YACIMIENTOS MINERALES MINERALES METALICOS (3155)
Prof. Sebastián Grande
Tema 2 FLUIDOS MINERALIZANTES Y YACIMIENTOS MINERALES 2.1 Fluidos mineralizantes mineralizantes y soluciones hidrotermales hidrotermales Los depósitos de minerales metálicos o no-metálicos son acumulaciones o concentraciones naturales de uno o más elementos químicos en lugares favorables y receptivos de la corteza terrestre. Su formación depende principalmente de la fuente geológica (roca) de la cual se derivan los elementos, de las características físicas y químicas de los fluidos presentes en el sistema, de la solubilidad y el comportamiento de los elementos transportados, de los modelos m igratorios que operan en la roca caja y de los tipos de depositación que se pueden lograr en un ambiente favorable. Para comprender los aspectos geológicos de los depósitos minerales se debe estudiar la naturaleza y la génesis de los procesos que contribuyen a la acumulación de una o más sustancias en cantidades y concentraciones tales de resultar económicamente explotables. Dado que las menas son transportadas y depositadas por fluidos, es de primordial importancia estudiar la naturaleza, origen y comportamiento de los mismos. Los fluidos mineralizantes pueden agruparse en las siguientes categorías: a) Los fluidos, soluciones acuosas y gases de origen magmático, magmático, incluyendo el magma como tal. meteórico-freático, incluso las aguas de b) Los fluidos, soluciones acuosas y gases de origen meteórico-freático, mina, las aguas lacustrinas en circulación profunda y todo tipo de aguas superficiales. c) Los fluidos y soluciones acuosas de origen marino, marino, en circulación convectiva profunda. d) Los fluidos, soluciones acuosas y gases fósiles, connatos o connatos o intersticiales. metamórfico. e) Los fluidos, soluciones acuosas y gases de origen metamórfico. Generalmente estas soluciones se presentan en la naturaleza de varias maneras, mezcladas o contaminadas por otros fluidos, tanto en la superficie como a profundidad, y pueden tener temperaturas de muy altas (700º C) a muy bajas (50º C), recibiendo el nombre generalizado de fluidos o solucion so luciones es hidrotermales (SHT). (SHT). Si estos fluidos con temperaturas muy elevadas sufren despresurización, hervirán y formarán vapores, que se consideran como fluid os neum atolítico s , cuyo comportamiento químico será igual al de los fluidos hidrotermales, más no su comportamiento físico, dado que el punto de ebullición del agua aumenta con la presión, y viceversa. La gran mayoría de las SHT son, en realidad, fluidos supercríticos; asimismo los gases y vapores licuados a altas presiones también se pueden considerar como una especie de fluidos hidrotermales. a) Fluidos de origen magmático El magma es roca fundida de composición generalmente silicatada que se genera naturalmente en la corteza inferior o en las partes más someras del manto superior. Éste tiene la posibilidad de intrusionar la corteza terrestre enfriándose lentamente, o de ser erupcionado a la superficie, donde se solidifica rápidamente; la solidificación de un magma en el interior de la corteza tarda varios millones de años, pero un flujo de lava lo hace en pocos días. La actividad ígnea ha generado la mayor parte de la corteza continental y los fondos abisales. Los magmas no tienen composición homogénea, algunos contienen componentes félsicos y gases volátiles y presentan una gama composicional que va desde ultramáficos (komatitas, kimberlitas), a máficos (basaltos y basanitas), intermedios (andesitas, latitas, tefritas), a félsicos (dacitas, riolitas, traquitas, fonolitas). Durante el proceso de enfriamiento los magmas tienden a dividirse en fracciones de composición muy distinta: diferen ciación mag mática . A veces las fracciones más densas y ricas en metales pesados precipitan bajo la acción de la gravedad hacia el fondo de la cámara magmática dando origen a yacimientos de notable importancia formados por asentamiento de cristales en los cuales se encuentran notables depósitos de Cr, Fe, Ti y V. Otras veces las fracciones están constituidas por líquidos por líquidos inmiscibles de composición sulfurosa, oxigenada, fosfática o carbonatítica, que a menudo concentran metales preciosos (PGE-Au; PGE: platinum group elements, o metales del grupo del platino: Pt, Ir, Os, Pd, Rh y Ru.), raros (Nb, Ta, T.R., Zr), de importancia estratégica (U, Th) o industriales (Ni, Cu, Ba, Sr).
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Los minerales magmáticos cristalizan cuando su concentración en el fundido supera su solubilidad relativa a la temperatura y presión reinantes. En general, los minerales cristalizan de acuerdo a las series de cristalización de Bowen o de Fenner (calco-alcalinas y tholeíticas, respectivamente), aunque éstas no son las únicas posibles. Los primeros cristales que precipitan en la serie de Bowen son los minerales accesorios: apatito, circón, ilmenita, magnetita y espinela. Siguen en orden de temperatura decreciente: olivinos, piroxenos, plagioclasas cálcicas, hornblenda, plagioclasas sódicas, feldespatos potásicos, micas y finalmente el cuarzo. Está claro que el fraccionamiento procede debido a la continua sustracción de los componentes ferromagnesianos y cálcicos del líquido magmático, que causa un enriquecimiento indirecto de los componentes félsicos, que tienden a cristalizar temperaturas más bajas. La migración hacia el techo de la cámara de elementos livianos origina concentraciones de sílice, álcalis, Be, Li, B, P, F, etc. Los líquidos residuales cargados de aquellos elementos que debido a su carga y/o tamaño iónico no han podido entrar en los retículos de los minerales ya formados pueden acumularse en la periferia de los plutones originando soluciones o vapores neumatolíticos y pegmatíticos, ricos en elementos volátiles y elementos raros (Nb, Ta, T.R., Li, Be, Zr, U, Th). Estos fluidos o vapores pueden ser inyectados a través de fisuras y a través de los poros de la roca caja y cambian radicalmente las condiciones fisicoquímicas presentes en el ambiente de depositación. Elementos como el Si (como gel del sílice), Na, K, F, B, P, T.R., S, Cl, H, Hg, As, Rb, Cs, Be, Li, U, Th, Zr, etc., tienden a formar minerales particulares, algunos constituyen la principal fuente de ciertos elementos de uso industrial o radioactivos. Los minerales que se forman a altas temperaturas y/o grandes profundidades reciben el nombre de primarios o h ip o g é n ic o s , mientras que aquellos formados en o cerca de la superficie debido a la alteración de los minerales primarios, se denominan secundarios o s u p er g é n ic o s . Casi todos los magmas inyectados en la corteza terrestre contienen una fracción volátil, compuesta mayormente (más de 90% en volumen) por H 2O (v). Enormes cantidades de gases y vapores son liberadas de los centros magmáticos alterando las rocas superficiales, sustituyendo o remplazando los minerales presentes con nuevos minerales más estables a esas condiciones más superficiales. Los análisis químicos efectuados a fluidos HT (aguas termales) y a las inclusiones líquidas contenidas en minerales de formación HT demuestran que, a parte del vapor de agua mayoritario, existen CO 2, H 2S, HCl, HF, H3BO3 y P 2O5, entre otras sustancias volátiles. Los minerales magnetita, hematita, molibdenita, pirita, galena, covellina y minerales de U, Pb, Ni, Co, Mn, Th y Bi han sido hallados finamente diseminados en las rocas circundantes a grandes centros magmáticos y los batolitos graníticos. En muchos casos los fluidos o soluciones emitidos durante la cristalización se mezclan con soluciones relativamente frías derivadas de la infiltración y circulación subterránea profunda de aguas meteóricas o freáticas (Fig. 2-1). Las variables T y P juegan un papel primordial en la depositación de las menas. Una disminución de temperatura debida al ascenso de los fluidos mineralizantes puede provocar la precipitación de minerales adaptados a esas nuevas condiciones, mientras que una disminución de P debida a la fuga de vapores o gases puede causar una pérdida de CO 2, favoreciendo la precipitación de carbonatos y otros minerales. La fuga de vapores en una cámara además puede bajar la temperatura y favorecer la sublimación de cristales a lo largo de fisuras y chimeneas volcánicas, o podrá expulsar estos gases en forma de fumarolas superficiales, fuentes termales, géiseres, etc. Bajo el punto de vista químico las SHT magmáticas son generalmente ácidas, casi neutras. Al descender su temperatura ocurre la disociación del HCl, con lo que aumenta su acidez y se favorecen reacciones químicas ulteriores, en especial las de alteración de la roca caja. b) Fluidos de origen meteórico Estos son particularmente importantes en los procesos de alteración superficial. Se originan en la atmósfera como producto del ciclo hidrológico (Fig. 2-1) y se infiltran en el subsuelo a través de las fisuras de las rocas. La velocidad de percolación depende de muchos factores petrofísicos, pero sobre todo del grado de saturación, de la permeabilidad y de la porosidad de las rocas. Los fluidos meteóricos tienden a desplazarse en el subsuelo siguiendo canales naturales, generalmente intergranulares. A veces su recorrido se facilita por la presencia de cavidades producidas en las rocas más profundas por disolución diagenética de sus granos minerales (porosidad secundaria). A medida que estas aguas descienden a niveles más profundos tenderán a asumir la T y P existentes en esos lugares y se calentarán notablemente debido al gradiente geotérmico (éste es variable en diferentes partes de la corteza terrestre alcanzando valores mínimos de 6°C/km y máximos de hasta 130°C/km (se considera normal o promedio un gradiente entre 25-30°C/km).
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Cuanto más se calienten estas aguas tanto mayor será su capacidad de disolver sustancias minerales, de modo que estos fluidos constituirán SHT capaces de transportar gran cantidad de metales. Cuando estas aguas ascienden luego de haber circulado a profundidad disolviendo metales, tenderán a equilibrarse nuevamente con los ambientes superficiales depositando su carga metalífera. En muchos casos es imposible distinguir entre aguas meteóricas HT y fluidos magmáticos HT, sólo el análisis de isótopos estables puede dar indicios fidedignos para establecer la verdadera naturaleza de los mism os. Las aguas meteóricas contienen los principales elementos presentes en la corteza. Además se caracterizan por estar levemente empobrecidas en isótopos pesados ( 18O, 2H) ya que éstos debido al proceso de evaporación tienden a concentrarse en las cuencas oceánicas. Como se muestra en las figuras 2-1 y 2-2. Los fluidos HT meteóricos tienen una fuerte tendencia a mezclarse con fluidos de origen magmático o metamórfico, formando depósitos minerales en los frentes de contacto o de mezcla. Otras veces las aguas meteóricas generan procesos químicos particulares que permiten la depositación de menas en frentes de óxido-reducción (yacimientos de U sedimentario en areniscas fluviales).
c) Fluidos de origen marino El mar es el más grande reservorio superficial de agua líquida del planeta, y posiblemente del sistema solar. Los océanos de la Tierra son únicos en todo el universo conocido y cubren el 70% de su superficie. Se sabe que en los fondos marinos ocurre una intensa actividad magmática, caracterizada por un vulcanismo predominantemente basáltico, como el que se presenta en las dorsales centroceánicas e islas oceánicas, aunque a veces puede ser más félsico, andesítico, como el que se presenta en arcos volcánicos submarinos. El agua marina en el fondo abisal es muy fría, su temperatura es de 0-2º C y contiene hasta 30-35 g/lt de sales disueltas, siendo una solución químicamente muy activa. En los centros de vulcanismo submarino la corteza se halla fracturada a varios niveles hasta 6-7 km de profundidad por debajo del suelo marino, constituyendo un gigantesco “acuífero” submarino. Además, éstas son zonas de elevado gradiente geotérmico, de 45-130ºC/km, por consiguiente el agua que se infiltra no sólo es químicamente activa, sino que se calienta a pocos km de profundidad a 300-400ºC o más, constituyendo un tipo muy especial de SHT con salinidad de más de tres veces la del mar. Dichas salmueras son capaces, a medida que profundizan y se calientan en el interior de la corteza, de disolver los metales traza que se hallan dispersos en enormes volúmenes de rocas volcánicas submarinas y una vez que comienzan su ascenso hacia la superficie, al perder temperatura y alcanzar ambientes más oxigenados en el fondo marino, precipitan toda su rica carga metalífera, en forma de sulfuros o sulfatos de metales pesados, óxidos de Mn-Fe y otros minerales. El proceso ha sido visto y filmado con cámaras de vídeo submarinas en muchos lugares del fondo marino, tanto del océano Pacífico, como del Atlántico o del Indico. No sólo esto, sino que son frecuentes los depósitos de minerales formados por este proceso (vulcanogénicos) en rocas fanerozoicas, proterozoicas y hasta arqueanas. Se especula que la máxima intensidad de estos procesos ocurrió precisamente en las épocas más remotas de la historia terrestre, cuando los gradientes geotérmicos eran más elevados y los océanos cubrían aún mayores extensiones de la superficie terrestre que las actuales. Es tan común este mecanismo convectivo que se cree que pudo o puede estar operando hasta en el planeta Marte y en el satélite Europa, de Júpiter, en el fondo de un profundo océano subglacial. d) Fluidos de origen formacional (connatos o fósiles) Las aguas intersticiales atrapadas en los sedimentos durante la depositación se denominan fósiles o connatas si permanecen en los poros de la roca durante mucho tiempo. Estas aguas son frecuentemente halladas en las perforaciones de pozos de petróleo profundos, siendo muy ricas en NaCl, Mg, Ca, Ba y Sr. Cuando ocurren procesos de cementación de poros o compresiones diagenéticas y tectónicas se notará una rápida deshidratación de las rocas madre (lutitas negras) con el cierre de los poros y la expulsión de las aguas formacionales intersticiales, las cuales migrarán hacia sitios favorables, generalmente acarreando hidrocarburos, pero también pueden contener apreciables cantidades de metales pesados en solución. Igualmente, si estas aguas se hallan a grandes profundidades son indistinguibles de otras SHT de diversos orígenes y pueden llegar a contener una gran carga metálica. Durante su migración, la cual puede ser coadyuvada por esfuerzos tectónicos regionales, pueden ser entrampadas estructuralmente, depositando su carga mineral en sitios favorables, a menudo con la intervención de organismos bacteriales anaeróbicos. Son frecuentes en las menas sedimentarias o diagenéticas las llamadas texturas framboidales (como de microscópicas moras o frambuesas) debidas a la acción de bacterias de forma esferoidal, de tipo estrepto o estafilococos.
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e) Fluidos de origen metamórfico En circunstancias favorables, las aguas meteóricas connatas contenidas en las rocas profundamente soterradas pueden ser químicamente reactivadas y vueltas a poner en circulación por intrusiones ígneas o por metamorfismo regional. Soluciones HT de origen mixto pueden ser recirculadas a través de sistemas hidráulicos profundos. Grandes cantidades de agua y otros fluidos son expulsados a medida que el metamorfismo prograda de facies de bajo grado a facies de alto grado, puesto que en estas últimas las rocas (granulitas y charnockitas) se encuentran prácticamente deshidratadas. Las SHT de origen metamórfico regional parecen moverse paralelamente al gradiente geotérmico local, avanzando centrífugamente a partir del centro de máximo metamorfismo (facies granulita). Por lo tanto éstas tienen la capacidad de concentrar elementos particulares en zonas periféricas, de grado metamórfico más bajo (facies anfibolita o esquistos verdes). En general las SHT metamórficas son de origen mixto y contienen concentraciones anormales de Cu, Ag, K, Li, Sn, Pb, Zn, B, Be, Ga, Au, U, SiO 2, etc. Datos de campo demuestran que las rocas atravesadas por estos fluidos han sido sustancialmente modificadas, algunas han sido silicificadas totalmente, otras han sufrido otros cambios metasomáticos.
Fig. 2-1 Ciclo hidrológico esquematizado. El oxígeno se compone mayoritariamente de dos isótopos, con masas atómicas de 16 y 18, el hidrógeno de dos isótopos con masas 1 y 2. Los isótopos de un mismo elemento no se comportan idénticamente durante los procesos físicos o químicos que tienen lugar en el ciclo hidrológico. El oxígeno liviano, 16O y el hidrógeno 1H tienden a enriquecerse debido a su liviandad en el vapor de agua generado durante la evaporación, estando enriquecidos el agua meteórica y el hielo glacial en estos isótopos livianos; todo lo contrario, el agua oceánica tiende a enriquecerse en isótopos pesados, como 18O e 2H. La importancia de los fluidos meteóricos y marinos ha sido reconocida sobre todo en las últimas décadas, en especial la de los fluidos marinos ha sido invocada en numerosos modelos de formación de depósitos de sulfuros masivos vulcanogénicos generados por actividad hidrotermal submarina en forma de chimeneas hidrotermales, como la que ocurre actualmente en los valles axiales de las dorsales centroceánicas. Modificado de Sassano y Cárcano (1988).
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Fig. 2-2 Relación esquemática entre los ciclos geológico e hidrológico. M-E-T: Meteorización-ErosiónTransporte. La compleja relación entre el ciclo geológico y el hidrológico involucra la generación y movimiento de fluidos a distintos niveles dentro de la corteza, aunada a la emisión de energía térmica durante los procesos intrusivos, o debida a elevados gradientes geotérmicos locales. Los conceptos más modernos engloban bajo el término “fluido hidrotermal” todo fluido acu oso caliente y móvil que circule dentro de la corteza terrestre, y hasta aquellos que son expulsados a la superficie en fuentes termales y géiseres. Por lo tanto los fluidos connatos, metamórficos, hidrotermales sensu stricto , magmáticos, y las aguas termales se consideran todos como fluidos hidrotermales sensu lato . El ambiente más superficial, controlado por la energía solar, manifestada como clima y temperatura ambiente, y por la gravedad se denomina EXOGÉNICO, mientras que el ambiente más profundo, controlado por la energía interna de la Tierra y la presión litostática, incluyendo la energía térmica de las intrusiones ígneas, y que abarca desde pocos km de profundidad hasta la base de la corteza continental es el ENDOGÉNICO. La profundidad donde el ambiente exogénico deja de ser tal ha sido objeto de numerosas controversias, un valor promedio podría estar entre los 2-3 km, pero varía de acuerdo al marco tectónico global y el gradiente geotérmico local. Es obvio, dados los procesos mostrados de orogénesis, vulcanismo, plutonismo, actividad hidrotermal, diagénesis, metamorfismo y anatexis, que la zona esquematizada en este corte, y en el de la figura 2-1 anterior, debe corresponder a un límite convergente de placas, tipo arco volcánico maduro o margen activo. La figura no está dibujada a escala. Tomado y modificado de Sassano y Cárcano (1988).
