Procesos_Supergenos[1]

PROCESOS SUPÉRGENOS LOS SISTEMAS PORFÍDICOS, EPITERMALES Y SISTEMAS RELACIONADOS (vetas, brechas)

D.J. Huaman 2010

Procesos supergenos y enriquecimiento secundario „

Erosión Î Exhumación Î Meteorización

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Meteorización de depósitos minerales hipógenos Cambio mineralógico „ Destrucción/empobrecimiento „ Concentración/enriquecimiento secundario „

Alteración supergena „

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Proceso de reequilibrio de la mineralogía hipógena a las condiciones oxidantes en las cercanías de la superficie (sobre el nivel de aguas subterráneas) por la circulación descendente de soluciones supergenas. Afecta a los silicatos generando minerales de arcillas (halloysita, smectita) y a los sulfuros hipógenos que se transforman en minerales oxidados.

Enriquecimiento secundario „

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Proceso resultante de la meteorización (alteración supergena) de depósitos minerales, en el cual la oxidación produce soluciones ácidas que lixivian metales transportándolos hacia abajo y reprecipitándolos, con el consecuente enriquecimiento de los minerales sulfurados originalmente presentes. Muy importante en pórfidos cupríferos

Comportamiento de metales en ambiente supergeno „

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Fe, Al, Ti, Cr, Mn, Ni, Co, Pb forman óxidos estables Î Permanecen en la zona de oxidación (sobre el nivel de aguas subteráneas). Cu, Mo, Zn, Ag forman sulfatos solubles Î Son lixiviados de niveles superficiales y transportados en solución hacia abajo reprecipitando como sulfuros supergenos debajo del nivel de aguas subteráneas. Au no reactivo químicamente Î tiene a permanecer en zona de oxidación, aunque puede ser transportado si existe Cl o Br.

Procesos supergenos „

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Oxidación Î destrucción de sulfuros hipógenos Lixiviación Î remoción de metales en solución como sulfatos Reacción con minerales de las rocas o ganga Î minerales oxidados estables Precipitación de sulfuros supergenos (bajo el nivel de aguas subterráneas

Procesos supergenos „ „

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Se requiere que los depósitos sean exhumados Dataciones K-Ar de alunita supergena de pórfidos cupríferos chilenos (Sillitoe y McKee, 1996) mostraron que los procesos supergenos comenzaron >11 Ma después de la mineralización hipógena Las dataciones K-Ar revelan un rango entre 34 y 14 Ma (Oligoceno – Mioceno Medio) para los procesos supergenos de oxidación y enriquecimiento en el norte de Chile

¿Cuanto duran? „

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Las dataciones K-Ar (alunita) de Sillitoe y McKee (1996) indican períodos de 0,4 a 6,2 Ma para el desarrollo de la actividad supergena en los pórfidos Cu-Mo del norte de Chile Modelo teórico de Ague y Brimhall, 1989 indica que en condiciones ideales el proceso de reequilibrio puede completarse en 12.000 años El proceso cesa una vez que una nueva mineralogía estable se forma, pero puede reactivarse por la continuación de la denudación y descenso del nivel de aguas subterráneas

Limonita FeO*OH*nH2O Hematita Fe2O3 Malaquita Cu2CO3(OH)2 Atacamita CuCl(OH)3 Azurita Cu3(CO3)2(OH2) Crisocola CuH4Si4O10(OH)8 Calcosina Cu2S Covelina CuS

Calcopirita CuFeS2 Bornita Cu5FeS4 Piriita FeS2

Zonación supergena y comportamiento geoquímico de metales

William X. Chavez, Jr., 2000

Andacollo

Zonación supergena en pórfidos cupríferos

Etapa inicial de formación de un pórfido cuprífero ligado a una cámara magmática en profundidad con mineralización hipógena formandose sobre el ápice del intrusivo y en rocas de caja reactivas.

La erosión remueve la cubierta de rocas sobre el depósito de cobre original. La meteorización y el agua meteórica descendente produce la lixiviación del cobre de la parte superior y su redepositación debajo del nivel de aguas subteráneas. Esto produce una zona enriquecida en cobre usualmente de alta ley y bastante horizontal.

Después de la erosión y enriquecimiento el depósito puede ser cubierto por rocas volcánicas y/o gravas, lo cual protege la zona enriquecida de erosión posterior. En la superficie puede haber escasos indicios de la riqueza geológica que yace en profundidad. Ej. Ujina, Spence, Gaby.

Para encontrarlos se requiere de métodos especiales: Ej. geoquímica, geofísica, arriesgar un número de sondajes, persistencia y suerte.

Ignimbrita

Zona oxidada - lixiviada

Zona enriquecida

UJINA

Zonación supergena en Cerro Colorado

Acidez Secundaria Supergena „

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La oxidación de menas sulfuradas produce acidez por oxidación en el ambiente supérgeno (no hidrotermal) por la reacción: 2FeS2 + 7H2O + 15/2O2 = 2FeO3 . 3H2O + 4H2SO4 Pirita limonita + ácido sulfúrico También se genera alunita (KAl3(SO4)2(OH)6) y jarosita (KFe3(SO4)2(OH)6) supergenas por este fenómeno. La presencia/ausencia de pirita es uno de los factores que condicionan los procesos supérgenos en pórfidos cupríferos y otros depósitos minerales.

La pirita (FeS2) es un sulfuro de hierro muy común que es estable en condiciones anóxicas (sin oxígeno). Sin embargo, expuesta al aire o a las condiciones oxidantes en subsuperficie sobre el nivel de aguas subterráneas un mol de pirita se oxida para formar 2 moles de ácido sulfúrico en una reacción de tres pasos: „

(Eq. 1) FeS2 + 7/2O2 + H2O = Fe2+ + 2SO42- + 2H+

„

(Eq. 2) Fe2+ + 1/4O2 + 3/2H2O = FeOOHppt + 2H+

„

(Eq. 3) FeS2 + 15/4O2 + 7/2H2O = Fe(OH)3ppt + 2SO42- + 4H+

Importancia de la pirita en procesos supergenos „

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El ácido sulfúrico generado por la oxidación de la pirita contribuye a la descomposición de otros sulfuros hipógenos, hidrólisis de minerales silicatados (alteración supérgena) y a formar sulfatos solubles de algunos metales como el cobre. Stokes (1907) demostró experimentalmente como la reacción entre iónes Cu y la pirita puede resultar en enriquecimiento secundario.

Ecuación de Stokes „

5FeS2 + 14Cu+2 + 14SO4-2 + 12H2O Î pirita Cu disuelto como sulfato

7Cu2S + 5Fe+2 + 24H+ + 17SO4-2 calcosina „

El exceso de ácido se neutraliza bajo el nivel de aguas subterráneas donde el ambiente es reductor y la calcosina permanece incrementando las leyes de Cu en esta zona.

Minerales en zona de enriquecimiento supergeno de Cu „ „ „ „ „ „ „

Calcosina Digenita Anilita Djurleita Covelina Cuprita Cu nativo

Cu2S Cu9S5 Cu7S4 Cu31S16 Cu S Cu2O Cu

79,8% Cu 78,10% Cu 77,62% Cu 70,34% Cu 66,4% Cu 88,8% Cu 100% Cu

Protolito con pirita (Chavez, 2000)

Protolito con poca pirita (Chavez, 2000)

Factores condicionantes para el enriquecimiento supergeno „ „ „ „ „ „ „ „

Evolución geomorfológica (exhumación) Clima Mineralogía hipógena (mena y ganga) Composición de la roca de caja Estructura Nivel de aguas subterráneas Agentes orgánicos: Bacterias Estos factores son interdependientes

Reemplazo de sulfuros hipógenos por sulfuros supergenos bajo el nivel de aguas subterráneas

Cubiertas lixiviadas (Anderson, 1983)

Cubiertas lixiviadas (Anderson, 1983)

Cubiertas lixiviadas (Anderson, 1983)

Gossan hematítico o sombrero de hierro Mina Dos Amigos, Domeyko

Zona de oxidación: Rosario de Collahuasi

Zona de oxidación: Rosario de Collahuasi

La Escondida: Mineralización Oxidada

La Escondida: Enriquecimiento Secundario

Zona de enriquecimiento secundario: Rosario de Collahuasi

Chuquicamata: Vista general del rajo

PROCESOS SUPERGENOS

Enriquecimiento secundario Chuquicamata

E

W

3000 m.

E 4000

E 3000

2500 m.

Zona Lixiviada (Hem-JarGoeth) ( 0,00-0,10% Cu) Zona de Oxidos: antleritabrochantita- atacamita (1,5% Cu) Zona Primaria Falla Oeste (FW) Granodiorita "Fortuna"

Granodiorita "Elena"

0

100

200m

Subzona Calcosina (2,5% Cu) Subzona calcosina-covelina (1,8% Cu) Subzona covelina (1,0-1,5% Cu)

2000 m.

Zona de Enriquecimiento Secundario

Chuquicamata A

B E30 00

E35 00

E30 00

E400 0

El 27 00

El 22 00

E l 22 00

E40 00

{

E l 27 00

E35 00

SECTION 3600-N

: LEACHED

ALTERATION : Cu Oxide Ore : Quartz - Sericitic : Sericitic over Potassic : Potassic

QUARTZ-SERICITIC ALTERATION : CC : CV

: Chloritic

: DG

: Quartz - K-Feldspar

: EN-rich

: Granodiorite

SERICITIC OVER POTASSIC ALTERATION

: Metasediments

: CC+(CV)+(CP)+(DG)

: Fault

: CV+CP+DG+(CC)

: Quartz Veins

: CP>OTHERS

: Megabreccia

: CP>BO+DG+(CV)

: Drill trace

POTASSIC ALTERATION : CP>BO+DG+(CV) : BO+DG>CP+(CV) : CP>OTHERS CHLORITIC ALTERATION : CV+CP+DG+(CC) : CP>OTHERS : Low Sulfide (CP)

Proyecto Toki

N

(1800m)

Yacimientos exóticos de cobre Mineralización exótica por migración lateral de soluciones supergenas

Distrito Collahuasi

Mineralización exótica: gravas de Huiquintipa, Distrito Collahuasi

Mineralización exótica: gravas de Huiquintipa, Distrito Collahuasi

PROCESOS SUPERGENOS

Oligoceno Superior – Mioceno Inferior Quebrada Turquesa Damiana C° Pelado Quebrada M

Camus, 2003

PROCESOS SUPERGENOS

Turquesa Norte

Sistema Porfirico El Salvador Damiana

Epoca metalogénica Supegena Oligoceno Superior – Mioceno Inferior

Migración lateral de soluciones (mineralización exótica)

Sílice - Arcilla

Sílice - Caolín - Sericita

Sílice - Hematita

Yeso - Arcilla

Camus, 2003 5 Km.

Mineralización exótica en el distrito Chuquicamata

“Cluster” de Chuquicamata Conjunto de yacimientos con 90 Mt Cu fino

Atahualpa

Radomiro Tomic

Chuquicamata Irma

Mina Sur MM

Genoveva Opache

Toki Calama

Mineralización exótica Chuqui Sur

Procesos supergenos en yacimientos de plata „

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La química en el ambiente supergeno de la plata es aproximadamente similar a la del Cu, aunque el Cu forma carbonatos insolubles (malaquita, azurita), mientras que la Ag no. La plata se solubiliza como sulfato y precipita bajo el nivel de guas subterráneas como acantita (AgS2; polimorfo de baja temperatura de la argentita) y, por lo tanto, puede formar zonas de enriquecimiento secundario de sulfuros. En el caso que existan elementos halógenos en el ambiente supergeno la plata formará haluros insolubles sobre el nivel de aguas subterráneas (cerargirita, yodargirita, bromargirita), minerales que son comunes en la zona oxidada de muchos yacimientos argentíferos del norte de Chile y que producen un importante enriquecimiento de la zona de oxidación de los mismos.

Procesos supergenos en yacimientos de oro „ „

El Au no es reactivo químicamente. El Au se enriquece cerca de la superfice por: Concentración residual (remoción de sulfuros y ganga soluble) „ Procesos químicos que involucran la migración del Au „

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Dada la limitada movilidad del Au, este tiene menos tendencia a enriquecerce en la zona de sulfuros supergenos.

Procesos supergenos en yacimientos de oro „

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Los minerales hipógenos de oro son Au nativo, aurostibnita, fischerita y varios teluros de Au. La pirita, arsenopirita y pirrotina también pueden incluirse debido a que aportan una gran proporción de Au en muchos distritos. Au nativo es el único mineral supergeno de oro Se presenta en pepitas, barritas irregulares, laminillas, dendritas, alambres, ramitas, agregados, pelos, filamentos, filigramas, láminas y metal finamente dividido llamado pintura o mostaza de oro.

Procesos supergenos en yacimientos de oro „

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El oro es liberado en la zona de oxidación por la descomposición de sulfuros y es incorporado en minerales y compuestos amorfos que cenemtan los gossans, donde el Au está intimamamente mezclado con limonita, wad (óxidos de Mn) y otros agregados. En zonas de oxidación permeables el oro fino puede mverse físicamente hacia abajo por gravedad o por las aguas pércolantes. Gran parte de la explotación aurífera en Chile se ha restringido a la porción oxidada de los yacimientos donde las leyes son más altas y el oro está libre.

El rol de las bacterias „ „

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Las bacterias a menudo tienen participación directa en la alteración química de minerales en el ambiente supergeno. Algunos minerales o productos intermedios de la descomposición de los mismos pueden ser necesarios directa o indirectamente para su metabolismo. La disolución de sulfuros en condiciones ácidas (drenaje ácido de rocas o minas), la precipitación de minerales bajo condiciones anaeróbicas, la adsorción de metales por bacterias u algas, la formación y destrucción de complejos metálicos-orgánicos son ejemplos de participación directa o indirecta de micro-organismos.

El ciclo del azufre y acción bacterial

Bacterias oxidantes „

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Thiobacillus ferrooxidans, Leptospirillum ferrooxidans, Thiobacillus thiooxidans, Thiobacillus organoparus y Thiobacillus acidophilus Bacterias que son capaces de derivar energía de la oxidación de minerales sulfurados e ión ferroso y producen ácido sulfúrico (Ej. iones hydrogeno, H+, e iones sulfato, SO42-) como producto de su metabolismo. Descomponen los sulfuros, liberan los metales y acidifican las aguas (drenaje ácido de rocas y minas)

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La oxidación de sulfuros catalizada por acción bacterial puede tener razones de reacción de seis ordenes de magnitud mayores (1.000.000 de veces) que las mismas reacciones en ausencia de las bacterias. De ahí su uso en biolixiviación

Thiobacillus ferrooxidans „ „ „ „

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4FeS2 (Py) + 14O2 + 4H2O = 4FeSO4 + 4H2SO4 4FeSO4 + O2 + 2H2SO4 = 2Fe2(SO4)3 + 2H2O FeS2 + Fe2(SO4)3 = 3FeSO4 + 2Sº 2Sº + 2H2O + 3O2 = 2H2SO4 (ácido sulfúrico)

Estas reacciones muestran la habilidad de la T. Ferroxidans de (1) oxidar directamente el mineral, (2) oxidar los iones ferrosos producidos por la oxidación o por reducción química del hierro ferroso y (3) oxidar el azufre producido por oxidación del ión ferroso del mineral

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„ „

Una reacción importante en que está involucrada la T. ferrooxidans es la oxidación del ión ferroso a ión férrico (Fe2+ a Fe3+) 4Fe2+ + O2 + 4H+ = Fe3+ + 2H2O El ión férrico es un poderoso agente oxidante. Aún con razones Fe3+/Fe2+ ratio of 1:1.000.000, se genenera un potencial de oxidación (Redox) de >+0.4 V, lo cual es suficiente para atacar la mayoría de los sulfuros de metales base. La ecuación general para la reacción con el ión férrico es: MS + nFe3+ = Mn+ + S + nFe2+

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En consecuencia, la generación de Fe3+ por las Thiobacilus ferrooxidans, es indirectamente responsable de la disolución de los sulfuros de metales base y la movilización de cationes metálicos tales como Cu2+, Zn2+, Pb2+ y Cd2+. Los sulfuros de metales base solo reaccionan muy lentamente con ácido sulfúrico en ausencia del ión férrico. La biolixiviación se utilizó inicialmente en el yacimiento Lo Aguirre (Cia. Minera Pudahuel) y actualmente está en uso en Quebrada Blanca, Cerro Zaldivar y Andacollo. Hay investigaciones en curso para hacer más extensivo su uso.

Condiciones favorables para oxidación rápida de sulfuros „ „

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Ión ferroso para la oxidación de sulfuros. Thiobacillus ferrooxidans y oxígeno para la oxidación del ión ferroso a férrico. pH compatible con el habitat de las T. ferrooxidans, tipicamente pH 1.5-3.5 La actividad metabólica de las T. ferrooxidans es dependiente de la temperatura, siendo máxima a ~30-35°C

Consecuencias Ambientales Posibles de Operaciones Mineras Drenaje ácido de minas Problema mayor, aguas ácidas (H2O + H2SO4) generadas por la minería actual o pasada por la oxidación de minerales sulfurados principalmente pirita en presencia de aire, agua y bacterias. Puede generarse durante la exploración, operación y en las etapas de cierre de una mina. En algunas minas el problema surge después de la explotación al inundarse las labores subterráneas . Además, el ácido ataca otros minerales produciendo soluciones que transportan otros elementos tóxicos: Ej. Cd, As.

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Drenaje ácido de minas „

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Los componentes principales para la generación de ácido son: „ minerales sulfurosos reactivos; „ agua o atmósfera húmeda; y „ un oxidante, especialmente el oxígeno de la atmósfera o de fuentes químicas. La velocidad y la magnitud de la generación de ácido son afectadas por los siguientes factores secundarios: „ bacterias (Thiobacillus ferrooxidans) „ pH „ temperatura

Drenaje ácido de minas Reacciones químicas

Neutralización de drenaje ácido „

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Segregación de desmontes o relaves con sulfuros y mezcla con rocas estériles. Aditivos básicos: calizas. Cubiertas para evitar infiltración de agua Bactericidas. Recolección y tratamiento de efluentes. Bioremediación.

Neutralización de drenaje ácido „

Existe una serie de minerales que pueden consumir acidez y neutralizar el drenaje ácido. Entre los minerales que consumen ácido se encuentran: „ „ „ „

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El mineral más común que consume ácido es la calcita (CaCO3), que consume acidez a través de la formación de bicarbonato (HCO3-) o ácido carbónico (H2CO3o): „ „

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carbonatos (calcita) hidróxidos (limonita) silicatos (clorita) arcillas

CaCO3 + H+ ---> Ca2+ + HCO3CaCO3 + 2H+ ---> Ca2+ + H2CO3o

La liberación de bicarbonato y carbonato a través de la disolución de la calcita puede resultar en la formación de minerales carbonatados secundarios, siderita (FeCO3), mediante: „

Fe2+ + CO32- ---> FeCO3

Neutralización de drenaje ácido „

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Se ha utilizado calizas para neutralizar la acidez en zonas afectadas por drenaje ácido, pero parece ser poco efectivo a la larga ya que el carbonato se consume y porque existe una variedad de bacterias que se desarrollan en distintas condiciones ambientales. Se debe evitar que el drenaje natural escurra por desmontes o relaves que contengan sulfuros y por labores mineras abandonadas, además de controlar el desagüe de minas.

Bacterias reductoras „

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Bacterias anaeróbicas del genero Desulfovibrio y Desulfotomaculum reducen iónes sulfato (thiosulfato, S2O3--, sulfito, SO3--,u otros) a H2S Usan los iónes sulfato como receptores de electrones en su metabolismo respiratorio. La acción de este tipo de bacterias en zonas pantanosas (ambiente reductor) es capaz de la precipitación de sulfuros metálicos a partir de drenajes ácidos de rocas como resultado de la reducción de sulfatos a H2S y se han realizado experiencias para utilizar este tipo de bacterias para neutralizar drenaje ácido de minas en Canadá.