1 dinámica terrestre procesos geoquímicos: –separación entre elementos (fraccionamiento)...
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Dinámica Terrestre
• Procesos geoquímicos:– Separación entre
elementos (fraccionamiento)
– Mezclas entre elementos
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Geoquímica de los Elementos Traza
• Objetivos:– Analizar el comportamiento de los elementos
traza en rocas magmáticas– Introducir métodos matemáticos para modelar
su comportamiento
¿Por qué son importantes?
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Importancia de los Elementos Traza
• Mayor variación en concentración que los elementos mayores
• Generalmente hay 10-12 mayores y más de 70 trazas
• Tienen propiedades químicas únicas
• Registran procesos que no se observan en los elementos mayores
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
5000
40 50 60 70 80
SiO2
Ba
0
2
4
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8
10
12
14
16
18
40 50 60 70 80
SIO2
MG
O
Datos de la FVM
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Utilidad y Aplicaciones
• Formación y diferenciación de la tierra
• Procesos y dinámica de fusión en el manto
• Formación de yacimientos minerales e hidrocarburos
• Cambios climáticos y circulación oceánica
• Contaminación Ambiental
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
40 45 50 55 60 65
SIO2S
m/Y
b
EPR-MORB
MAR-MORB
Hawaii
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¿Qué es un elemento traza?• Aquellos elementos que NO son
constituyentes estequiométricos de las fases presentes en el sistema de interés
• Fases mineralógicas de un Basalto:olivino (Mg,Fe)2SiO4 ortopiroxeno (Mg,Fe)2SiO6
clinopiroxeno Ca(Mg,Fe)Si2O6
Plagioclasa CaAl2Si2O8-NaAlSi3O8
• Constituyentes estequiométricos:Mg, Fe, Si, O, Ca, Al, Na
• Los demás serían elementos trazaPero ¿Qué pasa en un granito?
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• Para la mayoría de las rocas silicatadas:
• Mayores: O, Si, Al, Na, Mg, Ca y Fe
• Pueden ser mayores (“menores”): H, C, S, K, P, Ti, Cr y Mn
• El resto son elementos traza (excepto en pegmatitas y yacimientos minerales)
O, Si, Al, Na, Mg, Ca y Fe = 99% BSE
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• Aquellos elementos que no afectan significativamente las propiedades químicas y físicas de un sistema
¿Excepciones?
¿Qué es un elemento traza?
• Elemento en concentraciones tan bajas que no afecta significativamente las reacciones entre las fases principales del sistema (elemento “pasivo” cuyo comportamiento en el sistema no depende de su concentración)
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Afinidad de los Elementos Traza
• Clasificación de Goldschmidt:
– Atmófilos: Elementos volátiles (Gases y líquidos)
– Litófilos: Afinidad por los líquidos silicatados
– Siderófilos: Afinidad por los líquidos metálicos
– Calcófilos: Afinidad por los líquidos sulfurososVictor Goldschmidt (1888-1947)
Líquido Silicatado
Líquido Azufroso
Líquido Metálico
Fase Gaseosa
Siderófilo
Calcófilo
Litófilo
Atmófilos H, C, N, Gases Nobles
Alcalis, Alcalino-térreos, Halógenos, B, O, Al, Si, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Y, Zr, Nb, Lantánidos, Hf, Ta, Th, U
Cu, Zn, Ga, Ag, Cd, In, Hg, Tl, As, S, Sb, Se, Pb, Bi, Te
Fe, Co, Ni, Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt, Mo, Re, Au, C, P, Ge, Sn
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La Tabla Periódica de la Geoquímica• Comportamiento de los elementos traza en
la tierra silicatada
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Los Elementos Volátiles
• Gases Nobles y N
– Gases nobles son químicamente inertes y volátiles. No forman minerales.
– Tienen radios iónicos grandes (excepto He) y no se acomodan fácilmente en las redes cristalinas
– Solubilidad en magmas depende de P, T, r.i., y composición
– N2 relativamente inerte– En rocas está como NH3 (amonia):
sustituye al K y es muy soluble– N componente importante en proteínas
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Los elementos semi-volátiles• C, F, S, Cl, As, Se, Br, Sb, Te e I• Tienen afinidad por las fases fluidas o gaseosas (Cl, Br, F) o forman
compuestos que son volátiles (SO2, CO2)• No todos son estrictamente volátiles (i.e. C es refractario en estado
elemental)• Partición del S entre líquido y gas depende de la fugacidad de oxígeno
(estado de REDOX del sistema):– Alta fO2 el azufre está como SO2 (dióxido de azufre)– Baja fO2 el azufre está como S2 (sulfuro)– En magmas con altas concentraciones de S el azufre puede separarse
• La solubilidad de CO2 en magmas es función de la Presión– En magmas con altas concentraciones de C, el CO2 puede separarse y
formar magmas carbonatíticos (CaCO3 es el principal componente)
Volcán Oldoinyo Lengai(Tanzania)
Magmas Carbonatíticos
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Los elementos alcalinos y alcalino-térreos
• Alcalinos=Li, K, Rb y Cs• Alcalino-térreos: Be, Sr y Ba• Electronegatividades bajas y valencias de 1 y 2• Tienden a forman enlaces iónicos• Su comportamiento está gobernado por el radio
iónico y la carga (POTENCIAL IÓNICO):– Bajo potencial iónico (carga/radio)– Se les llama “Elementos litófilos de radio iónico
grande” o “Large Ion lithophile elements” (LILE)
– Son altamente solubles en agua– Se movilizan durante el intemperismo y el
metamorfismo– Su radio iónico grande no les permite entrar en
las estructuras cristalinas– Tienen afinidad por la fase fundida en los
magmas: ELEMENTOS INCOMPATIBLES• Tienden a concentrarse en la corteza y están
empobrecidos en el manto.
Magnesio (MgMagnesio (Mg2+2+): 65 pm): 65 pm
Calcio (CaCalcio (Ca2+2+): 99 pm): 99 pm
Estroncio (SrEstroncio (Sr2+2+): 118 pm): 118 pm
Bario (BaBario (Ba2+2+): 137 pm): 137 pm
Radio IónicoRadio Iónico
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Los Elementos LILE
PI=carga/radio
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Las Tierras Raras y el Y
• Tierras raras: Lantánidos y Actínidos• En geoquímica REE: La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb,
Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu. • Actínidos: U y Th• El Y se comporta de manera similar a las tierras raras
medias-pesadas
• El Th tiene +4 y el U puede tener +4 o +6 (en condiciones oxidantes)
– El U+6 forma el ión uranilo (UO2-2) que es soluble
en fluidos acuosos en condiciones oxidantes
• REEs tienen bajas electronegatividades: enlaces iónicos (como los álcalis)
• Su carga iónica es alta (+3), aunque Ce puede ser +4 (en condiciones oxidantes) y Eu +2 (en condiciones reductoras)
• Debido a su alto potencial iónico (carga/radio) las REE, el Th y el U+4:
– Tienden a ser insolubles en fluidos acuosos– No se movilizan durante el metamorfismo y/o el
intemperismo
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Comportamiento de las Tierras Raras
• REE configuración electrónica es similar
• Radio iónico decrece de manera sistemática
• Radio iónico define su comportamiento en los materiales geológicos¿Elementos Incompatibles?
• El grado de incompatibilidad dependerá del radio iónico y de la carga:
• HREE sustituyen al Aluminio en la estructura cristalina del granate
• Eu+2 sustituye al Ca en la plagioclasa
• Comportamiento importante en PETROLOGÍA
REE3+
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1
10
100
1000
La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu
sam
ple
/CI C
ho
nd
rite Upper Crust
N-MORB
Pm
0.01
0.1
1
10
100
La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu
Co
nce
ntr
aci
ón
pp
m Upper Crust
N-MORB
Pm
Diagramas de Tierras Raras• Diagramas que expresan el logaritmo de las abundancias relativas con respecto al número
atómico: Diagramas de “Masuda”, “Masuda-Coryell” o “Coryell”
• Las abundancias relativas:
• concentración en la muestra/concentración en un material de referencia
• Valores de normalización utilizados (ver Rollinson 1993, pag. 134):
• Condritas
• Manto Primitivo
• MORB
• Etc..
Sin normalización Normalizado
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¿Por qué los patrones de tierras raras son distintos?
1
10
100
1000
La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu
sam
ple
/CI C
ho
nd
rite Corteza Oceánica
Corteza Continental
Manto Primitivo
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Los elementos de alto potencial iónico
• También llamados High Field Strenght o por sus siglas HFSE: Zr, Hf, Nb y Ta
• Tienen alta carga (+4 y +5) y radio iónico pequeño: Alto potencial iónico (carga/radio):– Son insolubles en fluidos acuosos
– No se movilizan durante el intemperismo y/o el metamorfismo
– Nb-Ta (+5) son altamente incompatibles
– Zr-Hf (+4) son moderadamente incompatibles
• La incompatibilidad en este caso es función de la alta carga y no del radio iónico
Izu-Bonin Glasses
0.1
1
10
100
1000
Cs
Rb
Ba
Th U
Nb
Ta
K2
O La
Ce
Pb Pr
Sr
Nd Zr
Hf
Sm Eu
Gd
Tb
Dy
Ho Er
Yb Y
Lu
Sa
mp
le/P
M
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Los de alto potencial iónico (HFS)
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Los metales de transición (primera serie)
• Sc, Ti, V, Cr, Mn, Co, Ni, Cu, Zn, Ga y Ge
• Difíciles de agrupar. Tienen dos o más valencias.
• Forman enlaces covalentes.
• Solubilidad en fluidos acuosos es variables aunque menor que en los LILE: depende de la valencia y de los aniones de enlace
• Comportamiento en magmas es variable:– Moderadamente incompatibles: Ti, Cu, Zn
– Altamente compatibles: Cr, Ni, Co
• Tienden a ser calcófilos y siderófilos
1.0
10.0
100.0
1000.0
40 50 60 70 80
Mg#
Ni
MVB
Izu-Bonin
EPR
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Los Metales Nobles• Los elementos del grupo del platino (Rh, Ru, Pd, Os, Ir y Pt) y el Au
• Son muy raros, no reactivos, y comúnmente están en estado nativo
• Dos o más valencias: forman enlaces complejos
• Escasez debido a su carácter siderófilo
• Los elementos del grupo del platino se dividen:– Grupo del Ir (Ir, Os, Ru): Asociado a cromitas y rocas ultramáficas
– Grupo del Pd (Pd, Rh, Pt): Asociado a sulfuros en rocas gabroicas
• Se grafican normalizados c/r a condritas
• Orden corresponde a una disminución en el punto de fusión (~incompatibilidad)
Menor T de fusión
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Otros elementos importantes
• Boro (B):– Ligeramente electropositivo: Enlaces covalentes– Abundancias relativas de sus dos isótopos (10B y 11B) son variables en la
naturaleza (fraccionamiento a baja T)– Tiende a formar el radical B2O3 (borato) que es altamente soluble en
fluidos acuosos (B2O3 componente fundamental del agua de mar)– B2O3 es móvil durante el intemperismo y el metamorfismo, y en ese
sentido se comporta de manera similar a los LILE– B tiende a ser un elemento moderadamente incompatible en los procesos
magmáticos
• Plomo (Pb): – Importante porque es el producto del decaimiento del Th y el U– Elemento calcófilo y ligeramente siderófilo– Valencia (+2) y radio iónico muy parecido al Sr – Pb puede formar complejos químicos con Cl y F y ser fácilmente
transportado en soluciones acuosas del metamorfismo e hidrotermalismo– Moderadamente incompatible en procesos magmáticos
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Otros elementos importantes
• Renio (Re):– Importante por su decaimiento radiactivo a Os
– Comparte muchas características con los platinoides: Siderófilo y calcófilo
– Tiende a ser incompatible en los procesos magmáticos, aunque su comportamiento no es del todo claro aún
• Fósforo (P):– Puede ser un elemento mayor
– Valencia de +5 y moderadamente electropositivo tiende a formar el radical PO4
-3
– En rocas máficas y ultramáficas es moderadamente incompatible
– En rocas evolucionadas forma el mineral apatita Ca3(PO4) (OH,F,Cl)