4.elementos traza (feb-2011)

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Dinámica Terrestre

• Procesos geoquímicos: – Separación entre

elementos

(fraccionamiento) – Mezclas entre elementos



2

Geoquímica de los Elementos Traza

• Objetivos: – Analizar el comportamiento de los elementos

traza en rocas magmáticas

– Introducir métodos matemáticos para modelarsu comportamiento

¿Por qué son importantes?



3

Importancia de los Elementos Traza

• Mayor variación enconcentración que loselementos mayores

• Generalmente hay 10-12

mayores y más de 70 trazas• Tienen propiedades

químicas únicas

• Registran procesos que nose observan en loselementos mayores

0

500

1000

1500

2000

25003000

3500

4000

4500

5000

40 50 60 70 80

SiO2

B a

0

2

4

6

8

10

1214

16

18

40 50 60 70 80

SIO2

M G O

Datos de la FVM



4

Utilidad y Aplicaciones

• Formación ydiferenciación de latierra

• Procesos y dinámica defusión en el manto

• Formación deyacimientos minerales ehidrocarburos

• Cambios climáticos y

circulación oceánica• Contaminación

Ambiental

0

1

2

3

45

6

7

8

9

10

40 45 50 55 60 65

SIO2

S m / Y b

EPR-MORB

MAR-MORB

Hawaii



5

¿Qué es un elemento traza?• Aquellos elementos que NO son constituyentes

estequiométricos de las fases mineralógicaspresentes en el sistema de interés

• Fases mineralógicas de un Basalto:

olivino(Mg,Fe)

2SiO

4

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?



6

• Para la mayoría de las rocas silicatadas:

• Elementos Mayores: O, Si, Al, Na, Mg, Ca y Fe

• Pueden ser mayores (“menores”): H, 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%

de la Tierra Silicatada



7

• Aquellos elementos que no afectansignificativamente las propiedades químicasy físicas de un sistema

¿Excepciones?

¿Qué es un elemento traza?

• Elemento en concentraciones tan bajas que

no afecta significativamente las reaccionesentre las fases principales del sistema(elemento “pasivo” cuyo comportamiento en

el sistema no depende de su concentración)



8

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

Victor Goldschmidt (1888-1947)



9

La Tabla Periódica de la Geoquímica• Comportamiento de los elementos traza en

la tierra silicatada



10

Los Elementos Volátiles

• Gases Nobles y N

– Gases nobles son químicamente inertes y volátiles. No formanminerales.

– Tienen radios iónicos grandes (excepto He) y no se acomodanfácilmente en las redes cristalinas

– Solubilidad en magmas depende de P, T, Radio Iónico 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, I• Tienen afinidad por las fases fluidas o gaseosas (Cl, Br, F) o forman

compuestos que son volátiles (SO2, CO

2)

• No todos son estrictamente volátiles (i.e. C es refractario en estadoelemental)

• 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 yformar magmas carbonatíticos (CaCO3 es el principal componente)

Volcán Oldoinyo Lengai(Tanzania)

Magmas Carbonatíticos



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Los elementos alcalinos y alcalino-térreos Large Ion Lithophile Elements (LILE)

• 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) – Su radio iónico grande no les permite entrar en las

estructuras cristalinas – Tienen afinidad por la fase fundida en los magmas:

ELEMENTOS INCOMPATIBLES

– Son altamente solubles en agua – Se movilizan durante el intemperismo y el

metamorfismo

• Tienden a concentrarse en la corteza y estánempobrecidos en el manto.

Magnesio (Mg2+): 65 pm

Calcio (Ca2+): 99 pm

Estroncio (Sr2+): 118 pm

Bario (Ba2+): 137 pm

Radio Iónico



13

Los Elementos LILE

PI=carga/radio



14

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.

• El Y se comporta de manera similar a las tierras rarasmedias-pesadas• Actínidos: U y Th

• El Th tiene +4 y el U puede tener +4 o +6 (en condicionesoxidantes)

– El U+6

forma el ión uranilo (UO2-2

) que es soluble enfluidos acuosos en condiciones oxidantes

• REEs tienen bajas electronegatividades: enlaces iónicos(como los álcalis)

• Su carga iónica es alta (+3), aunque Ce puede ser +4 (encondiciones oxidantes) y Eu +2 (en condiciones reductoras)

• Debido a su alto potencial iónico (carga/radio) las REE, elTh 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 (Lantánidos)

• 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+



16

1

10

100

1000

La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu

s a m p l e / C I C

h o n d r i t e

Upper Crust

N-MORB

Pm

0.01

0.1

1

10

100


C o n c e n t r a c i

ó n p p 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?

Reflexionar de Tarea

1

10

100

1000


s a m p l e / C I C

h o n d r i t e

Corteza Oceánica

Corteza Continental

Manto Primitivo



18

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 potencialiónico (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 delradio iónico

Izu-Bonin Glasses

0.1

1

10

100

1000

C s R b

B a T h U

N b

T a

K 2 O

L a

C e P b

P r

S r

N d Z

r H f

S m E

u G d

T b

D y

H o E r Y b Y

L u

S a m p l e / P M



19

Los de alto potencial iónico (HFS)

L l d i ió ( i i )



20

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 losLILE: 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 80Mg#

N i

MVB

Izu-Bonin

EPR

L M t l N bl



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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 en la tierra silicatada 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 puntode 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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