1

Dinmica Terrestre

Procesos geoqumicos:

Separacin entre elementos (fraccionamiento)

Mezclas entre elementos

2

Geoqumica de los Elementos Traza

Objetivos:

Analizar el comportamiento de los elementos

traza en rocas magmticas

Introducir mtodos matemticos para modelar

su comportamiento

Por qu son importantes?

3

Importancia de los Elementos Traza

Mayor variacin en

concentracin que los

elementos mayores

Generalmente hay 10-12

mayores y ms de 70 trazas

Tienen propiedades

qumicas nicas

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

6

8

10

12

14

16

18

40 50 60 70 80

SIO2

MG

O

Datos de la FVM

4

Utilidad y Aplicaciones

Formacin y diferenciacin de la tierra

Procesos y dinmica de fusin en el manto

Formacin de yacimientos minerales e hidrocarburos

Cambios climticos y circulacin ocenica

Contaminacin 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

5

Qu es un elemento traza?

Aquellos elementos que NO son constituyentes

estequiomtricos de las fases mineralgicas

presentes en el sistema de inters

Fases mineralgicas de un Basalto: olivino (Mg,Fe)2SiO4

ortopiroxeno (Mg,Fe)2SiO6 clinopiroxeno Ca(Mg,Fe)Si2O6 Plagioclasa CaAl2Si2O8-NaAlSi3O8

Constituyentes estequiomtricos:

Mg, Fe, Si, O, Ca, Al, Na

Los dems seran elementos traza

Pero Qu pasa en un granito?

6

Para la mayora 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 afectan

significativamente las propiedades qumicas

y fsicas de un sistema

Excepciones?

Qu 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 concentracin)

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Afinidad de los Elementos Traza

Clasificacin de Goldschmidt:

Atmfilos: Elementos voltiles (Gases y lquidos)

Litfilos: Afinidad por los lquidos silicatados

Siderfilos: Afinidad por los lquidos metlicos

Calcfilos: Afinidad por los lquidos sulfurosos Victor Goldschmidt (1888-1947)

Lquido Silicatado

Lquido Azufroso

Lquido Metlico

Fase Gaseosa

Siderfilo

Calcfilo

Litfilo

Atmfilos H, C, N, Gases Nobles

Alcalis, Alcalino-trreos,

Halgenos, B, O, Al, Si, Sc,

Ti, V, Cr, Mn, Y, Zr, Nb,

Lantnidos, 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 Peridica de la Geoqumica

Comportamiento de los elementos traza en

la tierra silicatada

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Los Elementos Voltiles

Gases Nobles y N

Gases nobles son qumicamente inertes y voltiles. No forman minerales.

Tienen radios inicos grandes (excepto He) y no se acomodan fcilmente en las redes cristalinas

Solubilidad en magmas depende de P, T, Radio Inico y composicin

N2 relativamente inerte

En rocas est como NH3 (amonia):

sustituye al K y es muy soluble

N componente importante en protenas

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Los elementos semi-voltiles 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 voltiles (SO2, CO2)

No todos son estrictamente voltiles (i.e. C es refractario en estado elemental)

Particin del S entre lquido y gas depende de la fugacidad de oxgeno (estado de REDOX del sistema): Alta fO2 el azufre est como SO2 (dixido de azufre) Baja fO2 el azufre est como S2 (sulfuro)

En magmas con altas concentraciones de S el azufre puede separarse

La solubilidad de CO2 en magmas es funcin de la Presin En magmas con altas concentraciones de C, el CO2 puede separarse y

formar magmas carbonatticos (CaCO3 es el principal componente)

Volcn Oldoinyo Lengai

(Tanzania)

Magmas Carbonatticos

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Los elementos alcalinos y alcalino-trreos

Large Ion Lithophile Elements (LILE) Alcalinos= Li, K, Rb y Cs

Alcalino-trreos= Be, Sr y Ba

Electronegatividades bajas y valencias de 1 y 2

Tienden a forman enlaces inicos

Su comportamiento est gobernado por el radio inico y la carga (POTENCIAL INICO):

Bajo potencial inico (carga/radio)

Se les llama Elementos litfilos de radio inico grande o Large Ion lithophile elements (LILE)

Su radio inico 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 estn empobrecidos en el manto.

Magnesio (Mg2+): 65 pm

Calcio (Ca2+): 99 pm

Estroncio (Sr2+): 118 pm

Bario (Ba2+): 137 pm

Radio Inico

13

Los Elementos LILE

PI=carga/radio

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Las Tierras Raras y el Y

Tierras raras: Lantnidos y Actnidos

En geoqumica 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 raras medias-pesadas

Actnidos: U y Th

El Th tiene +4 y el U puede tener +4 o +6 (en condiciones oxidantes)

El U+6 forma el in uranilo (UO2-2) que es soluble en

fluidos acuosos en condiciones oxidantes

REEs tienen bajas electronegatividades: enlaces inicos (como los lcalis)

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

Debido a su alto potencial inico (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 (Lantnidos)

REE configuracin electrnica es similar

Radio inico decrece de manera sistemtica

Radio inico define su comportamiento en los materiales geolgicos

Elementos Incompatibles?

El grado de incompatibilidad depender del radio inico 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 PETROLOGA

REE3+

16

1

10

100

1000

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

sa

mp

le/C

I 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

n p

pm Upper Crust

N-MORB

Pm

Diagramas de Tierras Raras

Diagramas que expresan el logaritmo de las abundancias relativas con respecto al nmero

atmico: Diagramas de Masuda, Masuda-Coryell o Coryell

Las abundancias relativas:

concentracin en la muestra/concentracin en un material de referencia

Valores de normalizacin utilizados (ver Rollinson 1993, pag. 134):

Condritas

Manto Primitivo

MORB

Etc..

Sin normalizacin Normalizado

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Por qu los patrones de tierras raras son distintos?

Reflexionar de Tarea

1

10

100

1000

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

sa

mp

le/C

I C

ho

nd

rite Corteza Ocenica

Corteza Continental

Manto Primitivo

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Los elementos de alto potencial inico

Tambin llamados High Field Strenght o por sus siglas HFSE: Zr, Hf,

Nb y Ta

Tienen alta carga (+4 y +5) y radio inico pequeo: Alto potencial

inico (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 funcin de la alta carga y no del

radio inico 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

19

Los de alto potencial inico (HFS)

20

Los metales de transicin (primera serie)

Sc, Ti, V, Cr, Mn, Co, Ni, Cu, Zn, Ga y Ge

Difciles de agrupar. Tienen dos o ms 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 calcfilos y siderfilos

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 comnmente estn en estado nativo

Dos o ms valencias: forman enlaces complejos

Escasez en la tierra silicatada debido a su carcter siderfilo

Los elementos del grupo del platino se dividen:

Grupo del Ir (Ir, Os, Ru): Asociado a cromitas y rocas ultramficas

Grupo del Pd (Pd, Rh, Pt): Asociado a sulfuros en rocas gabroicas

Se grafican normalizados c/r a condritas

Orden corresponde a una disminucin en el punto

de fusin (~incompatibilidad)

Menor T de fusin

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Otros elementos importantes

Boro (B):

Ligeramente electropositivo: Enlaces covalentes

Abundancias relativas de sus dos istopos (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 mvil 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 magmticos

Plomo (Pb):

Importante porque es el producto del decaimiento del Th y el U

Elemento calcfilo y ligeramente siderfilo

Valencia (+2) y radio inico muy parecido al Sr

Pb puede formar complejos qumicos con Cl y F y ser fcilmente transportado en soluciones acuosas del metamorfismo e hidrotermalismo

Moderadamente incompatible en procesos magmticos