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CURSO DE EXPLORACIN GEOQUMICA

Jorge Oyarzn M.

Gelogo U.Ch. Dr. U., Dr. E. Sc. Nat., U.Pars joyarzun@userena.cl homa640@vtr.net

Texto elaborado slo para uso docente interno

Prof. Geol. Estructural, Geol. Econmica e Ing. Geoambiental

Depto. Ing. Minas. Universidad de La Serena Prof. Invitado Exploracin Geoqumica. Progr. Magister Geol. Econmica.

Depto. Geociencias. Universidad Catlica del Norte.

La Serena, Marzo 2012

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CAPTULO 1: GEOQUMICA, EXPLORACIN GEOQUMICA Y GEOQUMICA AMBIENTAL

V. Vernardsky

H. Hawkes (Izq.)

G. Govett

A. Fersman (Der.)

V. M. Goldschmidt

John S. Webb H. Wedepohl (Izq.)

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1.1 Objetivos y Programa de la Geoqumica

A diferencia de la geologa qumica, disciplina centrada en la qumica de los procesos geolgicos, la geoqumica tiene por objetivo investigar la distribucin de los elementos qumicos en las distintas esferas y

compartimentos de la Tierra, as como las leyes que explican esa

distribucin. Entre los pioneros de esta ciencia destaca el qumico del

U.S.G.S. F.W. Clarke, quien reuni, sistematiz y public un importante

volumen de informacin geoqumica (Data of Geochemistry, 1889).

La geoqumica alcanz su madurez con la obra del investigador alemn V.M. Goldschmidt, autor de importantes publicaciones y libros entre las

dcadas de los 1920`s y 1940`s, quien estableci parte principal de su

conceptualidad y nomenclatura, as como las primeras reglas que explican

la distribucin y substitucin de los elementos qumicos en los minerales

(isomorfismo y diadocia). En Rusia, se destacan las contribuciones de A.E.

Fersman, A. Vinogradov y V. Vernadski (fundador de la biogeoqumica),

obras desarrolladas contemporneamente con la de Goldschmidt. El

notable libro de los finlandeses. K. Rankama y T. Sahama, present en

1949 un amplio y detallado panorama del conocimiento acumulado por la

geoqumica en los primeros 60 aos de su desarrollo. Este libro, publicado

en castellano por editorial Aguilar en 1954, contina manteniendo vigencia.

Tambin cabe mencionar la obra de K.B. Krauskopf Introduction to

Geochemistry (1967) por su claridad conceptual, as como la editada por

H.L. Barnes Geochemistry of Hidrotermal Ore Deposits (1967), por su

vinculacin directa de la geoqumica con la formacin de los yacimientos

hidrotermales.

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Entre los principales conceptos utilizados por la geoqumica est el de ciclo geoqumico (paralelo al de ciclo geolgico), el que describe el paso de los elementos e istopos a travs de las distintas esferas geoqumicas (litosfera, hidrosfera, biosfera, etc.). Al respecto, el desarrollo de la tectnica

global o de placas robusteci el marco interpretativo de la geoqumica.

Actualmente, la preocupacin mundial relativa al cambio climtico, y sus

vinculaciones con el calentamiento global y los gases con efecto

invernadero ha dado una importancia central al ciclo del carbono,

explicitado a travs de los conocidos diagramas de cajas. Otros ciclos

geoqumicos de especial importancia ambiental son los del azufre y el

fsforo, y en materia eco toxicolgica, el del mercurio. Al respecto, la obra

de M.C. Jacobson et al, (2000) es muy recomendable.

1.2 La Exploracin Geoqumica

Los trminos exploracin y prospeccin son utilizados con connotaciones distintas por diferentes autores y muchas veces indiferentemente. En el

presente texto utilizaremos exploracin para referirnos al proceso en su

forma ms integral y estructurada, y prospeccin para el proceso ms

directo de aplicacin de metodologas particulares. Por ejemplo, diremos:

La exploracin geoqumica constituye un elemento esencial de la

exploracin minera moderna o Una prospeccin geoqumica realizada al

W del distrito Las Peas, revel contenidos anmalos de Cu y Mo.

La base conceptual de la exploracin geoqumica es sencilla: puesto que los yacimientos minerales son concentraciones econmicas de elementos

qumicos o minerales, es muy probable que ellos se encuentren rodeados

de aureolas de contenidos anormales de los elementos qumicos

acumulados en el depsito. Tales aureolas, al tener un mayor tamao que

los yacimientos, constituyen blancos de exploracin ms fciles de

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detectar. En consecuencia, la exploracin geoqumica tiene por finalidad

detectar tales anomalas, as como evaluar su probable relacin con

yacimientos desconocidos situados debajo o lateralmente respecto a ellas.

(Levinson, p. 369)

La exploracin geoqumica se desarroll principalmente en la Unin Sovitica, en Inglaterra (aplicada en la faja cuprfera de sus colonias

africanas), en Canad, EE.UU y Francia. Las investigaciones de ingleses y

americanos se centraron en la geoqumica de suelos y sedimentos, y se

plasmaron en el importante libro Geochemistry in Mineral Exploration de

H.E. Hawkes y J.S. Webb, publicado en 1962.

Las exploraciones geoqumicas soviticas, denominadas prospecciones metalomtricas, utilizaron mtodos espectroscpicos por multi elementos (a diferencia de los mtodos colorimtricos para elementos individuales

utilizados por ingleses y americanos). Por otra parte, como los canadienses,

pusieron un mayor nfasis en la geoqumica de rocas y en la deteccin de

anomalas primarias (ver A.A. Beus y S.V. Grigorian , 1977). Entre 1947 y

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1969, ms de 60 millones de muestras fueron colectadas considerando slo

una de las repblicas de la URSS: Kazakstn.

El texto de Dhana Raju (2009,p.5), presenta un resumen de los descubrimientos de depsitos realizados con participacin principal de la

exploracin geoqumica (tomado de Rose et al. 1979); que muestra la

importante del anlisis de sedimentos del drenaje a dichos descubrimientos.

Actualmente, la exploracin geoqumica es una herramienta principal y

seguramente la ms exitosa en la exploracin mundial de yacimientos

metalferos. A dicho xito ha contribuido mucho el avance en los mtodos

analticos instrumentales para multielementos.

(Dhana Raju, p. 5)

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1.3 Geoqumica Ambiental

En investigacin cientfica bsica en exploracin geoqumica, se ha enfocado en los mecanismos de generacin de anomalas en torno a un

centro mineralizado. En cambio, la prctica de la prospeccin geoqumica

utiliza ese conocimiento en la operacin inversa, vale decir, descubrir el

yacimiento partiendo de su anomala perifrica. En consecuencia, se trata

de un proceso centrfugo (el primero) y de uno centrpeto (el segundo).

En el caso de las aplicaciones ambientales de la geoqumica, ambas aproximaciones son igualmente importantes. Si interesa conocer el efecto

de un centro emisor de contaminantes, se utilizan modelos de dispersin de

efluentes, los que mediante mtodos fsico matemticos predicen la

concentracin de dichos efluentes en el espacio y en el tiempo. Es el modo

centrfugo de la geoqumica ambiental.

En la segunda aplicacin se dispone de informacin respecto a la presencia de contaminantes en el espacio (sedimentos de un ro, aguas de un lago

suelos, atmsfera, etc.), cuya fuente no se conoce con seguridad. En este

caso, dicha fuente equivale al yacimiento oculto que procura descubrir. Los

mismos mtodos utilizados en exploracin geoqumica pueden ser tiles,

por lo tanto, para descubrir las fuentes contaminantes responsables

.

La geoqumica ambiental est relacionada con la ecotoxicologa ambiental, que estudia la relacin entre los contenidos de metales pesados y otros

contaminantes y sus efectos en la ecologa y la salud humana. Parte de los

contaminantes pueden tener un origen natural, como contenidos

anmalos de Pb y otros metales pesados o metaloides ligados a

determinadas formaciones sedimentarias o a la presencia de drenaje cido

de yacimientos. Tal es el caso, por ejemplo, de los elevados contenidos de

As de las aguas subterrneas de Bangladesh, los cuales no son

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directamente dependientes de la actividad humana o de la presencia de

depsitos metalferos. Igualmente, es el de algunos elevados contenidos

de Pb, Se, y otros metales o metaloides detectados en formaciones

sedimentarias de Norte Amrica, que han sido relacionados con la

prevalencia de determinadas enfermedades en las respectivas regiones.

(Siegel, p. 22)

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(Siegel, p. 140)

(Siegel, p. 145)

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CAPTULO 2: MTODOS DE ANLISIS GEOQUMICO

http://www.groupecarso.com/AnalysesPhysicoChimiques,23.htm?langue_id=4

http://www.jordilabs.com/es/labtesting/analyticaltechniques/benchchemistry/

http://micienciaquimica.blogspot.com/2011/08/tecnicasbasicasdelaboratorio.htmlhttp://vicinv.ujaen.es/taxonomy/term/102

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2.1 Introduccin: Muestreo y Preparacin de Muestras.

En este captulo revisaremos los mtodos analticos ms utilizados en exploracin geoqumica. Tambin consideraremos los parmetros que

determinan la calidad de los anlisis, as como las condiciones previas que

se requieren para que tales anlisis puedan efectivamente representar lo

que se espera de ellos.

Naturalmente, el muestreo, en su planificacin y ejecucin, es la base de todo. En primer lugar ello implica determinar la densidad (por ej.,

muestras/km2) y la distribucin de las muestras (controlada o no por la

topografa, y en el segundo caso, la orientacin de los perfiles y la

separacin entre muestras a lo largo de stos), Tambin el tamao de las

muestras y otras variables deben ser consideradas. Por ejemplo, si se

estn muestreando rocas granticas, el tamao de los cristales debe ser

considerado para establecer su tamao mnimo (frmula de P.Gy).

Tambin existen criterios y procedimientos para el muestreo de suelos

(horizonte, profundidad), sedimentos del drenaje, agua de corrientes

fluviales, etc. En el caso de suelos y sedimentos es tambin importante

definir (segn las circunstancias) qu fraccin granulomtrica conviene

analizar, la cual puede ser distinta para diferentes elementos qumicos. Al

respecto, la mejor fraccin no es la ms rica en el elemento, sino la que

entrega mejor contraste en trminos de contenidos normales y anmalos.

El siguiente paso corresponde a la conservacin (por ej., agregado de cido

a muestras de agua para prevenir la precipitacin de metales), reduccin

(como el cuarteo del material muestreado) y preparacin de las muestras

para su anlisis. Respecto al ltimo punto, existen diferentes

procedimientos para poner en solucin los metales contenidos en muestras

de rocas, suelos, sedimentos, etc. Ellos van desde su extraccin total,

mediante la destruccin de los silicatos con HF, pasando por el ataque en

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caliente con cidos enrgicos (HCl, HNO3 HClO4), el ataque en fro con

cido dbiles (actico, ctrico), hasta procedimientos de ataque

extremadamente dbiles mediante enzimas. Cada uno tiene sus propios

objetivos y valor, y es importante que el responsable del programa de

exploracin geoqumica sea quien lo determine.

Tambin le corresponde seleccionar la mejor opcin disponible para la realizacin de los anlisis, la que depender de los elementos que se

desea analizar, el medio analizado (agua, rocas, etc.) y la calidad de los

anlisis requeridos. Ello, adems de factores prcticos como tiempos de

envo y ejecucin, costos, etc. En general, es conveniente que el laboratorio

seleccionado tenga experiencia en el tipo de anlisis a realizar y cuente con

instalaciones adecuadas para evitar la contaminacin y la confusin de las

muestras, as como con estndares adecuados para controlar sus

resultados.

Es recomendable que el cliente disponga de sus propios estndares (muestras homogenizadas, analizadas en dos o ms laboratorios de

prestigio) y que los introduzca peridicamente en los grupos de muestras

enviados para anlisis (sin olvidar que dicho estndares deben haber sido

analizados por un procedimiento anlogo al utilizado en el laboratorio

contratado). Igualmente, es conveniente incluir entre las muestras enviadas

algunas repetidas (por ej., 1 en cada 20) para evaluar la precisin de los

anlisis.

La calidad de los anlisis qumicos se expresa por tres parmetros principales: exactitud, precisin y sensibilidad. Por exactitud se entiende su aproximacin al valor real, por precisin, el grado de reproductibilidad

de los resultados y por sensibilidad, la concentracin mnima que puede ser

detectada en el material analizado. Vale la pena discutir en detalle cada uno

de estos tres parmetros.

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En principio, todo anlisis es un experimento (D.M. Shaw) y no es posible conocer el contenido real en trminos absolutos. Sin embargo, si

preparamos una muestra artificial de matriz similar, que no contenga el

elemento en cuestin y se lo agregamos en una concentracin conocida,

podemos estimar la exactitud del mtodo analtico. Tambin podemos

hacerlo utilizando estndares geoqumicos internacionales, asumiendo

como reales lo valores o rangos recomendados por sus responsables. As

podremos determinar la exactitud del mtodo, siempre que utilicemos una

preparacin de la muestra anloga a la empleada en la confeccin del

estndar. Tal exactitud se puede expresar como porcentaje de desviacin

respecto a ese valor real.

La precisin se puede estimar analizando la misma muestra unas 10 o 20 veces y calculando la desviacin estndar de los resultados entregados. Un

mtodo puede ser preciso, pero no exacto o viceversa.

Respecto a la sensibilidad, es importante recordar que en la mayora de los casos no se analiza directamente el material muestreado, sino que una

solucin producto de su ataque qumico. En consecuencia, utilizando

procesos de concentracin selectiva es posible mejorar mucho la

sensibilidad de los mtodos analticos (tambin ello puede ser logrado

mediante variaciones de la tcnica instrumental utilizada). Finalmente, es

conveniente procurar establecer relaciones de colaboracin y confianza con

el laboratorio analtico, lo cual implica compartir informacin y estar

dispuestos a plantear abiertamente las dudas que se puedan presentar.

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2.2 Mtodos Colorimtricos de Anlisis Tanto en EE.UU como en Canad, Francia e Inglaterra (exploraciones en

el Copperbelt africano), se utilizaron inicialmente (aos 1950s) mtodos

colorimtricos de anlisis para elementos como Cu, Mo, Pb, Zn, etc. Tales

anlisis incluan una etapa de extraccin (con cidos enrgicos en caliente

o con cidos dbiles y en fro) seguida por agitacin con un compuesto

orgnico (dithizona, biquenolina, thiocianato), en una fase solvente, tambin

orgnica.

Dicho compuesto, al incorporar

el metal analizado a su

molcula, desarrolla una

coloracin de gama e

intensidad proporcional a su

concentracin. De acuerdo con

las condiciones de pH fijadas,

es posible utilizar el mismo

reactivo orgnico para distintos

elementos. Tambin es posible

analizar, en forma semi

cuantitativa, la suma de dos o

tres elementos (por ej., Cu, Pb

y Zn). Esto ltimo puede ser til

en geoqumica, de sedimentos

del drenaje, porque permite

evaluar en terreno el inters

prospectivo de los afluentes a

cursos principales.

(Levinson, p. 155)

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A diferencia de la investigacin geoqumica cientfica, la exploracin geoqumica es una disciplina que puede tolerar mrgenes mayores de

imprecisin analtica, a condicin de que ellos no afecten la deteccin y

definicin de las anomalas. En consecuencia, los mtodos colorimtricos,

basados en simple comparacin visual con las gamas de colores de los

estndares preparados, fueron muy efectivos en el logro de importantes

descubrimientos en distintos continentes. Naturalmente, su precisin poda

ser mejorada mediante el uso de lecturas instrumentales, pero en general

precisiones del orden de 10% eran consideradas satisfactorias. Tampoco

existan problemas de sensibilidad para los metales de base generalmente

prospectados. Los primeros estudios y campaas de exploracin

geoqumica realizados en Chile entre fines de los 1950s y la primera mitad

de los 1960s (ver captulo 11), utilizaron mtodos analticos colorimtricos

con resultados satisfactorios.

2.3 Espectrografa de emisin Puesto que los mtodos colorimtricos son especficos para determinados

metales, se adaptaban bien a las necesidades prospectivas de las

empresas mineras, las que generalmente se interesan por un rango

estrecho de metales. En cambio, en el caso de la ex Unin Sovitica, cuya

economa socialista era centralizada y abarcaba un gigantesco territorio, en

gran parte inexplorado, interesaba analizar la gama de metales ms amplia

posible, en muestras procedentes de sus distintas regiones y localidades.

En consecuencia sus exploraciones geoqumicas, denominadas metalomtricas, utilizaron preferentemente la espectrografa de emisin,

pese a la mayor laboriosidad y dificultad que implica ese mtodo,

especialmente en su forma original. La espectrografa de emisin consiste

bsicamente en la colocacin de la muestra pulverizada a analizar en una

pequea cavidad en el extremo de un electrodo de grafito, por el que pasa

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un arco elctrico de elevado voltaje. Por efecto de la alta temperatura

generada, sus elementos qumicos emiten radiacin electromagntica

correspondiente a los saltos cunticos productos de la excitacin de los

electrones de sus orbitales externos. Esa radiacin luminosa , que va del

infrarrojo al ultravioleta, es dispersada por un prisma y finalmente

impresiona una placa fotogrfica.

En una placa de vidrio rectangular cubierta de material sensible a la luz, cada elemento qumico queda representado por varias lneas principales,

correspondientes a su espectro de emisin, las que se reconocen por su

posicin. Segn la concentracin del elemento, quedan menos o ms

ennegrecidas. La placa, de unos 25 x 15 cm, se coloca despus de

revelada sobre un instrumento de medida, donde la intensidad de las lneas

utilizadas se compara con la producida por estndares de concentracin

conocida. El procedimiento es lento y laborioso pero entrega anlisis de

buena calidad para un gran nmero de elementos. Este mtodo fue tambin

muy utilizado tambin por investigadores cientficos como Goldschmidt, y

tuvo gran importancia en el desarrollo de la geoqumica.

Con el fin de aprovechar las ventajas de este mtodo en trminos de calidad de los anlisis y gama de elementos analizados, el B.R.G.M.

(Servicio Geolgico Minero de Francia) desarroll a mediados de los

1960s el denominado quantmetro. Este consiste en un espectrgrafo de

emisin de alta dispersin de las lneas espectrales, con fotodetectores,

ubicados en la posicin de las lneas principales de cada elemento.

Conectado a un computador provisto del software necesario, el instrumento

compara sus las lecturas con aquellas generadas por estndares de

composicin conocida, y entrega los resultados de manera casi

instantnea.

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2.4 Espectrografa de Absorcin Atmica Esta metodologa utiliza un principio fsico inverso respecto al de la

espectrografa de emisin, puesto que aprovecha el efecto de absorcin de

la radiacin emitida por un elemento excitado trmicamente. Dicha

absorcin se produce por la presencia de tomos vaporizados del mismo

elemento. La idea bsica es que tal absorcin es proporcional a la

concentracin de dichos tomos (presentes en forma elemental, no

ionizada).

El instrumento consiste en una lmpara de ctodo hueco provista de un filamento del elemento a analizar, el que emite luz al ser calentado por el

paso de una corriente elctrica. El haz de luz es desviado parcialmente por

un prisma y llega a un foto detector que mide su intensidad. La mitad no

desviada pasa en cambio por la parte reductora de una llama, donde se

est quemando la solucin que contiene el elemento en su forma inica, el

que completa su envoltura electrnica en esa parte de la llama (por ej., Cu2+

+ 2e = Cu0). En tal condicin, el elemento absorbe una parte de la luz

generada por el ctodo hueco, luz que impresiona otro fotodetector.

Comparando las dos intensidades medidas, as como las lecturas

entregadas por una serie de estndares, es posible entonces determinar la

concentracin del elemento analizado, la cual es proporcional al grado de

absorcin registrado.

Se trata de un mtodo exacto y preciso, muy bien adaptado al anlisis de muestras de agua. En otros casos depender de la calidad del ataque

realizado. Su sensibilidad, naturalmente dependiente del elemento

analizado, puede ser mejorada tanto mediante pre concentracin as como

mediante aditivos instrumentales (uso de la navette). Sin embargo, como

todos los mtodos, est expuesto al efecto de interferencias que es

necesario considerar.

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Este mtodo lleg a Chile a fines de los 1960s y se utiliz, junto con fluorescencia de rayos X, en un amplio estudio realizado por la Universidad

de Chile para ENAMI, destinado a conocer los elementos menores y en

trazas presentes en minerales de cobre y concentrados de distintos distritos

mineros. Tambin fue adquirido por el I.I.G. ( actual SERNAGEOMIN) y

pas a reemplazar a los mtodos colorimtricos en las prospecciones

geoqumicas. Su nico inconveniente prctico radica en la necesidad de

realizar los anlisis elemento por elemento.

2.5 Espectrometra por Fluorescencia de Rayos X

A diferencia de los dos mtodos espectrogrficos anteriores, cuya base fsica radica en los electrones externos y en aquella parte del espectro

electromagntico visible o cercano (infrarrojo a ultravioleta), este mtodo se

asocia a saltos cunticos en sus orbitales electrnicos internos y a una

parte del espectro electromagntico de mayor frecuencia y energa.

El mtodo comprende la excitacin de la muestra (normalmente en forma de polvo o de una pastilla) mediante la radiacin emitida por un tubo de

rayos X, la que produce saltos de nivel de energa de sus electrones

internos. Al caer estos a su nivel de energa anterior (vale decir a su rbita

normal), emiten radiacin X, la cual es difractada (Fig. 6.4, Dhana Raju, p.

147) y finalmente medida mediante un dispositivo complejo (contador

proporcional y contador de centelleo con fotomultiplicador. Al igual que en

las otras medidas, los resultados se obtienen por comparacin con series

de estndares.

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(Dhana Raju, p. 147)

Este mtodo es rpido y muy sensible, exacto y preciso para elementos pesados como Rb y Sr. En cambio es poco adecuado para elementos

livianos y es afectado por algunas matrices. Sin embargo, si el instrumento

va a ser utilizados en condiciones estndares (por ej., determinacin de la

ley de concentrados minerales de similar composicin o de elementos

mayores de rocas gneas), es posible manejar esas dificultades. Tambin

ha sido utilizado en programas de exploracin geoqumica por multi

elementos (En India, la Comisin de Energa Atmica lo ha usado durante

30 aos en la deteccin de 60 elementos qumicos en sus campaas de

exploracin).

Una versin de terreno de este instrumento utiliza una fuente sellada de un istopo radioactivo como fuente de rayos X, procesa la radiacin emitida

por la muestra mediante un cristal de yoduro de sodio, acoplado a un

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fotomultiplicador. Este aparato ha probado ser muy til en exploracin

preliminar (por ej., estudio de distritos mineros antiguos), as como en

investigaciones de contaminacin ambiental por metales pesados.

2.6 Plasma Inductivamente Acoplado ICP AES

Este mtodo constituye actualmente la principal herramienta analtica, tanto para la investigacin geoqumica bsica como en sus aplicaciones

prospectivas y ambientales. Como seala Dhana Raju (2009, pp. 181

187), esta tcnica, introducida a mediados de los 1970s, supera muchas de

las deficiencias que afectan a otros mtodos analticos, especialmente en

trminos de la supresin de interferencias, alta sensibilidad y posibilidad de

determinacin simultnea de decenas de elementos qumicos. Esto, en

rangos de concentracin diferentes, que se extienden por 5 o 6 rdenes de

magnitud, con rapidez y bajo costo (del orden de 10 a 15 dlares por

muestra, en paquetes analticos de 40 o ms elementos).

Por otra parte, actualmente hay laboratorios comerciales en Chile que ofrecen este servicio en muy buenas condiciones de rapidez y formato de la

informacin entregada, como es el caso de ALS Chemex (Coquimbo).

Esta tcnica tambin permite el anlisis de elementos de las tierras raras, con suficiente calidad para su uso en estudios petrolgico geoqumicos,

aunque esto requiere una separacin previa por intercambio inico.

Tambin se utiliza actualmente para obtener anlisis de roca total, lo que

ha permitido una gran expansin de la informacin petrolgica disponible.

Sus principios fsicos tienen como base la generacin de un plasma (gas ionizado) de argn como fuente de emisin ptica. Este plasma se propaga

al extremo de una antorcha de vidrio mediante energa de radio

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frecuencia, acoplada con el plasma mediante una espiral de cobre . El

argn fluye a una tasa constante hacia la antorcha, la que recibe un flujo de

electrones, mientras la energa de radio frecuencia ioniza los tomos de

argn, alcanzando el plasma temperaturas sobre 10.000 K. Las muestras

son introducidas disueltas, en forma de aerosol, mediante una corriente

impulsora de argn, y alcanzan una temperatura del orden de 8000 K en

su paso por el plasma excitado. Esto conlleva que los elementos disueltos

de la muestra se encuentren en estado atmico y a que experimenten re

ionizacin, con los consiguientes saltos electrnicos a niveles de mayor

energa y la emisin de radiacin electromagntica, al regresar a niveles

ms bajos. Al seleccionar las lneas de emisin ms favorables, se

prefieren aquellas relacionadas con el proceso de ionizacin para muchos

elementos.

(Dhana Raju, p. 182) (Dhana Raju, p. 184)

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2.7 Activacin Neutrnica

Esta tcnica, originalmente utilizada para investigaciones cientficas, ha tenido creciente aplicacin en exploracin geoqumica, pese a la

competencia que ha significado la introduccin del ICP AES (la que s la

ha desplazado de las determinaciones de rutina de los elementos de las

tierras raras). Su uso principal actual se refiere a elementos de difcil

disolucin, como Ta, Hf, Th. Tambin sigue siendo un mtodo

notablemente confiable para Au, e igualmente usa en exploracin de

elementos afines al platino, de Ag y W, y de trazadores de mineralizacin,

como As y Sb.

El mtodo se basa en la radioactividad inducida en los elementos de la muestra, producida por su bombardeo con neutrones en un reactor

nuclear. Ello conlleva que esos elementos emitan a su vez partculas y

energa del tipo y rango caractersticos de cada uno de ellos, lo que permite

su identificacin y medicin de concentracin a travs de la intensidad de

sus emisiones. En consecuencia, el proceso tiene dos etapas, una; de

exposicin de la muestra a la radiacin neutrnica, la otra de su

transferencia a un detector de radiacin

.

Una gran ventaja de este mtodo, adems de su exactitud, precisin y sensibilidad, es que no requiere ataque qumico ni puesta en solucin de la

muestra, operaciones en las que pueden introducirse errores. De hecho, no

se trata de un mtodo qumico, puesto que es independiente de los

orbitales electrnicos y slo depende de las propiedades del ncleo de los

elementos analizados. Naturalmente, su dependencia de un reactor nuclear

implica que son pocos los laboratorios que pueden ofrecer este servicio

analtico (en Chile, CECHEN). Esta tcnica es muy recomendable para

contar con estndares confiables en exploraciones por Au.

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CAPTULO 3: CONDUCTA QUMICO MINERALGICA DE LOS ELEMENTOS. LOS CICLOS GEOQUMICOS

http://institucional.us.es/abioticos/abioticos.htm

http://www.icmm.csic.es/galeria/gal_si.html

http://www.diarioaportes.cl/portal/index.php?option=com_k2&view=item&id=353:los-gigantes-duermen-inquietos&Itemid=18

http://es.wikipedia.org/wiki/Abundancia_de_los_elementos_qu%C3%ADmicos

http://www.webadictos.com.mx/2011/06/09/se-anaden-dos-nuevos-elementos-a-la-tabla-periodica-el-114-y-116/

http://cl.kalipedia.com/ecologia/tema/propiedades-minerales.html?x=20070417klpcnatun_41.Kes&ap=0

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3.1 Elementos Qumicos y Minerales

Los elementos qumicos y sus istopos se encuentran en la Tierra bajo formas diversas. As, se supone que el Ncleo Interno de la Tierra est

constituido por una masa de Fe con algo de Ni, y se sabe que el Manto y la

Corteza lo estn principalmente por minerales silicatados, localmente

fundidos o semi fundidos (magmas en ascenso). Sabemos tambin que en

los niveles superiores de la corteza hay elementos en solucin acuosa y en

forma de gases, al igual que en la superficie de la Tierra.

Los minerales, que constituyen la casi totalidad de la materia solida del Manto y la Corteza tienen variados orgenes, aunque su mayor volumen se

ha generado por cristalizacin de magmas. Otros orgenes incluyen: a)

Reacciones entre fases gaseosas; como Sn F4(g) + 2H2O(g) = SnO2(s) +

4HF(g). b) Ruptura de complejos hidrotermales como: HgS2- 2 + 2H+ = HgS(s) + H2S c) Precipitacin, como Ba2+ + 2Cl2- + 2Na+ + SO2-4 = BaSO4 + 2Na+ +

2Cl-. En este caso, ella se produce debido al bajo producto de solubilidad

(Kps) del BaSO4. En cambio, los otros dos compuestos involucrados: BaCl2

y NaCl tienen un alto Kps. d) Alteracin o reemplazo de un mineral

preexistente. Por ejemplo, 2Fe3O4 + 1/2 O2 = 3Fe2O3 o bien CuFeS2 +

Cu2+ = 2 CuS + Fe2+.

En sentido estricto, los minerales deben cumplir tres condiciones para ser considerados como tales. En primer lugar deben tener origen natural. Por lo

tanto, un producto de sntesis hecho por el ser humano no es considerado

como mineral, aunque tenga idnticas propiedades que uno natural. En

segundo lugar, debe tener una estructura interna ordenada (cristalina),

aunque ella no se exprese externamente. Por ltimo, debe poseer una

composicin qumica definida, si bien ella puede variar entre dos o tres

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trminos finales- Por ejemplo, la serie de las plagioclasas, que vara entre

NaAlSi3O8 y CaAl2Si2O8.

3.2 Isomorfismo y Diadocia

La variacin composicional de los minerales se interpreta a travs de los conceptos de isomorfismo y diadocia. Decimos que dos minerales (o dos trminos de una serie continua, como las plagioclasas) son isomorfos,

cuando su estructura cristalina es casi idntica, aunque su composicin

qumica sea diferente. Mirado desde el punto de vista de los elementos

qumicos, decimos que un elemento reemplaza al otro diadcicamente.

Los reemplazos diadcicos pueden ser simples o pareados. Por ejemplo: Fe puede reemplazar parcialmente al Zn en la esfalerita (ZnS), lo cual

implica un reemplazo simple. En cambio, si el Ca de la anortita (Ca Al2 Si2

O8) es reemplazado por Na, se produce un dficit de carga elctrica

positiva, puesto que la valencia del Ca es +2 y la del Na +1. En

consecuencia este reemplazo desde ser complementado por el de un Al3+

por un, Si4+, lo cual determina que la frmula de la albita sea Na Al Si3 O8.

Las primeras reglas del reemplazo diadcico fueron establecidas por Goldschmidt: 1) Para que exista reemplazo, el radio inico de ambos

elementos debe ser similar (en general, menor de 15%). Si existe

diferencia, el elemento de radio menor es favorecido por ella. 2) Si la carga

elctrica del elemento reemplazante y el reemplazado son diferentes, ello

debe compensarse con un segundo reemplazo (caso plagioclasas).

Ambas reglas fueron completadas por Ringwood, que introdujo la consideracin de la electronegatividad de los elementos reemplazante y

reemplazado. Al respecto, aquel catin ms fuerte (vale decir menos

25

electronegativo) tiene ventaja en el reemplazo, puesto que forma uniones

elctricas ms fuertes. En el fondo, se trata de la aplicacin de la Ley de

Coulomb: F = q1 x q2 / r2. As, a mayor carga y electronegatividad, ms

fuerza de unin. Si el radio inico es algo menor, ms atraccin puesto que

r2 disminuye. Ello explica por qu el reemplazo de Ca2+ por Na+ en la

plagioclasa disminuye la resistencia del cristal, y por lo tanto su punto de

fusin.

Actualmente, cuando casi la totalidad de la Tabla Peridica tiene aplicaciones tecnolgicas, estos criterios pueden ser muy tiles en la

exploracin por elementos raros. Al respecto un interesante caso de

diadocia es el de renio-molibdeno. Ambos elementos tienen propiedades

cristaloqumicas idnticas y Re se concentra en la molibdenita (MoS2), de

donde se extrae comercialmente en Chile. Sin embargo, en trminos

metalognicos, Re no est asociado al Mo, sino al Cu, y especficamente a

sus depsitos porfricos. As, los prfidos de molibdeno son pobres en Re,

que en cambio se enriquece en los prfidos cuprferos, donde se localiza

en la molibdenita.

3.3 La Tabla Peridica

El gran mineralogista y geoqumico ruso A. Fersman remarc en sus libros la importancia de la Tabla Peridica (obra de otro ruso, D. Mendeleiev) en la comprensin de la distribucin geolgica de los elementos qumicos y en

su exploracin. En efecto, dicha Tabla nos presenta un panorama completo

de los elementos y sus propiedades qumicas, determinadas por la

distribucin de sus orbitales electrnicos, a medida que el nmero atmico

de los elementos crece con el nmero de protones.

26

A la derecha de la Tabla encontramos los denominados gases inertes (o nobles), cuyos orbitales ms externos cuentan (excepto el He) con 8

electrones, distribuidos en orbitales cercanos de 2 electrones cada uno. Se

trata de una configuracin estable, de manera que estos elementos no

tienden a captar ni a entregar electrones, lo que equivale a decir que no

participan en reacciones qumicas.

A la izquierda de ellos se sita el grupo VII (F, Cl, Br, I) integrado por elementos cuyo 4 orbitales ms externos renen 7 electrones (2+2+2+1).

En consecuencia su tendencia qumica es a incorporar 1 electrn para

formar la estructura estable de 8 electrones. Al otro extremo de la Tabla se

sita el grupo de los elementos alcalinos (Li, Na, K, Rb, Cs), los que

justamente, cuentan con un orbital externo alejado con un electrn, que

entregan fcilmente para formar compuestos como NaCl.

27

En este punto conviene recordar que los tres tipos principales de uniones inter atmicas son el inico, el covalente y el metlico. En el inico, el metal

entrega sus electrones y por lo tanto queda cargado positivamente ( al

quedar uno o ms protones, cargas positivas, en exceso). A su vez, el no

metal recibe el o los electrones y queda cargado negativamente. En

consecuencia se produce una atraccin electrosttica coulombiana entre

el catin (+) y el anin (-). Este es, por ejemplo, el caso de la unin Na (+1)

Cl (-1) en el NaCl.

Un compuesto como NaCl puede disolverse inicamente en agua porque el H2O tiene un comportamiento electrosttico bipolar, que tiende a neutralizar

la unin , y por lo tanto separa el catin Na+ del anin Cl-.

El segundo tipo de enlace es el denominado covalente. En su forma perfecta, se encuentra en molculas formadas por dos elementos

idnticos, como es el caso del gas cloro: Cl2, donde los dos tomos

comparten electrones externos, de manera de quedar cada uno con 8

electrones. Es tambin el caso del oxgeno (O2), del hidrgeno (H2), etc.

Sin embargo, lo normal es que los enlaces no sean puramente inicos o covalentes, sino que se siten entre ambos extremos, lo cual puede ser

expresado en porcentaje, por ej., 60% inico, 40% covalente. Naturalmente,

mientras ms opuesto sea el carcter de los elementos involucrados, ms

inico ser. Al respecto, los elementos del grupo 1A son los ms

electropositivos, seguidos por los del grupo 2 A (Be, Ma, Ca, Sr, Ba), que

tienen dos electrones en su ltima rbita (y por lo tanto valencia 2+), y los

del grupo 3 A (B, Al, etc., con valencia 3+). Del otro lado, el 6 A (O, S, Se,

etc.) sigue en electronegatividad al 7 A y es seguido a su vez por el 5 A (N,

P, As, etc.), mientras el 4 A (C, Si, Ge, etc.) con sus 4 electrones externos

28

de valencia se sita en una posicin intermedia, lo que explica su gran

versatilidad qumica.

Adems de esta transicin de electropositivo a electronegativo de izquierda a derecha de la Tabla, se registra un aumento de electropositividad de

arriba hacia debajo de ella. Esto explica, por una parte, que un elemento como nitrgeno, que es menos electronegativo que oxgeno (puesto que se

sita a su izquierda), pueda combinarse con ese elemento actuando como

proveedor relativo de electrones (por ejemplo, en NO2), aunque se trata

de un enlace marcadamente covalente. Por otra parte, explica tambin que

azufre, situado abajo del oxgeno, se una a ste formando SO2, donde

azufre acta como el elemento menos electronegativo. Junto con adquirir

progresivamente propiedades metlicas (en trminos de la tendencia

ceder electrones, tambin cambia el estado fsico y el aspecto,

(progresivamente ms metlico) de los elementos. As, el grupo que se

inicia con oxgeno lleva al teluro y el que parte con nitrgeno, a dos metales

como antimonio y bismuto.

Un tercer tipo de enlace es el denominado metlico, en el cual los electrones forman una especie de nube aglomerante y pueden

desplazarse libremente bajo la influencia de un campo elctrico (lo que

explica la capacidad de los metales para conducir electricidad).

Al centro de la Tabla Peridica se sita un numeroso e importante grupo de elementos, que incluye los principales metales explotados por la industria

minera (Cu, Au, Mo, Zn, Pb, Ni, Co, etc.) y que se denominan elementos

de transicin. En estos elementos, el aumento progresivo en el nmero

atmico no se traduce en la adicin de electrones en los orbitales ms

externos, sino en orbitales interiores. Este fenmeno se produce tambin en

el caso de los elementos de las Tierras Raras con el agregado de que los

29

lantnidos constituyen un grupo horizontal. Por lo tanto, elementos

vecinos en cuanto a su peso tienen la misma configuracin electrnica

externa. Esto conlleva propiedades qumicas y fsicas casi idnticas, lo que

dificult mucho su reconocimiento y posterior separacin. Sin embargo,

actualmente son elementos que tienen alto valor tecnolgico y econmico

por sus importantes aplicaciones en la electrnica de vanguardia.

(Craig et al., p. 230)

30

3.4 Los Ciclos Geoqumicos

Siguiendo a la geologa, la geoqumica distingue dos grandes dominios de estudio, uno interno, el ciclo endgeno y uno externo, el ciclo exgeno. En

el ciclo endgeno, controlado por elevadas temperaturas y presiones, se

producen fenmenos como la generacin, diferenciacin y ascenso de

magmas, el metamorfismo y los procesos diagenticos e hidrotermales de

alta temperatura. Parte principal de los yacimientos metalferos se forman

en estos ambientes, cuya comprensin actual debe mucho a la tectnica de

placas y a la geoqumica.

(Tarbuck y Lutgens, p. 23)

31

El estudio de los procesos endgenos como tales corresponde a la tectnica, a la petrologa gnea y metamrfica, la metalognesis endgena y

otras disciplinas. Dicho estudio se realiza a travs de mtodos

experimentales, sometiendo minerales y asociaciones de minerales a altas

presiones y temperaturas y comparando los resultados obtenidos con las

predicciones termodinmicas. Estas ltimas, establecen las condiciones de

equilibrio a travs de los parmetros fsicos (P, T) y los balances de energa

de las reacciones. Tambin el uso de modelos tiene amplias aplicaciones

en estas materias. Por su parte, la geoqumica se centra en determinar y

calcular los caminos seguidos por los elementos qumicos y sus istopos en

el curso de estos procesos tectnicos y petrolgicos y en utilizar sus

relaciones de concentracin en rocas y magmas como indicadores de los

procesos y de las condiciones termodinmicas que los han controlado.

Aspectos como las substituciones diadcicas entre los elementos qumicos son importantes, junto con los parmetros termodinmicos en esta rea de

la geoqumica. Por ejemplo, en un estudio geoqumico realizado en Chile, a

fines de los 1960s, (Oyarzn, 1971), se determinaron elevados contenidos

de Sr en rocas volcnicas cuaternarias y en prfidos cuprferos del norte de

Chile. Sr substituye diadcicamente a Ca en la plagioclasa. Sin embargo,

bajo las elevadas presiones en el Manto, plagioclasa no es una base

mineralgica estable. En consecuencia, la alta concentracin del Sr

obtenida se interpret como efecto de la mayor profundidad de generacin

de los magmas, que resguard al Sr, del proceso de fraccionamiento que lo

haba afectado si se hubiera encontrado presente en la plagioclasa

cristalizada tempranamente en el proceso de diferenciacin magmtica.

Entre el Ciclo Endgeno y el Exgeno existe una zona gris o transicional en la cual coexisten aguas subterrneas profundas de origen meterico con

32

aguas de origen diagentico, metamrfico o magmtico. Ya en la superficie

o cerca de ella, y en la hidrsfera y atmsfera nos encontramos

propiamente en el dominio del Ciclo Exgeno, al cual corresponden

procesos geolgicos como la meteorizacin, la formacin de los suelos, la

erosin, la sedimentacin, y los procesos diagenticos superficiales. A

diferencia de los procesos endgenos, estos se realizan a baja temperatura

y presin, con mayor presencia de agua y participacin importante del

oxgeno y de la actividad biolgica.

En el estudio del Ciclo Exgeno desempean roles principales la qumica de las soluciones, los conceptos de Eh, pH y potencial inico, la actividad

biolgica en la meteorizacin de las rocas y en la formacin de sedimentos

y rocas biognicas, as como la actividad bioqumica de las bacterias. Por

otra parte, se trata de un ciclo particularmente complejo, puesto que en l

interactan la litsfera superior, la hidrsfera, la atmsfera y la bisfera, as

como la antropsfera, cuya importancia geolgica y geoqumica ha llegado

a ser muy grande.

Finalmente, cabe sealar que materias tan importantes como la intervencin humana en el ciclo del carbono, responsable de la

intensificacin del efecto invernadero y del calentamiento global, forman

parte del estudio del Ciclo Exgeno. En ese estudio es muy til la

elaboracin de diagramas de cajas, que muestran los tonelajes

acumulados en cada uno de los compartimentos del ciclo del carbono, as

como la modelacin de los flujos del elemento entre cada uno de ellos.

33

(Jacobson et al., p. 346)

3.5 Qumica de las soluciones

Las reacciones qumicas se desarrollan con una velocidad muy superior en solucin, y el agua es el nico solvente importante en los niveles superiores

de la corteza y en la superficie de la tierra. Por otra parte, el importante rol

cataltico, de la actividad bioqumica bacteriana necesita tambin de la

presencia de soluciones.

A diferencia de la mayora de los solventes orgnicos, cuya naturaleza es no polar, y el agua es un solvente polar. Esto se debe a la estructura de su

molcula donde las cargas positivas de los dos protones (H+) se disponen

en forma opuesta a las dos cargas negativas producto de los dos electrones

transferidos al oxgeno. Puesto que los compuestos inicos como NaCl,

CaSO4, etc., se mantienen unidos por la atraccin elctrica entre el catin y

34

el anin, cuando el dipolo del agua interfiere entre ambos, la unin se

rompe y ambos iones se separan, quedando en solucin como tales.

Aparte de este modo de disolucin en agua, existen otros dos: la molecular y la coloidal. la primera se observa en compuestos como el azcar, que no

tiene naturaleza inica y cuyas molculas se disuelven en agua. Tambin

los compuestos inizables, cuando la solucin satura, pueden disolverse en

parte en forma molecular.

Las soluciones coloidales estn constituidas por partculas mucho mayores, formadas por agregados de molculas, que se mantienen dispersas en el

agua (en vez de flocular y precipitar) por efecto de cargas elctricas

superficiales. Cuando tales cargas son perturbadas por factores fsico

qumicos (por ej., cuando un rio entrega sus solutos coloidales al agua del

mar), se produce su floculacin. De especial importancia son las soluciones

coloidales de xidos hidratados de Fe y de Mn, as como de minerales de

arcilla y de compuestos orgnicos.

La solubilidad de los compuestos que se disuelven en forma inica se mide a travs de su producto de solubilidad (Kps). As, un compuesto AB que

tiene un Kps 10-12 se disolver hasta que la concentracin de A y la de B

sea 10-6, puesto que [A+] [B-] = 10-12 [A] = [B] = X X2 = 10-12 X = 10-6

La unidad de medida utilizada en este tipo de clculos es moles/L (moles por litro). Un mol se define como el peso molecular de la substancia

expresado en gramos. Por ejemplo, un mol de NaCl equivale a 23 + 35 = 58

g y uno de CaSO4, a 40 + 32 + 4 x 16 = 136 g.

El efecto denominado del in comn se refiere a la interaccin de distintos solutos en la concentracin de sus iones. Supongamos que una solucin

contiene solamente iones del compuesto AB cuyo Kps. es 10-12 y por lo

35

tanto [A+] = [B-] = 10-6 moles/L. Si a esa solucin se le agrega otro

compuesto AC, que tiene un Kps 10-8, entonces [A+] = [C-] = 10-4. Esto

afectar al compuesto AB, considerando que ahora [A+] = 10-4. En

consecuencia, 10-4 x [B-] = 10-12, y por lo tanto [B-] = 10-8, vale decir cien

veces menor que la que tena inicialmente. Ntese que la simplificacin del

clculo matemtico es posible por la importante diferencia de magnitud

entre ambos Kps.

El proceso descrito es muy importante en la formacin de minerales por interaccin de soluciones. Por ejemplo, cloruro de bario (BaCl2) es un

compuesto de elevada solubilidad, y tambin lo es el sulfato de sodio

(Na2SO4). En cambio, la solubilidad de BaSO4 es bajsima. En

consecuencia, de la interaccin de ambas soluciones resulta el depsito de

BaSO4 (baritina), comn en ambientes hidrotermales de baja temperatura.

Un factor muy importante en la qumica de las soluciones es su pH, en particular sobre aquellos compuestos susceptibles de hidrlisis (vale decir,

los constituidos por un catin fuerte y un anin dbil o viceversa (se

entienden por catin dbil aquel cuyo hidrxido presenta baja disociacin

inica, y por anin dbil aquel cuyo cido se disocia dbilmente).

En el agua pura una muy baja proporcin de sus molculas est disociada en H+ y OH-. En trminos matemticos [H+] [OH-] = 10-14 moles/L. Se define

como pH el valor de log10 [H+]. Por lo tanto en agua pura pH = - log 10 -7

= 7 (puesto que [H+] = [OH-]). En trminos estrictos, se entiende que H+ se

une a la molcula de agua, formando el ion H3O+ (hidronio), pero ello no

tiene mayor relevancia para los efectos prcticos que nos interesan aqu.

Si se agrega a agua pura una sal formada por un cido dbil y una catin fuerte, como NaHCO3 (bicarbonato de sodio), su ionizacin tiene el

siguiente efecto: NaHCO3 + H2O = H2CO3 + Na+ + OH-. En consecuencia,

36

se incrementa la concentracin de [OH-] y por lo tanto disminuye la de [H+],

puesto que debe respetarse la ecuacin [H+] [OH-] = 10-14 moles/L. El caso

opuesto es el de FeCl3 (cloruro frrico) donde: FeCl3 + 3H2O = Fe (OH)3(s) +

3H+ + 3Cl-. Esto se debe a que Fe3+ es un catin dbil, vale decir, su

hidrxido est poco disociado. En consecuencia, en el primer caso, la

solucin se har alcalina o bsica (pH > 7) y en el segundo, cida (pH < 7).

La hidrlisis es un fenmeno de gran importancia geoqumica, en particular en el Ciclo Exgeno. Este tema se ver nuevamente en la siguiente

seccin, en particular respecto a su relacin con el Eh (potencial de

reduccin-oxidacin o redox de las soluciones).

3.6 El Potencial Inico y los Diagramas Eh pH

Al construir un diagrama de ejes coordenados, en el cual se representa el radio de los iones en el eje vertical y su carga elctrica positiva en el eje

horizontal, se observa que stos se agrupan en distintas regiones del

diagrama, y que ellas coinciden con sus principales propiedades qumicas.

Estas agrupaciones pueden ser separadas mediante lneas radiales que

parten de la interseccin de los ejes, como muestra la Fig. 15.

Puesto que los elementos qumicos pueden tener ms de una valencia, sus distintos iones ocuparn diferentes posiciones en el diagrama. Esto, no

solamente respecto al eje horizontal (valencia positiva) sino tambin

respecto al vertical, debido que al perder ms electrones su radio inico

disminuye. Tal es, por ejemplo, el caso del Fe3+, respecto al Fe2+, en el que

el primero tiene mayor carga elctrica, as como menor radio inico.

La relacin entre el radio inico y la carga elctrica positiva de un in define su potencial inico: P.I. = C.E. / R.I. Aquellos iones que poseen un radio

37

alto y una carga positiva baja, como lo de los grupos 1 A y 2 A,

denominados alcalinos y alcalino trreos, se disuelven en forma de

iones simples (Na+, Ca2+, etc.) los que no son afectados por hidrlisis. Los

iones de un segundo grupo, que incluye Al3+ y Fe3+, tambin se disuelven en

forma simple, pero tienden a formar hidrxidos poco disociados, en

condiciones bsicas o neutras, vale decir, son afectados por hidrlisis. Un

tercer grupo principal rene iones de bajo radio y alta valencia, como C4+,

N5+ y S6+. Estos no forman iones simples, pero se disuelven como aniones

complejos ( CO3=, NO3- y SO4= etc.).

(Siegel, p. 51)

38

El caso del Fe, como el del Mn presentan especial inters, porque su conducta en solucin depende de su valencia y por lo tanto, de su carga

elctrica y radio inico. As, el Fe2+ se sita junto a los elementos del

primero grupo, y sus soluciones no son afectadas por la hidrlisis, lo que

facilita su migracin con el agua subterrnea. En cambio, la forma oxidada

Fe3+ se encuentra con los iones del segundo grupo, de manera que Fe3+ se

combina con OH-, dando lugar a la precipitacin de Fe (OH)3.

Puesto que tal conducta (anloga a la que presenta Mn y otros elementos) est determinada tanto por el pH de la solucin como por las condiciones

de oxidacin que producen el paso de Fe2+ a Fe3+, el estudio del

comportamiento de los elementos qumicos en solucin bajo diferentes

condiciones fsico qumicas utiliza como una herramienta geoqumica

principal, los diagramas Eh - pH. Al respecto, estos diagramas representan

el Eh, vale decir, el resultado total de los distintos pares de xido

reduccin presentes en la solucin, en el eje vertical, con el pH en el eje

horizontal.

39

Los diagramas Eh pH se pueden construir

tanto experimentalmente

como sobre la base de

ecuaciones

termodinmicas. Ellos

muestran los campos de

estabilidad de cada una de

las especies inicas o

moleculares, los que estn

separados por lneas que

indican la frontera entre

ellas. La posicin de tales

lneas depende de

propiedades

termodinmicas intensivas,

como la temperatura y de

propiedades extensivas,

como la concentracin de

las especies presentes, las

que deben ser indicadas

en el diagrama respectivo.

(Brookins, p. 11)

En el caso del diagrama Eh pH del hierro (Fig. 17), podemos ver que una lnea horizontal separa el campo del Fe3+ (valores de Eh ms altos) del

campo de Fe2+ en la parte izquierda del diagrama. Ninguna de estas formas

es afectada por hidrlisis, porque en esa parte domina la acidez y en

consecuencia la concentracin de OH- es muy baja para que se produzca la

precipitacin de Fe (OH)3.

40

El caso opuesto ocurre a la derecha del diagrama, donde tanto la forma oxidada superior como la reducida inferior se presentan como hidrxidos,

puesto que el equilibrio est desplazado hacia la derecha por la gran

concentracin de grupos OH- : Fe2+ + 2OH- = Fe (OH)2(s) K1 = Fe (OH)2 /

/[Fe2+] [OH]2 ; y con mayor razn an: Fe3 + 3OH- = Fe (OH)3(s) K2 = Fe

(OH)3 / [Fe3+] [OH-]3.

Sin embargo, la parte ms interesante del diagrama est constituida por la lnea intermedia de pendiente negativa que une a las otras dos. Ella est

controlada por la ecuacin: Fe2+ + 3H2O = Fe (OH)3 + 3H+ + e. E0 = +1.06 v.

E = E0 + 0.059 log [H+]3 / [Fe2+]

Si la concentracin de Fe2+ es 1M, Eh = 1.06 0.177 pH.

Si la concentracin de Fe2+ es 10-7M Eh = 1.47 0.177 pH.

En consecuencia, ambas ecuaciones separan los campos de estabilidad de

Fe3+ y Fe2+ bajo distintas condiciones de concentracin de Fe2+.

41

(Krauskopf, p. 248)

Como es lgico en todo diagrama cartesiano, una lnea horizontal o vertical implica que slo existe una variable y que la otra se comporta como

constante. As, hay reacciones que slo afectan al grado de oxidacin del

elemento, sin que en ello intervenga el pH, y otras en las que slo

interviene la variacin del pH, como en los equilibrios entre H2CO3 = H CO3-

+ H+ y HCO3- = CO32- + H+, cuyos campos estn separados naturalmente

por lneas verticales. En cambio, lneas inclinadas, como en el campo de pH

intermedio del diagrama del hierro, implican que ambas variables

desempean un rol activo.

42

Los diagramas Eh-pH tienen importantes aplicaciones en geoqumica bsica, de exploracin minera y ambiental, as como en otros campos de la

ciencia y la tecnologa, como la hidrometalurgia. En exploracin geoqumica

nos indican en qu medios y condiciones podemos encontrar los

elementos cuyas concentraciones anmalas buscamos. Tambin tienen

importantes aplicaciones en el campo de la metalognesis de yacimientos

exgenos, como los depsitos exticos del cobre, de las mineralizaciones

del tipo capas rojas (Cu, U, V, etc.) y de aquellas ligadas a ambientes

reductores (lutitas negras).

(Krauskopf, p. 250)

43

3.7 Soluciones Hidrotermales y Alteracin Hidrotermal

El trmino solucin hidrotermal slo implica la existencia de agua caliente con substancias disueltas en ella y tales soluciones pueden tener

numerosos y variados orgenes, tanto respecto de la fuente del agua como

de la fuente trmica responsable de su temperatura. Por ejemplo, el agua

puede proceder de un intrusivo gneo en proceso de cristalizacin o estar

mezclada con aguas producto de deshidratacin metamrfica, aguas de

origen diagentico o aguas subterrneas profundas. Igualmente, el calor

puede tener origen geotrmico sin relacin directa con cuerpos

magmticos.

La salinidad de las soluciones hidrotermales contribuye a su capacidad de transportar metales a travs de dos mecanismos principales. Uno de ellos

es el efecto de la fortaleza inica (ionic strenght) de la solucin, generado

por la suma de los cationes y aniones presentes, los que se interponen

entre los cationes y aniones susceptibles de dar lugar a la precipitacin de

sales, dificultando su unin. As se da la paradoja de que una sal en

particular sea ms soluble en una solucin rica en otros iones que en el

agua pura (desde luego, excluyendo lo relativo al efecto del ion comn

antes reseado).

El segundo mecanismo corresponde a la generacin de iones complejos, que se facilita en soluciones ricas en cloruro y otros aniones. Este

mecanismo tambin implica efectos aparentemente paradjicos. Por

ejemplo, si a una solucin que contiene iones Hg2+ se agrega H2S u otra

fuente de iones S2-, se produce la precipitacin de HgS por efecto de la

reaccin Hg2+ + S2- = HgS(s). Sin embargo, si el in sulfuro es agregado en

exceso en la forma de Na2S, el precipitado de HgS se disuelve. Ello ocurre

porque se forma el ion complejo soluble HgS2-2: producto de la reaccin

HgS(s) + Na2S = 2Na+ + HgS2-2.

44

La formacin de iones complejos, en particular clorurados y sulfurados explica la capacidad de transporte de metales pesados por soluciones

hidrotermales, pese a que sus sulfuros presentan valores de Kps muy

bajos. Por otra parte, cuando estos iones metlicos complejos se

desestabilizan, se produce el depsito de los sulfuros, sulfosales, xidos o

metales nativos correspondientes a los diferentes elementos metlicos

transportados como complejos. Por ejemplo, en el caso del oro esto ocurre

principalmente por desestabilizacin de su complejo bisulfurado: Au (HS-)2-

+ e = Au + 2HS- o bien:

Au (HS-)2- + e + 2H+ = Au(s) + 2 H2S

Au (HS-)2- + e + 2OH- = Au (s) + 2S2- + 2H2O.

En el primer caso interviene un proceso de reduccin (del Au+); mientras en

los dos siguientes acta tambin un cambio en el pH que convierte al HS-

en H2S (efecto cido) o en S2- (efecto bsico).

Tambin un in complejo se puede desestabilizar por un simple proceso de dilucin, al disminuir la concentracin del in que posibilite su formacin

(Cl-, HS-, S2-, etc.). Ello produce la precipitacin de minerales sulfurados

cuando las soluciones hidrotermales que los transportan se diluyen al

interactuar con aguas subterrneas profundas.

Cuando una solucin hidrotermal se mueve a travs de las fracturas de las rocas o de sus zonas con permeabilidad primaria, se producen una serie de

cambios que afectan su temperatura, presin y composicin qumica. Ellos

afectan por una parte la estabilidad de los complejos. Por otra, la roca es

alterada (alteracin hidrotermal), en particular cuando las soluciones

hidrotermales adquieren acidez. Al respecto, un proceso importante es la

oxidacin que ocurre al acercarse la solucin hidrotermal a la superficie

45

terrestre lo que aumenta su grado de oxidacin (debido a la presencia de

oxgeno atmosfrico en las aguas subterrneas).

.

Ello afecta principalmente al in S2-, puesto que el H2S es un cido dbil, que al oxidarse da lugar a la formacin de un cido muy enrgico, el H2SO4.

La interaccin de los hidrogeniones H+ con los silicatos de las rocas da

lugar a su disolucin o a su conversin en silicatos de menor temperatura, a

travs de reacciones como las siguientes:

Mg SiO3(s) + 2H+ = Mg2+ + SiO2 + H2O

Feldespato + nH+ = Me+, Me2+ + sericita + SiO2 (alteracin serictica)

Sericita + nH+ = Me+, Me2+ + arcilla (alteracin arglica)

Arcilla + nH+ + SO42 = alunita + SiO2 (alteracin arglica avanzada)

3.8 La Oxidacin de los Sulfuros y el Drenaje cido

La meteorizacin de los minerales sulfurados, en particular su oxidacin, da lugar a productos de reaccin que pueden generar, indirectamente, una

leve acidez. Por ejemplo, sulfuros de Cu, Zn y otros metales de base pasan

a formar sulfatos, que no son compuestos cidos de por s. Sin embargo,

su hidrlisis genera una dbil acidez secundaria:

CuS + 2 O2 = Cu SO4 = Cu2+ + SO42- Cu2+ + H2O = Cu (OH)+ + H+

Este efecto se magnifica en el caso del FeS, puesto que la oxidacin

posterior del Fe2+ produce un mayor nmero hidrogeniones:

FeS + 2 O2 = Fe SO4 = Fe2+ + SO42- Fe2+ = Fe3+ + e

Fe3+ + 3H2O = Fe (OH)3 + 3H+

46

Sin embargo, la generacin de acidez alcanza su mximo en el caso de la oxidacin de pirita, FeS2, debido a la estructura anormal de este mineral,

que contiene un tomo extra de azufre. As, por una parte, FeS produce

por oxidacin y posterior hidrlisis 3H+ (ecuacin anterior), pero a ello se

agrega el efecto del tomo extra de azufre:

S2- + 4H2O = SO42- + 8H++ 8e

En consecuencia, sumados a los 3 H+ anteriores, resulta que la oxidacin

de una sola molcula de FeS2 da lugar a la liberacin de 11 H+.

Lo recin expuesto explica la gran importancia de la presencia de pirita, tanto en el enriquecimiento secundario de los yacimientos de cobre como

en la formacin de yacimiento exticos del mismo metal. Ello, puesto que

el cobre necesita de un ambiente cido para poder migrar, ya sea

verticalmente (enriquecimiento secundario) u horizontalmente (depsitos

exticos). De otra manera, el cobre se hidroliza y precipita como hidrxido

(Cu (OH)+, Cu (OH)2).

El proceso de generacin de drenaje cido asociado a la oxidacin de

pirita tiene, en cambio, efectos dainos en materia ambiental. Ello, no slo

porque la solucin adquiere acidez, lo cual produce efectos negativos para

la flora y la fauna, as como corrosin en canales, instalaciones de riego,

etc., sino porque la acidez facilita tambin la disolucin y movilizacin de

metales pesados, los cuales presentan grados importantes de toxicidad.

En trminos de exploracin geoqumica, la oxidacin de los sulfuros abre la

posibilidad de encontrar contenidos importantes de metales tanto en el

agua subterrnea y superficial como en los sedimentos fluviales. Al

respecto, en condiciones de clima rido o semi rido, la alcalinidad de los

suelos conlleva la de las aguas de los ros y por lo tanto la neutralizacin

47

del drenaje cido. En esas condiciones, el contenido de Cu y otros metales

presentes en el agua es transferido a los sedimentos fluviales finos, por

efecto de su hidrlisis. En cambio, en condiciones de clima lluvioso, con

vegetacin abundante, el drenaje cido no es neutralizado y los metales

permanecen en solucin.

La situacin descrita es en particular vlida para Cu y Zn. En cambio, Pb se

comporta de manera diferente, porque su sulfato posee un bajo Kps, lo que

limita su concentracin en el agua. En consecuencia, en presencia de

altos contenidos de sulfato (como ocurre en buena parte del drenaje en

Chile) el Pb debe ser analizado en los sedimentos. Otro caso especial, es

el de Mo, debido a que su movilidad est limitada por la sorcin en

Fe(OH)3.Sin embargo, Mo puede movilizarse bajo la forma de molibdato,

en medio alcalino y oxidante (con valencia 6+). Ello implica que las aguas

procedentes de relaves de las explotaciones de prfidos cuprferos pueden

ser fuentes contaminantes de este metal.

48

CAPTULO 4: GEOQUMICA ENDGENA Y PROVINCIAS METALOGNICOS

http://www.uclm.es/users/higueras/yymm/YM12.html

http://www.ucm.es/info/crismine/Geologia_Minas/Modelos_Exploracion.htm

http://enlamaleta.es/el-archipielago-de-los-volcanes.html http://www.ingenieriageofisica.com/apuntes-de-yacimientos-minerales

http://www.elesquiu.com/notas/2011/10/13/contextominero-215537.asp

http://www.mch.cl/noticias/imprimir_noticia_neo.php?id=23400

49

4.1 La Historia Geolgica de la Tierra y sus Yacimientos Minerales

Uno de los dichos ms repetidos en exploracin minera seala: Si uno

quiere cazar leones, debe ir al frica. En trminos operativos esta

asercin puede ser tomada de dos maneras diferentes. La primera,

simplemente explorar donde se sabe que el tipo de yacimientos que nos

interesa es abundante. Esa es la razn, por ejemplo, de la presencia de

tantos grupos de exploracin minera que trabajan o han trabajado en

pases como Chile y Per.

La segunda, ms interesante, nos puede llevar a preguntarnos el por qu existen esos yacimientos en determinados lugares del mundo, y si hay otros

lugares que renen similares condiciones geolgicas pero han sido, por

distintas razones, poco explorados. En esta aproximacin, la tectnica de

placas, con la petrologa y la geoqumica, ofrecen hoy importantes criterios

de decisin. Al respecto, el trabajo de M. Fonteilles ejemplifica una de las

primeras aplicaciones modernas de estos criterios.

A fines de los 1960s, el B.R.G.M. de Francia estaba considerando la posibilidad de explorar por cobre y otros metales de base en una regin

volcnica de la isla de Madagascar, al SE de frica. Fonteilles, que haba

investigado la estrecha relacin entre el magmatismo calcoalcalino y los

yacimientos de esos metales en los arcos de islas del Pacfico occidental,

propuso estudiar la naturaleza petrolgica de ese volcanismo mediante

diagramas AFM (lcali hierro magnesio). Realizado el estudio se

constat que se trataba de series volcnicas del tipo tholetico,( no

calcoalcalino ), lo que condujo a objetar la exploracin propuesta.

50

(Rosler y Lange, p. 260)

(Pelissonnier, p. 97)

El desarrollo de la tectnica de placas, que surgi poco despus, explic esa relacin emprica a travs del efecto metalognico de la subduccin de

placa ocenica, que da lugar a la formacin de arcos de islas y de cadenas

magmticas de tipo andino, a las que se asocian yacimientos como los

51

prfidos cuprferos con Au o Mo, buena parte de los yacimientos de metales

de base, epitermales de oro y plata, etc.

Al respecto, la geologa moderna reconoce la compleja evolucin de la corteza y el manto de la Tierra, la cual incluye una primera etapa, bastante

catica que dio lugar, al cabo, de unos 500 Ma a la corteza primitiva,

seguramente delgada. Durante ella y posteriormente, la cada de asteroides

debe haber destruido partes de esa corteza en repetidos episodios.

Tambin la atmsfera y la hidrsfera primitiva se desarrollaron entonces,

junto con el inicio de las primeras formas de vida.

Alrededor de 3500 millones de aos atrs, se produjo un cambio geoqumico principal cuando aparecen las cianobacterias con su capacidad

de utilizar la energa solar para romper la molcula de agua y sintetizar

compuestos orgnicos utilizando CO2. Ello, porque ese proceso gener

oxgeno como subproducto, el cual alter el potencial de xido reduccin

de las aguas ocenicas. Como consecuencia de ello, enormes cantidades

de hierro ferroso (Fe2+) presentes en solucin en las aguas ocenicas,

precipitaron como Fe(OH)3 , dando lugar a la formacin de depsitos

ferrferos de xidos bandeados.

Tambin en esas etapas tempranas se formaron los grandes yacimientos

de cromitas y platinoides (en parte con sulfuros de Ni y Cu) asociados a

cuerpos mficos lopolticos, como Bushveld, en Sudfrica y Sudbury, en

Canad. El hecho de que no se hayan formado depsitos similares

posteriormente, sugiere que la consolidacin, de la corteza dificult su

ocurrencia. Al respecto, al menos en el caso de Sudbury, es probable que

le impacto de un asteroide haya facilitado el ascenso de material

procedente del manto.

52

(En Apuntes L. Meinert)

(Pleissonnier, p. 23)

53

Los actuales continentes estn constituidos por retazos de las muchas veces repetida historia de fragmentacin y crecimiento magmtico de las

masas continentales, proceso cuya fuente energtica es la radioactividad

del Manto, responsable a su vez de las corrientes de conveccin, que

mueven las placas tectnicas y dan lugar a la formacin de nuevas placas

que surgen en sus lneas de divergencia. En tanto, en las lneas de

convergencia de placas tectnicas ocenicas entre s o de placas

ocenicas y continentales, surgen respectivamente arcos de islas

volcnicas y cadenas magmticas de tipo andino, que dan lugar a distintas

oportunidades metalognicas, en conjunto con otros procesos geolgicos.

4.2 Los Ambientes Metalognicos Endgenos

Ambientes cratnicos: Aunque actualmente situados en el interior de bloques con corteza continental gruesa, algunos de estos depsitos

pueden haberse formado bajo condicines geotectnicas muy diferentes

(como es el caso de los depsitos ferrferos bandeados, depositados en

medio marino). Entre los principales tipo de depsitos que se encuentran

actualmente en ambientes cratnicos estn los cuerpos lopolticos mficos

con Cr, platinoides y Ni, as como los depsitos diamantferos en

chimeneas kimberlticas y los cuerpos con Nb Ta (coltn), tierras raras,

uranio, etc asociados a magnetismo alcalino.

Bordes divergentes de placas: La separacin de placas tectnicas producida por corrientes de conveccin divergentes en el Manto, da lugar

inicialmente a un refting tectnico, vale decir un valle tectnico alargado,

y al inicio de generacin de magmas alcalinos. En estas condiciones, la

penetracin de agua de mar a travs de fracturas extensionales, como en

el caso del Mar Rojo, lixivia hidrotermalmente los metales de las rocas que

atraviesa y los deposita en el fondo ocenico. Cuando este proceso, se

54

encuentra en una etapa avanzada, como ocurre en las dorsales ocenicas,

en ambas mrgenes del valle tectnico submarino central se producen

surgencias hidrotermales, responsables de la formacin de los black

smokers, especies de chimeneas que expelen soluciones coloidales de

sulfuros de metales como Cu, Zn, Pb, etc. Se entiende que este proceso es

el responsable de la formacin de los depsitos tipo sulfuros macizos.

Bordes convergentes de placas: Tanto en los arcos de islas volcnicas (producto de la subduccin de una placa ocenica bajo otra), como en los

mrgenes de tipo andino (donde la placa ocenica es subductada bajo la

placa continental) se genera magmatismo de tipo calcoalcalino. Se

entiende que este magmatismo, empobrecido en Fe respecto al tholetico y

rico en agua y en azufre, as como en metales de base, se produce por

efecto de la deshidratacin de la placa ocenica subductada, actuando el

agua liberada como fundente de las rocas del Manto situado sobre esa

placa. Aunque el magmatismo de los arcos de estas es algo ms mfico

(dioritas y andesitas baslticas) que el de los mrgenes de tipo andino

(granodioritas y andesitas) su efecto metalognico es similar, aunque con

ligeras diferencias (por ej., prfidos cuprferos de Cu Au en los arcos de

islas; prfidos cuprferos de Cu Mo en los mrgenes de tipo andino).

4.3 Provincias Geoqumicas y Provincias Metalognicas

La clasificacin del magmatismo en alcalino, calcoalcalino y tholetico reviste especial importancia petrolgica y geoqumica, aparte de sus

tambin relevantes connotaciones geotectnicas y metalognicas. Por una

parte, permite explicar la distribucin de los yacimientos metalferos

endgenos cenozoicos, a travs de sus relaciones con la tectnica de

placas, expuestas en la seccin anterior. Por otra permite, a la manera del

estudio citado de M. Fonteilles, evaluar el potencial metalognico de

55

complejos magmticos de edades ms antiguas, distribuidos en los

distintos terrenos que configuran los continentes.

El magmatismo alcalino reviste especial importancia en relacin, con los elementos denominados raros, como los lantnidos (tierras raras),

actnidos (Th, U), y otros elementos como Sc, Y, Hf, Nb, Ta, etc. Su

generacin implica un bajo grado de fusin parcial de los silicatos del Manto

y ocurre tanto en zonas de convergencia de placas como el interior de

cratones continentales. En el primer caso, se sita en el sector ms alejado

de la fosa ocenica. En el segundo, puede estar relacionado con puntos

calientes (hot spots) o con el desarrollo temprano de una lnea de

divergencia de placas. Frecuentemente se asocian a complejos

pegmatticos, as como a la presencia de carbonatitas (vale decir, rocas con

carbonatos de origen magmtico).

El magmatismo calcoalcalino es caracterstico de zonas de subduccin. Su generacin implica un grado intermedio de fraccionamiento y diferenciacin

de los materiales del Manto, y en ella participa tanto la fusin de la corteza

ocenica y de los sedimentos introducidos por la placa subductada, como la

zona del Manto situada sobre dicha placa.

56

El magma as formado

asciende a travs a travs

del Manto y experimenta

diferenciacin por

cristalizacin fraccionada en

la base de la corteza. Es un

magma rico en agua, azufre

y metales y a l se vinculan

los prfidos cuprferos, los

yacimientos epitermales de

metales preciosos, los

depsitos ferrferos tipo

Kiruna (como los del norte de

Chile) y buena parte de los

depsitos de metales de

base en general. La

evolucin metalognica de la

cadena andina (Oyarzn,

1985, 1991, 2000) muestra

claramente el potencial

metalfero de este tipo de

magmatismo en condiciones

de convergencia placa

ocenica - placa continental.

(Dhana Raju, p. 54)

Respecto a las situaciones de convergencia placa ocenica placa

ocenica, la evolucin metalognica de la plataforma de Fidji, descrita por

Colley y Greenbaum (1980), es particularmente ilustrativa.

57

(Dhana Raju, p. 55)

El descubrimiento del gigantesco depsito de cobre con oro, uranio y tierras raras de Olympic Dam, en Australia, que dio lugar a la definicin del tipo

IOCG (iron ore, copper, gold) despert un gran inters prospectivo por

depsitos de hierro del tipo Kiruna, que pudieran estar asociadas a

minerales de Cu, Au, U o tierras raras. Un rasgo considerado importante en

Olympic Dam fue su alto contenido de itrio (Y).

58

(Levinson, p. 24)

Si se considera el emplazamiento geotectnico de Olympic Dam, se observa su posicin transicional en una plataforma precmbrica,

relativamente alejado de la respectiva zona de subduccin inferida El

yacimiento es del tipo chimenea de brecha, una subclase estructural de

los prfidos cuprferos, por lo que se puede suponer que constituye un tipo

transicional entre los ligados al magmatismo calcoalcalino y alcalino. En

59

cambio, los depsitos adscritos al tipo IOCG de Chile, como Candelaria, no

presentan relacin con magmatismo alcalino ni estn alejados de la zona

de subduccin contempornea a su formacin. Por lo tanto, no es

razonable esperar que ellos presenten contenidos especiales de Y, U ni

tierras raras.

Algo similar ocurre con los depsitos ferrferos tipo Kiruna de Chile. Aunque la faja ferrfera cretcica del norte de Chile se asocia a algunas anomalas

radioactivas, la apatita que acompaa a la mineralizacin de magnetita slo

contiene tierras raras en baja concentracin. Ello confirma la importancia de

la posicin geotectnica del magmatismo, en cuanto al tipo de asociacin

mineralgica depositada.

El magmatismo tholetico es el menos diferenciado y no presenta el empobrecimiento en Fe caracterstico del calcoalcalino. Sin embargo puede

generar yacimientos por cristalizacin fraccionada o desmezcla en sus

transiciones mficas komatticas (caso lopolitos con Cr, platinoides, Ni, etc.)

Tambin puede dar lugar a depsitos polimetlicos por efecto de la

lixiviacin de su contenido metlico por infiltracin de aguas marinas, en las

lneas de fractura del fondo ocenico ( caso de los black smokers de las

dorsales, que dan lugar a la formacin de depsitos tipo sulfuros macizos).

Por las razones antes descritas, la identificacin de la naturaleza del magmatismo en terrenos antiguos entrega importantes criterios respecto a

que mineralizaciones es posible encontrar, y a que elementos qumicos

conviene considerar en una exploracin geoqumica.

60

CAPTULO 5: GEOQUMICA ISOTPICA Y SUS APLICACIONES

http://radioactividadartificialoinducida.blogspot.com/ http://html.rincondelvago.com/radiactividad-artificial-y-natural.html

http://silvana-xtina.blogspot.com/2009/07/que-radiaciones-emiten-los-isotopos.html

http://www.fort.usgs.gov/resources/spotlight/shorebird_isotopes/sp-isotopes_howtheywork.asp

http://zco1999.wordpress.com/2010/03/15/foraminiferos-los-legionarios-del-oceano-invisible/

http://www.ccbp.org/es/ciencia.php?PHPSESSID=869cd24e105c84d10d957870b70f2d43

61

5.1 Estructura Atmica y Radioactividad

En trminos estrictos, nadie sabe cmo est constituido un tomo, y los modelos ms sofisticados incluyen trminos tan extraos e imaginativos

como quarks, gluones, partculas encantadas, etc. Sin embargo, no

necesitamos introducir mayores grados de complejidad del requerido para

explicar y predecir su conducta en el nivel de nuestro trabajo. Para tal fin,

es adecuado el modelo atmico simple, constituido por un ncleo formado

por protones (masa 1, carga 1) y neutrones (masa 1, carga 0), rodeado por

orbitales electrnicos (masa 0,0005, carga -1).

Mientras la suma de protones y neutrones determinan la masa de un tomo (el peso atmico), slo los protones determinan su naturaleza como

elemento qumico. Esto es as porque un mismo elemento puede

presentarse en forma de tomos con distinto nmero de neutrones. Por

ejemplo, hay tomos de oxgeno (n atmico 8) con 8 protones, 8 neutrones

y 8 electrones (masa 16) as como otros con 8 protones, 10 neutrones y 8

electrones (masa 18). Se afirma entonces que el oxgeno presenta un

istopo de masa 16 (16 O8) y otro, mucho menos abundante, de masa 18

(18O8). Respecto al nmero de electrones, este no determina la naturaleza

de un tomo. De hecho, cuando un elemento entra en combinacin

qumica, entrega, recibe o comparte electrones con otro, sin que su

naturaleza se modifique por eso (aunque s sus propiedades). Nota: 18 O8

implica masa atmica 18 y nmero atmico 8.

Si se grafica la abundancia de los elementos qumicos en el cosmos contra su nmero atmico, se observa que ella disminuye fuertemente (varias

rdenes de magnitud) al aumentar el nmero atmico. Por otra parte,

tambin existe una relacin emprica entre la divisibilidad de la masa

atmica de un istopo y su abundancia. Aquellos divisibles por 4 son ms

62

abundantes que los divisibles por 2 (por ejemplo 16 O8 es ms abundante

que 18 O8) y estos ltimos lo son respecto a los de masa impar (con la

notable excepcin del hidrgeno 1H, ms abundante que 2H). sta es la Ley

de Oddo y Harkins.

Algunas configuraciones nucleares llegan a ser inestables y se desintegran emitiendo partculas y energa electromagntica de alta frecuencia. Es el

fenmeno conocido como radiactividad. A travs de la radioactividad un

istopo (istopo radioactivo) se convierte en el istopo de otro elemento,

que puede ser estable o bien inestable. En algunos casos, como en la serie

del 235U82, esto da lugar a una secuencia de istopos radioactivos

intermedios, hasta que finalmente se llega al istopo estable 207Pb82.

La radioactividad natural se expresa por la emisin de energa electromagntica de alta frecuencia (radiacin gamma) y de dos tipos de

partculas, alfa y beta. Las partculas alfa estn constituidas por dos

protones y dos neutrones y son equivalentes al ncleo del elemento helio.

En consecuencia su masa es 4 y su carga elctrica 2+. Las partculas beta

constituyen electrones emitidos por el ncleo. Puesto que el ncleo atmico

no contiene electrones, ello se explica asumiendo que los neutrones estn

constituidos por la unin de un protn y un electrn, lo cual es consistente

con su carga (+1 1 = 0) y con su masa 1 (dada la escasa masa del

electrn).

Por otra parte, lo anterior es compatible y explicativo respecto al hecho de que la emisin de un electrn del ncleo no genera cambio de masa pero s

de la naturaleza del elemento, que avanza un casillero en la Tabla

Peridica. Por ejemplo: 40K19 pasa a 40Ca20 al emitir un electrn del ncleo.

En cambio, retrocede a 40Ar18 al capturar un electrn (partcula beta).

Cuando el ncleo emite una partcula alfa, el nuevo istopo resultante

63

retrocede dos lugares en la Tabla y su masa atmica disminuye en 4

unidades (por efecto de la prdida de 2 protones y 2 neutrones).

Recapitulando: se denomina istopo a cada una de las formas de un mismo elemento que slo difieren en su nmero de neutrones, y por lo tanto en su

masa atmica. Estos istopos pueden ser estables o no. Cuando no lo son,

emiten partculas atmicas y energa y se convierten en el istopo de otro

elemento, que puede ser estable o inestable. Tanto los istopos inestables

(radioactivos) como lo estables tienen importantes aplicaciones en el

estudio de los procesos geolgicos, geoqumicos y metalognicos, los que

sern considerados en las dos secciones siguientes.

5.2 Istopos Radioactivos y sus Aplicaciones

A fines del siglo 19, cuando se buscaban criterios cientficos para estimar a edad de la Tierra, un geoqumico, Joly, y un eminente fsico, Lord Kelvin,

propusieron dos interesantes aproximaciones al problema. El primero,

parti de la suposicin de que los ocanos inicialmente estuvieron

formados por agua dulce. Calculando la contribucin anual de sales

disuelta entregadas por los ros al mar, lleg a una cifra del orden de los

100 Ma (millones de aos). Por su parte, Kelvin parti de la suposicin

correcta de que la Tierra estuvo inicialmente fundida, y asumiendo la

entalpa y la distribucin de temperaturas que ello implicaba, as como

aplicando las ecuaciones de conductividad trmica, concluy que, su

estado actual implicaba un perodo de enfriamiento del orden de 100 Ma.

Es interesante el hecho de la notable convergencia de ambos clculos, que utilizaron datos u mtodos de distinta naturaleza, lo que pareca

confirmar su acierto. Sin embargo, ambos estaban equivocados por

64

razones que escapaban al conocimiento de esa poca. Efectivamente,

Joly confundi el tiempo de acumulacin de las sales en el ocano, con el

tiempo de residencia del Na en los ocanos (vale decir, el tiempo

promedio que un tomo de sodio permanece en el ocano antes de

retornar a otra etapa de su ciclo geoqumico). En cuanto a Kelvin, cuando

realiz su clculo no se conoca an la radioactividad, cuyo efecto trmico

mantiene estable la temperatura del interior de la Tierra. En consecuencia,

ambas estimaciones quedaron cortas por uno a dos rdenes de magnitud

de la cifra establecida posteriormente (unos 4.5 miles de Ma).

En efecto, tanto la actividad magmtica como la actividad tectnica de la Tierra son dependientes de la energa entregada por la radioactividad de

istopos distribuidos en el Manto y la Corteza, liberada bajo la forma de

radiacin gamma. Puesto que magmatismo y tectnica permiten la

renovacin de las rocas de la corteza y aseguran as la disponibilidad

permanente de nutrientes en su superficie, tambin la bisfera debe su

permanencia a la energa radioactiva, al igual que la evolucin biolgica,

que ha sido impulsada por los cambios geolgicos que ella ha hecho

posible.

La velocidad de la desintegracin d un istopo radioactivo se mide por su vida media, que es el tiempo que demora en desintegrarse la mitad de la

masa inicial de un istopo radioactivo. As, si esa vida media es de n aos,

ello implica que si tenemos 64g del istopo, en n ao ms quedarn slo

32g, en 2n aos, 16g; en 3n aos 8, etc. Ello tiene su expresin

matemtica la ecuacin diferencial:

dA / dt = -KA

Si A es la masa inicial del istopo, K su constante de desintegracin y la

expresin dA / A = -K dt se integra entre A y A/2, el valor de t resultante

corresponde a su vida media.

65

Puesto que K puede ser calculada experimentalmente en laboratorio, y es posible medir la cantidad final del istopo en la roca o mineral (o la cantidad

del istopo producto de la desintegracin), as como inferir la cantidad

inicial del primero, la desintegracin radioactiva permite calcular la edad de

rocas y minerales. A diferencia de la edad relativa entregada por el

contenido fosilfero de las rocas, en este caso se trata de edades absolutas,

ya sea de la roca o mineral o del proceso metamrfico que la afect (como

en el caso del mtodo K Ar, cuando ese proceso ha alterado el contenido

de Ar).

Entre los principales mtodos de datacin absoluta estn los de 40K19 40Ar20; 40Ar20 39Ar20; 87Rb37 87Sr38; 147Sm62 143Nd60; 238U92 206Pb82; 232Th90 208Pb82 y 187Re75 187Os76. Puesto que la datacin isotpica de

rocas no est en los objetivos de este curso, slo mencionaremos que el

libro de Dhana Raju (2009) presenta una descripcin detallada de cada uno

de ellos (p. 378 412). El ms utilizado de estos mtodos en los estudios

metalognicos realizados en Chile es el de K Ar, al que nos referiremos