U N I V E R S I D A D D E C O N C E P C I N DEPARTAMENTO DE CIENCIAS DE LA TIERRA

10 CONGRESO GEOLGICO CHILENO 2003

COPPER PITCH Y COPPER WAD: CONTRASTE ENTRE LAS FASES PRESENTES EN LAS CABEZAS Y EN LOS RIPIOS EN PRUEBAS DE LIXIVIACIN DE MATERIALES DE MINA SUR, CHUQUICAMATA.

PINCHEIRA, M.*, DAGNINO, A.**, KELM, U.*, y HELLE, S.*

*Instituto de Geologa Econmica Aplicada GEA, Universidad de Concepcin, Casilla 160-C, Concepcin 3, Chile. mpinchei@udec.cl ** Superintendencia General de Operaciones, Gerencia Hidrometaluga Sur, Codelco Norte, Divisin Chuquicamata, Chuquicamata, Chile RESUMEN El presente estudio aporta nuevos antecedentes mineralgicos, texturales y composicionales de las fases copper pitch y copper wad del yacimiento de cobre extico Mina Sur en Chuquicamata. Se propone el nombre de Silicato de Cobre Negro (SCN) para denominar a ambos mineraloides, los cuales de acuerdo a estudios con el TEM revelan una estructura no cristalina y muestran composiciones (EPMA-EDAX) que no difieren sustancialmente entre s. Estos estudios revelan concentraciones variables de Cu, Mn, Fe, Al y Si, presentes como elementos mayoritarios, acompaados por un conjunto de elementos en traza que incluyen: Ca, Na, K, Mg, S, P, Cl, Mo, Co, Ni, As, Zn, Pb, U y V. Considerando los contenidos relativos de Cu-Mn-Fe, el SCN muestra dos miembros diferenciables, uno rico en Mn con contenidos relativamente altos de cobre y otro rico en Fe relativamente pobre en Cu. Por ltimo se establece la importancia que tiene el SCN como fase refractaria a la lixiviacin, presente en los ripios como granos monominerales y en texturas de oclusin, principalmente como relleno de fracturas en ganga y como reemplazo parcial y a lo largo del clivaje en las biotitas. INTRODUCCIN En Chile son numerosos los ejemplos de yacimientos con zonas de oxidacin que han generado zonas de enriquecimiento supergnico, siendo frecuente el desarrollo de cuerpos adyacentes de mineralizacin extica de cobre. La explotacin de estos yacimientos mediante mtodos de lixiviacin en pila, requiere una cabal comprensin de la mineraloga de los minerales oxidados de cobre, de la zonacin del depsito y de la qumica mineral. El presente trabajo se enmarca en la investigacin que se realiza para optimizar la recuperacin del cobre soluble asociado a gravas mineralizadas en Mina Sur, el yacimiento extico asociado con el yacimiento de Chuquicamata. El nimo de este trabajo es aportar nuevos antecedentes mineralgicos, texturales y composicionales de las fases mapeadas corrientemente como copper pitch y copper wad en el yacimiento.

Todas las contribuciones fueron proporcionados directamente por los autores y su contenido es de su exclusiva responsabilidad.

MARCO GEOLGICO Los procesos secundarios ligados a la formacin de depsitos de cobre extico, se han desarrollado en numerosos sectores aledaos a los prfidos cuprferos andinos. En todos ellos el Cu es extrado por fenmenos de oxidacinlixiviacin superficial desde una fuente primaria rica en sulfuros y es transportado lateralmente por soluciones cidas y posteriormente precipitado en ambientes de Eh y pH favorables. En Chile se conocen depsitos explotables de este tipo en Mina Sur en Chuquicamata, en el yacimiento Damiana asociado a El Salvador y en Huinquintipa ligado al yacimiento de Collahuasi. El yacimiento Mina Sur actualmente en explotacin, se ubican inmediatamente al sur del yacimiento de Chuquicamata, en una paleoquebrada de direccin SE que nace en el cuerpo central del porfdo cuprfero y se extiende hacia el sureste 8 km. La mineralizacin de mayor importancia econmica se deposita entre los 2 y 6 km del yacimiento madre, formando un cuerpo lenticular y sinusoidal con anchos variables entre 400 y 200 m y potencias de 60 a 40 en la parte distal (Mnchmeyer, 1996). En la actualidad se explotan recursos con una ley de 1,06% de Cu, para una ley de corte de 0,2% Cu. Se estima que el depsito se form por la removilizacin de unos 3,6 millones de toneladas de cobre metlico a partir de la zona de enriquecimiento secundario de Chuquicamata. La mineralizacin de cobre est compuesta principalmente de crisocola, atacamita y fases negras mapeadas tradicionalmente como copper pitch y copper waden el yacimiento. Los minerales de mena forman el cemento en la parte basal de un conjunto de gravas depositadas en un paleocanal y tambin se encuentran presentes como relleno de fracturas en las rocas metamrficas paleozoicas del basamento subyacente. El lente mineralizado se encuentra cubierto por una secuencia de grava estril de espesores variables entre 120 y 200 metros. Los intrusivos y rocas metamrficas del zcalo de la zona mineralizada, estn afectadas por alteracin propiltica premineralizacin y tambin por alteracin arglica asociada a la mineralizacin exgena. La distribucin de los oxidados de cobre muestra una clara relacin con la alteracin, de modo que en rocas propilitizadas predomina crisocola y el copper pitch por sobre atacamita, en cambio en sectores argilizados predomina atacamita y el copper wad. La alteracin y la mineralizacin de cobre ocurren prcticamente en forma contempornea con la depositacin de las gravas. Dataciones 40Ar/39Ar (Mote et al. 2001), indican una edad de 17,03 0,03 Ma, para la mineralizacin extica en Mina Sur. La gnesis del yacimiento Mina Sur se encuentran ligada a varios escurrimientos laterales y superficiales de soluciones cidas cuya intensidad y concentraciones de cobre fueron variables en el tiempo y se encuentran relacionadas a los procesos de lixiviacin y enriquecimiento supergnico del prfido cuprfero Chuquicamata. MTODO DE TRABAJO Las muestras provienen de campaas de sondaje en el sector ubicado entre el rajo de Chuquicamata y la parte central de la Mina Sur. Estos materiales mineralizados fueron sometidos a diversas pruebas de recuperacin metalrgica. Se estudiaron numerosas muestras provenientes de testigos de sondajes, muestras de cabeza y de ripios. En ellas se realiz una completa caracterizacin geometalrgica utilizando estudios de microscopa ptica, difraccin de rayos X (DRX) , fluorescencia de rayos X (FRX), anlisis qumicos va hmeda (AAS), microsonda

electrnica (EDS), microscopa de transmisin (TEM), y espectroscopa infrarroja (IR). Todos los anlisis salvo los dos ltimos fueron realizados en los laboratorios del Instituto de Geologa Econmica Aplicada GEA de la Universidad de Concepcin. MINERALOGA, ZONACIN Y PARAGNESIS Los gelogos de la mina han mapeado tradicionalmente como copper wad y copper pitch, un silicato hidratado de manganeso y hierro rico en cobre, de color negro, que ocurre en masas botroidales, compacto o terroso, tambin como relleno de fracturas o como cemento en las gravas. Cuando aparece solo y muestra hbito terroso se denomina wad, si est asociado con crisocola se le denomina pitch o black chrysocolla. Otros constituyentes menores son pseudomalaquita, brocantita y atacamita. En sectores de oxidacin superficial sobre el cuerpo de Chuquicamata han sido descritos adems turquesa, chalcantita, krhnkita, antlerita y sampleita (Rojas, 1999; en Chvez, 2000). En las rocas intrusivas del zcalo, se observa un intenso fracturamiento, que fue aprovechado por las soluciones portadoras de cobre para depositar mineralizacin coloforme de crisocola. Esta se presenta con intercalaciones de copper pitch y pseudomalaquita. Venillas de atacamita y brocantita, acompaadas por anhidrita, cortan la mena coloforme y forman episodios posteriores de removilizacin del cobre, probablemente a causa de variaciones locales en el Eh y pH (Tabla 1). En las gravas mineralizadas, la mena esta formada principalmente por crisocola y copper pitch, localmente son importantes adems la atacamita, brocantita y pseudamalquita.

Mineraloga de mena y ganga

Etapa magmtica

Etapa de alteracin pre-mineral

Etapas de alteracin y mineralizacin extica

Plagioclasa Venillas

Hornblenda Reemplazo

Biotita Remplazo

Cuarzo Venillas

Sericita

Arcillas Reemplazo

Epidota

Clorita

Crisocola

Pseudomalaquita

Copper Wad -Pitch

Venillas

Brocantita

Atacamita

Anhidrita

Limonita-(Cu)

Arcillas-(Cu)

Tabla 1: Posicin paragentica de la mena y ganga en rocas mineralizadas del zcalo intrusivo Paleozoico.

Los minerales de ganga asociados a la mineralizacin, muestran texturas de reemplazo, donde las anfibolas y biotitas primarias son reemplazadas por copper pitch o bien fracturas en cuarzo y plagioclasa argilizada son rellenadas con estas fases ricas en cobre, formando frecuentes texturas

de oclusin. Las biotitas son notablemente afectadas por el pitch y wad, desarrollando texturas de reemplazamiento en los bordes y en los planos de clivaje (Fig. 1). El grado de reemplazo est probablemente relacionado con un intercambio diadcico entre el Mg 2+ y el Cu 2+ que muestran prcticamente el mismo radio inico.

A

CD

B

SCN en clivaje

SCN

Vetillas de SCN

Figura 1: Texturas de oclusin en ganga silicatada. A: Cuarzo, B: Feldespato argilizado, C: Anfibola parcialmente cloritizada y D: Biotita parda con fracturas, clivaje y zonas irregulares con copper pitch. Luz transmitida, 10 x 20, Nic. //. Base imagen aprox. 20 m. En observaciones bajo el microscopio de muestras de ripios, donde cabra esperar una completa disolucin de la mena de cobre soluble, se constata una alta frecuencia de granos monominerales de pitch o wad, as como la presencia de texturas de oclusin de estas fases en materiales de ganga, particularmente como re etillas. En estas fases residuales ricas en cobre y en algunos minerales de arcilla , se concentra la mayor parte del cobre soluble, refractario a la lixiviacin. En los siguientes puntos nos referiremos solo al problema planteado por el copper pitch y copper wad. CARACTERSTICAS FICAS Las observaciones con observacin de defectdeterminacin de la crdifraccin. La tcnica umximo), y su posteriorvaco a un haz de electro Las fases de copper piveces), muestran estrucacuerdo a las imgenesCRISTALOGR

TEM revelan detalles estructurales, tiles en el anlisis cristalogrfico, os cristalinos, formacin de cristales a nivel de celda unitaria, istalinidad o carcter amorfo del material ravs de imgenes de tiliza impregnacin de partculas de inters resina (

vislumbra en el anlisis bajo el microscopio ptico, donde se aprecian texturas coloforme con un bandeamiento fino homogneo e istropo a nicoles cruzados. Estudios efectuados con imgenes composicionales con la microsonda electrnica tambin muestran detalles de este bandeamiento, (Fig. 3). Todos estos antecedentes muestran una estructura interna no cristalina para ambas fases, muy similar a la que presenta la crisocola, siendo en rigor un mineraloide. Los resultados de la espectroscopa infrarroja (IR) confirman la similitud con la crisocola, revelando adems que ambas fases, corresponden a silicatos de estructura trioctadrica semejantes a la esmectita.

++

+

+

1

2

3

4

Figura 2: Imagen TEM en preparacin con copper 3 y 4 filosilicatos. Magnificacin x 75.000. A-Imglos puntos 1 y 2. COMPOSICIN DEL COPPER PITCH Y COBarridos por FRX practicados en algunas muestrpitch y wad, previamente separado en forma mcompleja composicin para estas fases. En efecto, que incluye Si, Cu, Mn, Fe, Al como elementopresentes con intensidad variable (cuentas por seguNa, K, Mg, S, P, Cl, Mo, Co, Ni, As, Zn, Pb, U y V Awad y filosilicatos. Puntos 1 y 2 copper wad; en de difraccin del copper wad, amorfo en

PPER WAD as de testigos con abundante mineralizacin anual bajo la lupa binocular, muestran una ambos presentan una composicin elemental s mayoritarios y un conjunto de elementos ndo en lneas K) entre los cuales estn Ca,

.

SCN-coloforme

100 m

SCN -coloforme

Figura 3: Imagen microscopia ptica, 10x20 Nic. // y composicional (EPMA-BEI) del bandeamiento coloforme del SCN en un grano en ripio.

Muestras de pitch y wad tambin fueron analizadas por AAS y con microsonda electrnica (EDS). Los resultados obtenidos revelan que no existen diferencias significativas en la composicin de ambas fases que justifiquen su diferenciacin en el mapeo. Estas fases, mejor descritas como un silicato de cobre negro (en adelante SCN) estn formadas principalmente por miembros ricos en Mn (SCN-Mn) y con menor frecuencia por miembros ricos en Fe (SCN-Fe). Los contenidos de cobre son variables, con valores mnimos del orden de 1% Cu y mximos de hasta 54 % Cu. La pregunta central, del porqu una considerable cantidad de este material no es solubilizado durante las pruebas de lixiviacin, tiene probablemente que ver con la estructura proto-cristalina que pueda adoptar esta fase inicialmente depositada como un gel amorfo.

EL SILICATO DE COBRE NEGRO EN LAS CABEZAS El diagrama ternario Cu-Fe-Mn (Figura 4) que agrupa los elementos mayoritarios en el SCN en las cabezas, muestra bien diferenciados los dos grupos composicionales, uno formado por SCN ricos en Mn, con contenidos relativamente altos de cobre y bajos de hierro, y otro grupo formado por SCN ricos en hierro, con una amplia distribucin de valores de manganeso, pero por lo general pobres en cobre.

Figura 4: Diagrama ternario Cu-Fe-Mn para el SCN en las cabezas: El campo de los SCN-Fe muestra la mayora de los puntos en el extremo rico en Fe. EL SILICATO DE COBRE NEGRO EN LOS RIPIOS Las fases de silicatos de cobre negros son, salvo algunas excepciones, los nicos materiales de mena ampliamente distribuidos en los ripios. Estos estn presentes en forma de granos monominerales liberados, como en forma de microvetillas ocluidas en la ganga (ver Figura 1 A y D). El diagrama ternario Cu-Mn-Fe del SCN en los ripios (Figura 5), muestra tambin dos campos muy diferenciados, fases SCN-Mn generalmente ms ricas en Cu, en comparacin con fases SCN-Fe, agrupadas en torno a valores altos de Fe con escaso contenido de Mn y pobres en Cu.

Figura 5: Diagrama ternario Cu-Fe-Mn del SCN en los ripios (Datos EDS). Variaciones similares en cuanto al contenido de cobre, para fases-Cu-Mn y fases-Cu-Fe (0 - 30%)

Las relaciones entre que muestran el Cu, Si y Al, con otros elementos mayoritarios, muestran por ejemplo que Cu y Mn presentan una relacin directamente proporcional, la relacin entre Cu y Fe, como tambin Cu y Si; Cu y Fe; Si y Fe; Al y Fe; Si y Mn son aparentemente de tipo inversas (Figura 6 ), lo cual puede ser indicativo de una estructura (no cristalina) con una cierta organizacin interna que regula la proporcin en que ocurren estos elementos en la composicin de las fases SCN residuales.

Al respecto algunas razones entre elementos parecen responder bien a este hecho, especialmente para un grupo importante de granos de SCN ricos en Mn, donde la razn Cu/Mn muestra una poblacin de valores entre 0,22 y 0,43 con media de 0,35 ( = 0,05, y un grupo de SCN-Fe con razones Cu/Fe agrupadas entre 0,02 y 0,20, media de 0,06 ( = 0,06).

Cu-Mn SCN (ripios)

0

10

20

30

40

50

60

0 5 10 15 20 25

Cu % peso

Mn

% p

eso

Cu-Fe en SCN (ripios)

0

10

20

30

40

50

60

70

0 5 10 15 20 25

Cu %peso

Fe %

pes

o

Fe-Al en SCN (ripios)

0

5

10

15

20

25

0 10 20 30 40 50 60 70

F e (% )

M n-Si en SC N (ripios)

0

5

10

15

20

25

30

35

0 10 20 30 40 50 60

M n (% )

Cu-Si en SCN (ripios)

0

10

20

30

40

0 5 10 15 20 25

Cu (%)

Si (%

)

Fe-Si en SCN (ripios)

0

5

10

15

20

25

30

35

0 20 40 60 8

Fe (%)

Si (%

)

0

Figura 6: Relaciones entre los elementos principales formadores del SCN. Diagramas Cu-Fe; Cu-Mn; Fe-Al; Mn-Si; Cu-Si y Fe-S en el SCN de granos no lixiviados de los ripios (datos EDS). DISCUSIN Y CONCLUSIN El anlisis textural y composicional de las fases de SCN, indican que estos precipitaron desde soluciones superficiales de tipo coloidales ligadas a la lixiviacin cida de la zona de sulfuros secundarios de la zona de enriquecimiento suprgeno del yacimiento de Chuquicamata. La neutralizacin de las soluciones cidas habra dado lugar a la depositacin de la mena oxidada de cobre. Esta habra precipitado como silicato (crisocola), cloruros (atacamita) o como un gel

amorfo rico en slice, cobre, hierro y manganeso (SCN), tal como lo revelan las observaciones de texturas coloformes bajo el microscopio, las imgenes composiciones (BEI) en la microsonda y las efectuadas con el TEM. Las caractersticas morfolgicas hojosas y fibrosas del SCN en observaciones con TEM y la estructura del tipo trioctadrica detectada por los anlisis con infrarrojo, sugieren que este material probablemente se asemeja a la estructura de la esmectita.

La composicin de las fases de SCN de Mina Sur, muestra en un diagrama ternario (Cu-Mn-Fe) que estas fases se agrupan en dos campos bien diferenciables, uno ms frecuente con fases ricas en Cu-Mn y otro minoritario con fases ricas en Cu-Fe. Las variaciones del contenido de cobre, observados en la misma muestra en puntos adyacentes son propias de materiales coloformes donde los cambios en la coloracin ya indican cambios composicionales entre capas depositadas en forma contigua.

Los resultados del estudio de la composicin del SCN mediante microsonda (EDS) en las cabezas como en los ripios para la misma muestra, indican que la composicin de estas fases, no difiere mayormente entre la cabeza y el ripio, salvo en este ltimo por su menor contenido en cobre. Este hecho puede estar indicando fases de SCN refractarias a la lixiviacin con caractersticas composicionales ms restringidas, mostrando razones Cu/Mn y Cu/Fe con medias de 0,35 y 0,06 respectivamente.

Finalmente se destaca la presencia de cobre en texturas de oclusin. La cantidad de cobre contenida en estas texturas no parecer ser despreciable, considerando el alto contenido de Cu que muestran las fases de SCN, y que los estudios de recuento modal en los ripios, indican que el SCN ocluido puede alcanzar en algunas muestras hasta un 3% en volumen. BIBLIOGRAFIA Chves, W.X. Jr. 2000. Supergene oxidation of copper deposits: Zoning and distribution of copper oxide minerals. SEG Newsletters N 41, Society of Economic Geologist, pp10-21. Fam, R. 1979. Mineralizacin de cobre del tipo extico en el norte de Chile. Actas II Congreso Geolgico Chileno, Arica. Tomo 2, pp C235-C263. Mote, T., Becken, P. y Brimhall, G. 2001. Chronology of exotic mineralization at El Salvador, Chile by 40Ar/39Ar dating of copper wad and supergene alunite. Econ. Geol. vol. 96, pp 351-366. Mnchmeyer C. 1996. Exotic deposits: Products of lateral migration of supergene solutions from porphyry copper deposits. En: Andean copper deposits new discoveries, mineralization, styles and metallogeny, Soc. Econ. Geologist Special Publication N5, Camus, F., Sillitoe, R.H. and Petersen, R., eds, pp 43-58. Vasconcelos, P.M., Brimhall, R., P. y Becker, T. A., 1994. Direct dating of weathering phenomena by 40Ar/39Ar and K-Ar analysis of supergene K-Mn oxides: Geochimica et Cosmochimica Acta. v.58, pp.1635-1665.