metalurgia c2-01

2.1 Prfidos CuprferosMarcelo Gonzlez ToledoIngeniero Civil MetalrgicoCaptulo 2METALURGIAMINERALOGA Y METALURGIA

Cuando el hombre descubre los metales observa que los puede usar en su beneficio en ese instante comienza el desarrollo intelectual de la humanidad.La minera es el aprovechamiento de los minerales para diversas finalidades, siendo sta una de las actividades ms antiguas de la humanidad desde que los primeros humanos empezaron a trabajar la piedra para hacer herramientas.Era, entonces, en la Edad de Piedra, el inicio del manejo de los minerales.

a)Desarrollo intelectual de la humanidad gracias a la mineraOrgenes

Son miles de aos de compromiso de los pueblos con esa actividad, mejor dicho, ese conjunto de actividades que van desde el reconocimiento de los minerales y su extraccin del suelo, hasta los procedimientos metalrgicos cuyo conocimiento contribuy mucho al de la qumica. Tambin hay minerales no metalferos, como el carbn mineral, el yeso, las piedras preciosas, la fluorita, las sales de potasio y muchos otros.Claro, esto puede ir un poco demasiado lejos: quedmonos, entonces, en la Era del Cobre, la del Bronce y la del Hierro, que adems de la extraccin de minerales especficos, implicaba su tratamiento para extraer de ellos los metales: cobre, estao, plata, oro, hierro, plomo, zinc, algunos de los cuales han dado sus nombres a pocas enteras de nuestra Prehistoria. Posteriormente, cuando los metales son convertidos en herramientas y en mquinas nace el desarrollo de la tecnologa y de las ciencias las que, con vertiginosa velocidad, colocan al hombre en relevante situacin frente a la naturaleza.

La metalurgia, arte de extraer, concentrar, purificar, transformar y adaptar los metales, tiene su trasfondo enclavado en la prehistoria y el hombre se hizo metalurgista primero, antes que cualquier otro profesional. Con ella nace el progreso y el bienestar de la humanidad toda, creando un presente de libertadores y un futuro de amplios horizontes para las generaciones venideras.

Los metales proceden de:

Yacimientos MetalferosDesechos artificialesChatarra y Meteoritos1.1.2Procedencia

a)Metales procedentes de MineralesLos metales y dems elementos (incluyendo algunos gases), proceden de los minerales que forman la corteza terrestre. Estos metales estn en combinaciones binarias, ternarias, etc., como ocurre con el hierro, cobre, zinc, plomo, mercurio, estao, entre los ms comunes y metales no reactivos al estado elemental y en aleaciones, tales como el Au, Ag, Pt, Cu, electrum (Ag Au).Los minerales forman yacimientos que pueden ser de origen primario o secundario y dentro de ellos en una diversidad de formas que la geologa ha descrito con mucha exactitud. Dichos minerales yacen en las rocas, que forman la parte slida del globo terrestre y que se denomina corteza terrestre.Estas rocas se denominan: gneas, metamrficas y sedimentarias dependiendo cual haya sido el origen de ellas.

Dentro de los minerales metalferos ms comunes que se encuentran formando menas importantes, tenemos:

Aluminio AlCoridn Al2O3Bauxita Al2O32H2OCalcio CaFluorita CaF2Calcita Ca CO3Dolomita Ca CO3 Mg CO3Cromo CrCromita FeO Cr2 O3Cobre CuCobre nativo CuChalcocita (Calcosita) Cu2 SCalcopirita CuFeS2 (Cu2S FeS2)Bornita (pecho de paloma) Cu5 Fe S4Atacamita Cu CI2 3 Cu (OH)2Cuprita Cu2 OMalaquita Cu CO3 Cu (OH)2Azurita 2 Cu CO3 Cu (OH)2Crisocola Cu Si O3 n H2OChalcantita Cu SO4 5 H2OBrochantita Cu SO4 3 Cu (OH)2

Hierro FeHierro nativo FeHematita Fe203 70% FeMagnetita Fe3O4 72% FeSiderita Fe CO3 48% FeLimonita Fe OH nH2OPirita FeS2 32% FePlomo PbGalena PbSManganeso MnPirolusita Mn O2Mercurio HgCinabrio Hg SMolibdeno MoMolibdenita Mo S2Plata AgArgentita Ag2 SEstao SnCasiterita Sn O2Titanio TiRutilo Ti O2

IlmenitaFe Ti O3Uranio UUranita U O2Zinc ZnBlenda Zn SZirconio ZrCirconita Zr O2

Entre las gangas comunes que acompaan los minerales, tenemos: Cuarzo: SiO2; Calcita: Ca CO3; Yeso: Ca SO4 5 H2O; arcillas y rocas, en general, y que en otras oportunidades estas gangas o materiales estriles pueden constituir el mineral a explotar. Ejemplo: el cuarzo es un mineral de ganga para el cobre, pero es la base para la fabricacin del vidrio.Por otra parte, los minerales se encuentran formando yacimientos, por concentraciones naturales de ellos, y que la minera ha definido de acuerdo a como sea su forma.Ejemplos de tipos de yacimientos tenemos:

1. Yacimientos Porfricos2. Yacimientos Magmticas3. Vetiformes4. Lenticulares5. Manteados o Mantos6. Relleno de cavidades7. PlaceresY varios otros tipos ms, que sera largo de enumerar.

El hombre posee varios mtodos para prospectar y catear yacimientos minerales y para ello se sirve de:1. Observacin directa en el terreno (area y terrestre)2. Sondajes3. Magnetometra4. Sensores remotos (fotografa infrarroja)Y varios otros sistemas, hasta los ms sofisticados, como los busca tesoros, que tienen un fundamento cientfico.La bsqueda de yacimientos implica una empresa de gran envergadura, ya que se debe aportar grandes capitales, as como de personal especializado: Gelogos, Ingenieros de Minas, Ingenieros Metalrgicos, Ingenieros Elctricos, Ingenieros Mecnicos, Calculistas, Geodestas, Geoqumicos, etc., y personal de servicio, especializado en maquinarias de todo tipo.Cada tipo de yacimiento tiene caractersticas nicas y particulares, sin embargo, para una determinada sustancia, digamos Cobre, las caractersticas son similares.5. Sismologa6. Geoqumica7. Contadores

Observemos el siguiente esquema de un yacimiento de cobre y veamos lo que ocurre cuando ste sufre los efectos transformantes del medio exterior terrestre.VetaZona de LixiviacinZona de Enriquecimiento de xidos, Nivel de Aguas SubterrneasZona de Slfuros Enriquecimiento de xidos SecundariosMinerales de Relativa Baja LeyGossan o Sombrero de HierroRemocin de Minerales SolublesMalaquita, Azurita, Cobre Nativo, CrisocolaCalcosina, Covelina, Bornita, Calcopirita, PiritaCalcopirita, Pirita

b)Desechos artificiales o chatarraTodos los metales que el hombre ya ha utilizado en el conformado de piezas, fundiciones, etc., pasan a constituir desechos o chatarra, los que son comercializados y vueltos a refundir, para fabricar u obtener de ellos nuevas piezas, repuestos, etc.Todos los pases del mundo utilizan, en gran medida, los metales procedentes de chatarra, lo que constituye una fuente importante de metales.

c) MeteoritosEn el pasado, el hombre primitivo debi haber extrado metales de meteoritos que hall en la superficie de la corteza. Sin embargo, nunca en el presente siglo, por lo menos, los meteoritos han sido fuente de metales explotados por el hombre. Constituyen, eso s, fuentes de gran curiosidad cientfica.A continuacin se dan algunos datos y estadsticas importantes de tipo general.Tabla de los Elementos ms abundantes en la corteza terrestre:Elemento % en Peso O 46.40Si 28.15Al 8.23Fe 5.63Mg 2.33Ca 4.15K 2.36Elemento % en Peso H 2.09Ti 0.87CI 0.58P 0.19Mn 0.11C 0.08

PORFDOS CUPRIFEROS EN LA ZONA NORTE DE CHILE

Chuquicamata

SISTEMAS DE PRFIDOS CUPRFEROSLos prfidos cuprferos son esencialmente depsitos minerales de baja ley y gran tonelaje.

Se denominan prfidos porque frecuentemente, se asocian con rocas gneas intrusivas con fenocristales de feldespatos en una masa fundamental cristalina de grano fino.

Depsitos de Cu (Mo) de gran tonelaje y baja ley 50 a 500 Mt de mineral con ~1% Cu y 0.02% Mo En Chile algunos >1.000 Mt y con >1% Cu

Los depsitos de tipo prfido cuprfero se pueden subdividir en distintos tipos considerando su contenido metlico. Cu-Mo, Cu-Au, Cu-Au y Mo.

En general los prfidos ricos en Cu o Au se asocian a intrusivos derivados por cristalizacin fraccionada de magmas mficos originados en fusin parcial del manto en mrgenes convergentes de placas (mrgenes continentales activos y arcos de islas). SISTEMAS DE PRFIDOS CUPRFEROS

Distribucin de los prfidos cuprferosSISTEMAS DE PRFIDOS CUPRFEROS

SISTEMAS DE PRFIDOS CUPRFEROS

Distribucin de franjas metalogenticas en el segmento 18-35 S.SISTEMAS DE PRFIDOS CUPRFEROS

Contenido de agua de los magmas formadoresDurante este proceso, en cuanto el magma hidratado alcance presiones litostticas lo suficientemente bajas como para que se exsuelva el agua que contiene, este detendr su ascenso y cristalizar en el lugar. El magma que se genera en mrgenes convergentes de placas es un magma hidratado, ya que el agua migra desde la placa ocenica en subduccin hacia la corteza inferior y se incorpora al magma.El agua hace menos viscosos el magma y permite que pueda alcanzar altos niveles corticales en su emplazamiento, lo que es esencial para la formacin de prfidos cuprferos.SISTEMAS DE PRFIDOS CUPRFEROS

La fase exsuelta comprende una fase vapor de agua junto con CO2, HCl, H2S y otros voltiles presentes, y una fase de salmuera hipersalina, con altos contenidos de Na, Cl y metales. SISTEMAS DE PRFIDOS CUPRFEROS

SuperficieSISTEMAS DE PRFIDOS CUPRFEROS

Simultneamente a la exsolucin del agua desde el magma, otros voltiles son exsueltos: CO2, H2S, HF, HCl

El Cl se encuentra disuelto en cantidades importantes en el magma, y tiene un coeficiente de particin DClH2O/magma = 106, por lo tanto prcticamente todo el cloro prefiere entrar en solucin acuosa a permanecer disuelto en el magma. SISTEMAS DE PRFIDOS CUPRFEROSOtra condicin importante es que la mezcla silicatada fundida no llegue al punto de saturacin del azufre antes que se produzca la saturacin y exsolucin del agua.

Como el cobre es un elemento calcfilo (D Cu sulfuro/ magma >>> 100) , la presencia de azufre exsuelto retirara del magma una gran cantidad de cobre que no estara disponible en el momento de la migracin de los fluidos hidrotermales hacia las rocas circundantes.

Contenido de metales de los fluidos hidrotermalesLos fluidos que forman el stockwork de vetillas de cuarzo, estnenriquecidos en metales. De las observaciones de cristales hijosen inclusiones fluidas, se ha detectado la presencia de hematita,magnetita, pirita y calcopirita, calculndose un promedio de 2.000 ppm de Cu, 35.000 ppm de Fe, 2.700 ppm de Zn y 940 ppm de Pb en las soluciones formadoras de prfidos cuprferos.SISTEMAS DE PRFIDOS CUPRFEROS

Los sulfuros hipgenos (primarios) se depositan tardamente a temperaturas del orden 250-400C controlados principalmente por las estructuras generadas por repetidos procesos de ebullicin retrgrada (vetillas, stockwork).SISTEMAS DE PRFIDOS CUPRFEROS

ALTERACION HIDROTERMALEl esquema clsico de alteracin-mineralizacin fue estudiado por Lowell & Guilbert (1970) en el yacimiento de San Manuel-Kalamazoo en Arizona. Segn este modelo los depsitos de cobre porfdico desarrollan generalmente cuatro zonas de alteracin hidrotermal, las cuales estn normalmente centradas en el cuerpo plutnico porfdico central, alrededor del cual se disponen coaxialmente envolturas concntricas (a veces incompletas) de las siguientes zonas:Zona potsicaZona flica (cuarzo-serictica)Zona arglicaZona propiltica SISTEMAS DE PRFIDOS CUPRFEROS

Esquema clsico de alteracin-mineralizacinde Lowell & Guilbert (1970) SISTEMAS DE PRFIDOS CUPRFEROS Cuarzo-sericita-clorita -feldespato K Zona flica Zona arglica Zona propilticaZona mineralizadaZona interior de baja ley Clorita-sericita -epidota-magnetitaZona potsica

Modelos de alteracin en el yacimiento El Salvador (Gustafson & Hunt 1975) Etapa tempranaEtapa tardaSISTEMAS DE PRFIDOS CUPRFEROS

Alteracin slico-potsica:Feldespato potsico, biotita, clorita, anhidrita, magnetita,piritaZona de alteracin potsica

Alteracin Qz-Sericita:Cuarzo, sericita, pirita, fengita, muscovita Zona de alteracin Cuarzo-serictica

Zona de alteracin arglica

Alteracin Propiltica: cuarzo, clorita, albita, calcita epidota, zeolitas, limonita, pirita.Zona de alteracin propiltica

PROCESOS SUPRGENOS EN PRFIDOS CUPRFEROSLa caracterstica ms llamativa de las cubiertas lixiviadas es su aspecto de colores pardo-rojizos, como consecuencia de la transformacin de los sulfuros originales, principalmente los ricos en hierro (pirita y calcopirita), en compuestos oxidados. Estos procesos producen la alteracin de los sulfuros, disolucin y precipitacin de otros minerales y una lixiviacin importante en las rocas.

Zonacin vertical de la alteracin suprgenaPROCESOS SUPRGENOS EN PRFIDOS CUPRFEROSxidos, sulfatos, silicatos, carbonatos, cloruros, etc.Calcosina, covelinaPirita, calcopirita, bornita, galena, esfalerita, etc.Nivel freticoLimonitas: goethita, hematita, jarositaCO2, O2Superficie

Cubierta lixiviada Es la zona en contacto con la superficie, donde los proceso de oxidacin son ms intensos, provocando la disolucin y transporte del cobre hacia zonas ms profundas o lejanas. Generalmente presenta contenidos anmalos de elementos metlicos (Cu, Mo, Au, Pb, Zn, etc.), lo que junto con su contenido de limonitas, que le confiere un vistoso color pardo, es utilizado para localizar los yacimientos de este tipo desde la superficie.

Zona de oxidacinEl cobre puesto solubilizado en la parte superior encuentra condiciones de estabilidad y es depositado en forma de minerales oxidados de cobre, comnmente de color verde o azul (brochantita, malaquita, atacamita, crisocola, etc.).PROCESOS SUPRGENOS EN PRFIDOS CUPRFEROS

Zona de cementacin Es la situada por debajo del nivel fretico, en la que se produce el enriquecimiento del contenido de cobre, con el desarrollo de sulfuros de cobre de tipo calcosina covelina, a partir de la disolucin y reemplazo de los sulfuros primarios calcopirita, bornita y otros.

Zona primariaCaracterizada por la mineralizacin inalterada de sulfuros de origen hidroternal.

Los procesos de alteracin suprgena disminuyen con la profundidad de la mineralizacin.PROCESOS SUPRGENOS EN PRFIDOS CUPRFEROS

Minerales de Cobre comunes en zonas de oxidacin superficial

Hoja1

Minerales oxidados de cobre

%CuMineral NameChemical Formula

88.82% CuCupriteCu2O

79.89% CuParamelaconiteCu+2Cu++2O3

79.89% CuTenoriteCuO

65.13% CuSpertiniiteCu(OH)2

64.19% CuNantokiteCuCl

62.20% CuClaringbulliteCu++4(OH)7Cl

60.56% CuPseudomalachiteCu5(PO4)2(OH)4

59.51% CuAtacamiteCu2Cl(OH)3

59.51% CuBotallackiteCu2Cl(OH)3

59.51% CuClinoatacamiteCu2(OH)3Cl

59.39% CuMelanothalliteCu2OCl2

59.08% CuConnelliteCu19Cl4(SO4)(OH)323(H2O)

58.80% CuButtgenbachiteCu19Cl4(NO3)2(OH)322(H2O)

57.48% CuMalachiteCu2(CO3)(OH)2

56.66% CuIMA2000-029Cu5Cl2(OH)8(H2O)2

56.63% CuCornetiteCu3(PO4)(OH)3

56.36% CuCoparsiteCu4O2[(As,V)O4]Cl

56.20% CuBrochantiteCu4(SO4)(OH)6

55.31% CuAzuriteCu3(CO3)2(OH)2

55.19% CuLudjibaiteCu5(PO4)2(OH)4

55.19% CuReichenbachiteCu++5(PO4)2(OH)4

54.78% CuBelloiteCu(OH)Cl

54.05% CuPosnjakiteCu4(SO4)(OH)6(H2O)

53.74% CuAntleriteCu3(SO4)(OH)4

53.40% CuAverieviteCu5(VO4)2O2CuCl2

53.16% CuLibetheniteCu2(PO4)(OH)

53.14% CuDolerophaniteCu2(SO4)O

52.93% CuGerhardtiteCu2(NO3)(OH)3

52.93% CuIMA1999-010Cu2(NO3)(OH)3

52.05% CuWroewolfeiteCu4(SO4)(OH)62(H2O)

51.61% CuTuraniteCu5(VO4)2(OH)4

51.14% CuLangiteCu4(SO4)(OH)62(H2O)

51.01% CuLikasiteCu3(NO3)(OH)52(H2O)

50.09% CuClinoclaseCu3(AsO4)(OH)3

50.09% CuGilmariteCu3(AsO4)(OH)3

49.66% CuGeorgeiteCu++5(CO3)3(OH)46(H2O)

49.20% CuFingeriteCu11(VO4)6O2

48.43% CuShattuckiteCu5(SiO3)4(OH)2

47.99% CuIlinskiteNaCu5O2(SeO3)2Cl

47.78% CuSpangoliteCu6Al(SO4)(OH)12Cl3(H2O)

47.26% CuTolbachiteCuCl2

47.10% CuGeorgbokiiteCu5O2(SeO3)2Cl2

46.61% CuCornubiteCu5(AsO4)2(OH)4

46.61% CuCornwalliteCu5(AsO4)2(OH)4

46.05% CuParnauiteCu9(AsO4)2(SO4)(OH)107(H2O)

45.54% CuSzenicsiteCu3MoO4(OH)4

44.91% CuEriniteCu3As2O8.2Cu(OH)2

44.91% CuOliveniteCu2AsO4(OH)

44.44% CuParatacamite(Cu,Zn)2(OH)3Cl

44.10% CuMcalpineiteCu++3Te++++++O6(H2O)

43.41% CuPlancheiteCu8Si8O22(OH)4(H2O)

43.18% CuChloromeniteCu9O2(SeO3)4Cl6

42.93% CuRosasite(Cu,Zn)2(CO3)(OH)2

42.70% CuLammeriteCu3[(As,P)O4]2

42.34% CuJenseniteCu++3Te++++++O62(H2O)

42.34% CuXocomecatliteCu3Te++++++O4(OH)4

42.23% CuCredneriteCuMnO2

41.97% CuDelafossiteCu+Fe+++O2

41.80% CuCalumetiteCu(OH,Cl)22(H2O)

41.60% CuStrashimiriteCu8(AsO4)4(OH)45(H2O)

41.44% CuIMA1998-032Cu10(AsO4)4(SO4)(OH)68(H2O)

41.40% CuIMA2000-050KCdCu7O2(SeO3)2Cl9

41.12% CuPetersite-(Y)(Y,Ce,Nd,Ca)Cu6(PO4)3(OH)63(H2O)

40.96% CuCarbonate-cyanotrichiteCu++4Al2(CO3,SO4)(OH)122(H2O)

40.31% CuDioptaseCuSiO2(OH)2

40.28% CuKamchatkiteKCu++3OCl(SO4)2

40.17% CuVolborthiteCu++3V+++++2O7(OH)22(H2O)

39.81% CuChalcocyaniteCuSO4

39.57% CuMoolooiteCu++(C2O4)n(H2O)(n

Las reacciones que se producen destruyen los sulfuros con la consiguiente formacin de iones sulfatos y H+, que implican una acidificacin del medio. Estos procesos son los que originan las aguas cidas, caractersticas de las reas mineras.

El plomo, elemento muy poco soluble, reacciona en los mismos lugares de la alteracin y forma inmediatamente minerales secundarios como anglesita o cerusita (reacciones 4 y 5).

(4) PbS + CO2 + H2O + 2O2 = PbCO3 + SO4-2 + 2H+ Galena Cerusita

(5) 2PbS + 4Fe 3+ +3O2 + 2H2O = 2PbSO4 + 4Fe 2+ + 4H+ Galena Anglesita

PROCESOS SUPRGENOS EN PRFIDOS CUPRFEROS

El Fe 2+ se oxida a Fe 3+ y forma goethita (limonita) y/o hematita, que se depositan en la zona de oxidacin (reacciones 1 y 2).

(1) 4FeS2 + 10H2O + 15O2 = 4FeOOH + 16H+ + 8SO4-2 PiritaGoethita (limonita)

(2) 4FeS2 + 8H2O + 15O2 = 2Fe2O3 + 16H+ + 8SO4-2 PiritaHematitaPROCESOS SUPRGENOS EN PRFIDOS CUPRFEROS

El cobre es tambin un elemento soluble, pero durante losprocesos de alteracin se infiltra hacia la zona de cementacin. En condiciones reductoras se producen las reacciones que dan lugar a la formacin de sulfuros secundarios de cobre calcosina y covelina,por sustitucin de hierro de calcopirita o pirita (reacciones 13 y 14). Tambin se pueden formar xidos de cobre si el medio es muy alcalino (reaccin 15) o cobre nativo.

(13) Cu 2+ + CuFeS2 = Cu2S + Fe 2+ Calcopirita Calcosina

(14) 2Cu 2+ + 2FeS2 + 2H2O + 3O2 = 2CuS + 2Fe 2+ + 2SO4-2 + 4H+Pirita Covelina

(15) Cu 2+ + 2OH- = CuO + H2O TenoritaPROCESOS SUPRGENOS EN PRFIDOS CUPRFEROS

En el caso que la lixiviacin haya sido muy eficiente (Ej. La Escondida, super-leaching con < 100 ppm Cu en las rocas lixiviadas) se forman pocos minerales oxidados. Por el contrario en los casos donde la lixiviacin no ha sido muy intensa se puede originar un volumen importante de minerales oxidados (Ej. El Abra).

La eficiencia de la lixiviacin depende de varios factores, pero uno de los ms relevantes es la capacidad de la mineraloga primaria de generar soluciones cidas al reaccionar con los fluidos metericos percolantes. Para esto, la presencia de pirita es fundamental ya que la descomposicin de la misma genera cido sulfrico.

2 FeS2 + 7O2 + 2H2O = 2 Fe 2+ (aq) + 4 SO4 2- (aq) + 4H+ (aq)PROCESOS SUPRGENOS EN PRFIDOS CUPRFEROS

En contraste, la oxidacin de sulfuros distintos a los de Fe produce cantidades menores de soluciones cidas y limita significativamente el desarrollo de procesos suprgenos de enriquecimiento, pudiendo limitarse solamente a una oxidacin in situ de los sulfuros.

La capacidad de transporte descendente del Cu depende, de la mineraloga de mena y ganga puesto que si existen minerales que reaccionen y neutralicen la solucin (Ej. calcita o feldespato potsico) precipitarn minerales oxidados de Cu en la zona de oxidacin, pero si por el contrario la mineraloga no es reactiva (alteracin silcea o cuarzo-serictica) la mayor parte del contenido metlico puede ser transportado por debajo del nivel de aguas subterrneas donde precipitar como sulfuros suprgenos de Cu al reaccionar con los sulfuros hipgenos.PROCESOS SUPRGENOS EN PRFIDOS CUPRFEROS

2134PROCESOS SUPRGENOS EN PRFIDOS CUPRFEROS

Copper pitch asociado con crisocola.Proporcin 10:1Crisocola intercrecida concuarzo y pseudomalaquita. Proporcin 2:2:1Crisocola intercrecida con copperpitch. Proporcin 6:1Grano de Copper pitch intercrecido con crisocola y arcillas caf rojizas.Proporcin 1:2:2Malaquita asociada con cuprita y tenorita. Proporcin 3:6:1MqTnCupVetillas de atacamita cortando prfido feldesptico argilizado.Proporcin mena:ganga = 1:5PROCESOS SUPRGENOS EN PRFIDOS CUPRFEROS

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