentos irregulares, generalmente alrededor del margen de la intrusión. 2. Relleno de espacios abiertos Ovoide a irregular, tipo chimenea; en contacto con la roca encajante; la brecha desaparece rápidamente dentro de la roca encajante. 3. Matriz de polvo de roca Irregular en algunos casos; diques, sills y chimeneas en otros; puede envolver cuerpos intrusivos o estar controlado por fallas o planos de estratificación. 4. Hetero. subord. comp. juvenil Circular a ovoide, sub vertical a cuerpos en forma de túnel; contacto abrupto con la roca encajante; diatrema. 5. Frag. juv. predom. Ovoide en plano, sub vertical a cuerpo en forma de túnel; diatrema. 6. De falla Cuerpos tabulares, comúnmente inclinados. Tamaño del Cuerpo 1. Igneas cementadas Sobre los 100m. 2. Relleno de espacios abiertos >100 a < 1000m 3. Matriz de polvo de roca <500m 4. Hetero. subord. comp. juvenil Largos, con extensión lateral >1000m, y extensión vertical >100 a 1000m 5. Frag. juv. predom. >500 a < 1000m 6. De falla <50m
12 RELACIÓN CON EL SISTEMA PORFIRICO
1. Igneas cementadas No es el único para el sistema porfirítico; cerca de las paredes y techos de los stocks sub volcánicos; comúnmente pre mineral, estéril generalmente. 2. Relleno de espacios abiertos Se forma durante variadas etapas de mineralización; puede ser un buen anfitrión de minerales principales; grandes depósitos con zoneamiento vertical en algunos depósitos, desde una baja profundidad 3. Matriz de polvo de roca Por lo general de forma relativamente tarde en la evolución de sistemas porfirícos y comúnmente de la misma manera en diques estériles, decrece en abundancia en los sistemas; por lo general diluido en un grado hipogénico pre existente. 4. Hetero. subord. comp. juvenil Menos extenso que la actividad magmato hidrotermal y que las brechas freáticas; con excepciones, se forma por lo general relativamente tarde, y en algunos casos ocurre cerca de la periferia de los cuerpos de minerales, generalmente contiene clastos mineralizados y está diluido en un grado hipógeno. 5. Frag. juv. predom. Se forma en todas las etapas del sistema porfirítico, puede ser un buen hospedero de minerales. 6. De falla No es único para sistemas porfiríticos, pre-, inter- y post mineral; localmente puede ser anfitrión para mineral económico. Es importante para la localización de fallas, pude tener una importante influencia en la distribución de las características supergénicas. INTERPRETACION GENETICA 1. Igneas cementadas Fragmentación mecánica o hidráulica e incorporación de los clastos de las paredes debido al magma intruyente. 2. Relleno de espacios abiertos Expulsión de fluidos hidrotermales del magma; acumulación de fluidos encima de la intrusión, presionan el magma hacia abajo, o sea por los fluidos hidrotermales separados por ebullición del magma previamente introducidos. 3. Matriz de polvo de roca El calor de los fluidos hidrotermales en los poros y fracturas de la roca encajante produce una rápida explosión de los líquidos al vapor, resultando en un brechamiento; podría ocasionar una erupción, lo que es conocido como erupción freática, hidroexplosión, o erupción hidrotermal. Los fluidos magmáticos son requeridos para sericitización o alteración argílica avanzada. 4. Hetero. subord. comp. juvenil Productos hidromagmáticos formados por la interacción directa del magma y una capa externa de agua producen el brechamiento de la roca encajante y orificios debido a la explosión volcánica. 5. Frag. juv. predom. Expulsión explosiva de debris lítico, hundimiento, emplazamiento de domos; contraste con brechas magmáticas hidrotermales por las vesículas cerca a la superficie. 6. De falla Fallas relacionadas.
13 CATEGORÍAS GENÉTICAS COMPARABLES GENERICAMENTE A LOS DE SILLITOE (1985) 1. 2. 3. 4. 5. 6.
Igneas cementadas Intrusión de brecha Relleno de espacios abiertos Brecha magmática hidrotermal Matriz de polvo de roca Brecha freática Hetero. subord. comp. juvenil Brecha freatomagmática Frag. juv. predom. Brecha magmática De falla Brecha tectónica
VARIEDADES 1. Igneas cementadas (ninguna dada) 2. Relleno de espacios abiertos Variedades de alteración: Asociaciones potásicas Greisen de moscovíta Sericítica ± asociaciones silíceas ± turmalina Asociaciones argílicas avanzadas Asociaciones sódicas Asociaciones calcico – potásicas Asociaciones silicatos de calcio 3. Matriz de polvo de roca Cuerpos continuos; heterolítico, con comunes los clastos redondeados (diques de guijarros y chimeneas de guijarros); evidencia de un largo transporte (>1000m) de clastos. Cuerpos Irregulares; generalmente monolíticos; pequeña evidencia de un significante transporte de clastos. 4. Hetero. subord. comp. Juvenil: No dado 5. Frag. juv. predom. No dado 6. De falla No dado
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Tabla 1.1 Características de chimeneas de brecha, según Corbett y Leach, 1998.
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BOSQUEJO DE UNA HIPOTESIS DEL ORIGEN DE BRECHAS HIDROTERMALES (Fig. 1.33)Según ATKINSON 2007 Cuerpo mineral diseminado. Deposito de pórfido de cobre A. INTRUSIONES FORMANDO UN DEPOSITO TIPO PORFIDO DE COBRE
B. MAGMA RESTANTE CASI AL FINAL DE LA CRISTALIZACION, SALEN “DEDOS” DE MAGMA RESTANTE
C. MIENTRAS QUE ESTAN CRISTALIZANDO, BURBUJAS DE FLUIDO HIDROTERMAL SUBEN AL TECHO DE LOS DEDOS
D. EL FLUIDO ACUMULA EN LA CUMBRE DE LOS DEDOS Y EMPUJA EL MAGMA HACIA ABAJO
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E. LOS TECHOS COLAPSAN PARA FORMAR BRECHA. EL FLUIDO MINERALIZA LA BRECHA. FLUIDO CONTINÚA A MINERALIZAR LA BRECHA.
