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Geoquímica de las fases finales de la

diferenciación magmática

Pegmatitas

Depósitos hidrotermales

CAPACIDAD DE UN MAGMA PARA FORMAR DEPÓSITO

Concentración del metal

Condiciones geológicas para su concentración en un de- pósito

Fases finales de la diferenciación magmática es fuente de

Li Rb Be Y REE Sn Nb/Ta U/Th Minerales industriales y piedras gemas Cu Tg Zn, Pb

Au, Ag

Evolución granito-depósito hidrotermal DIAGRAMA DE NIGGLI (1929)

Evolución del fluido • 1°- Suponemos un magma completamente líquido.

• 2°- Comienza el proceso de cristalización, cristales + líquido.

• 3°- A medida que avanza la cristalización, el volumen del líquido es cada vez

menor y es allí donde se concentran los volátiles.

• 4°- La presión de vapor tiende a aumentar ya que quedan encerrados en

volumenes pequeños de líquido.

• 5°- La separación de la fase gaseosa se produciría si la presión ejercida por los

gases es mayor que la presión externa.

• 6°- Si la presión confinante disminuye, se separará por ebullición la fase

gaseosa (ebullición retrógada).

Segundo punto de ebullición

• Para que se separe la fase gaseosa de la líquida es necesario que la presión ejercida por el gas sea mayor que la presión externa (las paredes de roca).

• Entonces, ocurre una ebullición en respuesta a un enfriamiento.

• La temperatura a la cual un líquido magmático hipotético puede hervir cuando se enfría se llama segundo punto de ebullición o ebullición retrógrada.

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Solubilidad del H2O

0 2 4 6 8 10

20

15

10

5

0

5 10 15 20 25 30 35

690

680-690

670-720

660-

670

820

Profundidad en Km

Pes

o en

po

rcie

nto

de

agua Liquido + gas

Liquido

Solubilidad de agua en un fundido gra-nítico a temperaturas debilmente por en-cima de los líquidos saturados en agua.Los números a lo largo de la curva mues-tran las temperaturas aproximadas a los puntos experimentales (Burnham y Jahns)El fundido usado fue el de una pegmatitade Harding.

Presión de vapor en Kbars

Condiciones supercríticas del H2O

• Las condiciones críticas son la temperatura y presión por encima de la cual no pueden coexistir dos fases, por ejemplo, en esas condiciones el agua se comporta como un fluido que tiene las propiedades del líquido y del gas, adquiere alta densidad y se convierte en un solvente poderoso como para mantener disueltos SiO2, Na, y K y metales raros (trazas).

• La temperatura crítica del agua se alcanza a 374 °C y su presión crítica a 220 bars, de modo que en el interior de la corteza estas condiciones están sobrepasadas y se dice que el agua está en condiciones "supercríticas".

Pegmatitas - introducción

• Pegmatita es una roca de grano excepcionalmente grueso.

Cristales alcanzan más de 1 ton – Ej. cristal de espodumeno

(LiAlSi2O2) de 13 m de largo, de Black Hills, Dakota del Sur,

USA, gigantismo extremo;

• Mineralogía similar a granito;

• Fuentes:

– de metales raros: Li, Rb, Cs, Be, Ga, Sc, Y, REE, Sn, Nb,

Ta, U, Th;

– minerales industriales tales como feldespato para fines

cerámicos, cuarzo y fluorita para óptica, micas;

– piedras gemas.

Pegmatitas – fuente de gemas

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Minas Gerais pegmatites Pegmatitas – fuente de cuarzo y feldespato para

cerámica

Zonamiento regional de pegmatitas Anatomía interna - zonamiento

Distrito Velasco. Zonamiento de sus pegmatitas

1- Granito porfírico (Huaco o Sanagasta); 2- Aplita; 3- Granito

equigranular de grano grueso, rico en muscovita; 4- Plagioclasa;

5- Cuarzo-feldespato; 6- Microclino; 7- Cuarzo.

Clasificación rusa de las pegmatitas

Pegmatitas miarolíticas (baja profundidad) 2-3 Kbars

Pegmatitas de Nb y Tierras Raras 2.5-3.5 Kbars

Pegmatitas de Ta, Be, Li 2.4-5 Kbars

Ta, Be, Li y muscovita 4.5-6.5 Kbars

Pegmatitas con muscovita 6.5-7.7 Kbars

Uranio y Tierras Raras, mayor que 7 Kbars

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CLASIFICACION DE LAS PEGMATITAS CLASE ELEMENTOS RAROS

(Cerný, 1991)

TIPO DEPEGMATITA[contenido

feldespato+mica]

Subtipo depegmatita,Afinidad

geoquímica

Minerales típicos Potencialeconómico

Allanita-monacita(L)REE, U, Th,(P, Be, Nb>Ta)

AllanitaMonacita

REE

TIERRAS RARAS

[Kf>plg-ab; bimsc] GadolinitaY, (H)REE, Be,Nb>Ta, F, (U,Th, Ti, Zr)

GadolinitaFergusonitaEuxinita(topacio, berilo)

Y, REE, U(Be, Nb-Ta)

Berilo-columbita

Be, Nb? Ta (Sn,Be)

BeriloColumbita-tantalitaBERILO

[Kf>ab; msc>bi]

Berilo-columbita-fosfato

Be, Nb? Ta, P(Li, F, Sn, B)

BeriloColumbita-tantalitaTriplitaTrifilita

Be, (Nb-Ta)

EspodumenoLi, Rb, Cs, Be,

Ta? Nb, (Sn, P,F, B)

EspodumenoBeriloTantalita(ambligonita,lepidolita, pollucita)

PetalitaLi, Rb, Cs, Be,Ta>Nb (Sn, Ga,P, F, B)

PetalitaBeriloTantalita(ambligonita,lepidolita)

Li, Rb, Cs,Be, Ta, (Sn,Ga, Hf)

LepidolitaF, Li, Rb, Cs, Be,Ta>Nb (Sn, P, B)

LepidolitaTopacioBeriloMicrolita(pollucita)

COMPLEJAS

[Kf? ab; msc? lep]

AmbligonitaP, F, Li, Rb, Cs,Be, Ta>Nb, (Sn,B)

AmbligonitaBeriloTantalita(lepidolita,pollucita)

Li, Rb, Cs,Ta, Be, (Sn,Ga)

ALBITA-ESPODUMENO[ab>Kf; (msc)]

Li, (Sn, Be,

Ta? Nb, B)

Espodumeno(casiterita, berilo,tantalita)

Li, Sn, (Be,Ta)

ALBITA[ab>>Kf; (msc, lep]

Ta? Nb, Be, (Li,Sn, B)

TantalitaBerilo(casiterita)

Ta, (Sn)

LAS TRES FAMILIAS DE LAS PEGMATITAS DE ELEMENTOS RAROS Familia LCT NYF

1 Híbrida

Tipo de pegmatita Berilo, complejas, albita-espodumeno, albita

Tierras Raras Híbridas de LCT y NYF

Afinidad geoquímica Li, Rb, Cs, Be, Sn,

Ga, Ta>Nb (B, P, F)

Nb>Ta, Ti, Y, Sc,

REE, Zr, U, Th, F

Hibridez

Composición de la pegmatita

2

Peraluminosa Subaluminosa a metaaluminosa (a subalcalino)

Moderadamente peraluminoso (a metaaluminoso)

Granitos asociados Generalmente heterogéneos; Sin-orogénicos a tardío-orogénicos (a an-orogénicos)

Generalmente homogéneos; principalmente an-orogénicos (a sin-, tardío, post-)

Moderadamente heterogéneos; an-orogénicos (a post-orogénicos)

Composición del granito

Peraluminosos tipos S, I o mezcla de ambos

Subaluminoso a metaaluminoso (a peraluminoso, (raramente peralcalino); tipos A e (I)

Subaluminosos a levemente peraluminosos

Litología de la fuente Rocas no empobrecidas de la corteza media a superior y basamento gneisico

Granulitas empobrecidas de corteza inferior o media, o granitoides juveniles no empobrecidos

Protolitos mezclados, o asimilación de rocas supracorticales por granitos NYF

1: esta familia también incluye a pegmatitas de clase miarolítica.

2: definiciones: peraluminosos, A/CNK>1; subaluminoso, A/CNK1; metaluminoso, A/CNK<1; subalcalino,

A/NK1; peralcalino, A/NK<1, donde A, C, N, K: proporción molecular de Al2O3, CaO, Na2O, K2O.

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COMPOSICION DE PEGMATITAS DE ELEMENTOS RAROS

1 2 3 4 5 6

SiO2 72.82 70.62 75.24 69.74 74.50 73.70

TiO2 0.02 0.04 0.05 0.01 -- 0.01

Al2O3 14.00 17.69 14.42 16.50 14.80 16.53

Fe2O3 0.14 0.60 0.18

FeO 1.00 0.20

0.65* 0.18* --

0.08

MnO 0.06 0.03 0.18 0.21 -- 0.16

MgO 0.30 0.28 0.01 -- -- 0.05

CaO 0.40 0.65 0.20 0.89 0.20 0.13

Li2O 0.10 1.05 0.65 1.18 0.70 1.41

Na2O 2.30 4.84 4.23 2.69 3.30 3.78

K2O 7.40 1.95 2.74 4.42 5.40 1.73

Rb2O 0.18 0.21 0.19 1.10 -- 0.36

Cs2O 0.005 1.31 0.05 0.42 -- 0.03

P2O5 0.28 0.90 0.13 1.18 -- <0.01

B2O3 0.002 -- -- 0.24 -- --

F 0.13 0.65 0.64 0.20 0.90 --

H2O+

0.58 0.75 -- -- 0.60 0.10

Total 99.72 101.77 99.38 98.96 100.40 98.33

* como FeOtotal

1. Pegmatita tipo berilo con micas de Li en menor proporción (Southern, USSR)2. Pegmatita compleja del subtipo espodumeno con pollucita (Siberia, exUSSR)3. Pegmatita compleja del subtipo espodumeno (Harding, Nueva Mejico)4. Pegmatita compleja del subtipo petalita con abundante lepidolita, ambligonita y pollucita

(Tanco, Manitoba)5. Pegmatita compleja del subtipo lepidolita (Pidlite, Nueva Mejico)6. Pegmatita del tipo albita-espodumeno (INCO, Manitoba)

FRACCIONAMIENTO EN GRANITOS Y PEGMATITAS DE

ELEMENTOS RAROS

Granitos Pegmatitas de elementos raros

Ricosen Ca

Leucograni-tos peralu-minosos

Tipo REE Tipo berilo TipoCompleja

Subtipolepidolita

Tipo albita-espodumeno

Li 24 81 19-209 19-622 37-8400 93-4640 5110-10310Rb 110 305 92-183 101-1065 183-9970 274-1865 1737-5490Cs 2 8 -12 4-132 9-9400 28-236 104-793Be 2 4 6-101 4-494 3-605 65-440 97-180Ga 17 38 - - 45-97 - -177Sn 1.5 9 70-800 13-536 12-3170 63-1000 89-894Nb 20 24 53-1280 8-260 8-213 25-155 44-150Ta 3.6 4.5 9-710 2-204 12-4620 9-346 37-108

K/Rb 229 159 130-28 120-40 40-5 24-6 80-3.4K/Cs 12600 11000 10500-4650 1800-900 360-6 186-12 360-22Rb/Cs 55 57.9 32-12 18 8.5-1.2 13-7 24-6.5

Al/Ga 4820 2080 - - 1050-600 - 1300-305Nb/Ta 5.6 5.0 6-1.7 3.3-1.4 1.1-0.3 2.5-0.10 2-0.4

Clases de granitos fértiles

Granitos LCT Granitos NYF

Muy silíceos Menos silíceos

Peraluminosos (a hiperaluminosos),tipos S o I

Subaluminosos a metaaluminosos,tipos A y A+I

Pobres en Ca, Mg, Fe, Sr, Ba, Ti, Zr Pobres en Ca, Mg, Sr

Enriquecidos en Rb, Be, Ga, Sn, Mn, Y(Li, Cs, Nb, Ta)

Enriquecidos en Fe/Mg, Nb, Ti, Zr, Y,Sc, Th, U

La fraccionación abarca desde granitosbiotíticos a leucogranitos pegmatíticos

La fraccionación es sumamentemoderada

[REE] es baja, 20x a 1x la composicióncondrito

[REE] alta, 350x a 100x la composicióncondrito

δO18 = +18‰ y +11,2‰ δO18 = + 8,0‰

Contrastes de granitos fértiles LCT y NYF

OL: LCT granite

LdB: NYF granite

Granitos fértiles en el diagrama de saturación en alúmina (índice de

Shand), señalando la afiliación tectónica y afinidad geoquímica

CONSIDERACIONES PARA LA EXPLORACION DE PEGMATITAS

• Grandes concentraciones de Li, Rb, Cs, Be, Ga, Sn, Nb y Ta

• Ciclo Pampeano y Famatiniano

• El ambiente metamórfico dominante corresponde a facies de baja presión

• Los granitos fértiles se hospedan en sistemas de fallas y cizallas, anticlinales y

estructuras de domo

• Los granitos fértiles son identificados por su composición silícea, peraluminosa y

alto grado de fraccionamiento

• Zonamiento regional

• Halos de dispersión de elementos alcalinos y algunos otros elementos (Be, Sn, Cu)

en rocas circundantes

• Concentraciones menores a moderadas de Ti, Nb, Y, REE, Zr, U, Th

• Dispersas en el tiempo geológico

• Los granitos post- a an-orogénicos se hospedan en regiones extensionales, incluidos

rifts abortados

• No hay preferencia de roca de caja y grado metamórfico

• Los granitos son generalmente subaluminosos a metaaluminosos con atributos típicos

de granitos A

• Las pegmatitas se encuentran dentro o cerca de su plutónico padre

LCT

NYF

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RPG APG MA

Lithology syenogr-

monzogr,

dominantly

syenogranit

e

monzogr

anite to

syenogra

nite

granodio

rite to

monzogr

anite

Mic

rocli

ne

meg

acry

sts

Abundance

(%)

24.1 - 39.1

Average:

32.01

18.0 -

36.8

Average:

29.5

equigran

ular

texture

Maximum

size

12 cm 4.2 cm Fine to

medium

grained

Mod

al

com

posi

tion

Avera

ge v

alu

es

quartz 21.8 37.2 37.2

microcline 48.2 36.1 24.9

plagioclase 17.2 15.5 24.2

biotite 7.9 6.3 2.3

muscovite 4.0 4.5 9.9

apatite 1.1 0.2 tr

zircon 0.2 0.2 --

Biotite/

muscovite

2.0 1.4 0.3

tr.: trace amount. Transición granito-pegmatita del Distrito Velasco

Pegmatitas fuentes y signatura geoquímica

Los elementos típicamente pegmatíticos están presentes en bajas cantidades (trazas) en los magmas. Estos elementos son concentrados por cristalización fraccionada a partir de grandes volúmenes de fundido magmático. La composición del fundido es modificado por partición de los elementos entre el fundido y nuevos minerales que cristalizan durante el enfriamiento.

pag 154 pag 155.

Pegmatitas fuentes y signatura geoquímica

Partición de Nb y Ta

• Son moderado a fuertemente incompatibles en silicatos máficos, pero fuertemente compatibles en Fe-Ti-oxides.

• La partición de Nb y Ta es comúnmente mencionada como DNb/DTa

DNb=CNbxl/CNb

fund ; y Dta = CTaxl/CTa

fund

• Si DNb/DTa se incrementa, la fase cristalina se enriquece en Nb mientras que el fundido se enriquece en Ta. En un continuo fraccionamiento cristal-fundido, la relación CNb/CTa en el fundido decrece con la cristalización.

• En conclusión, la relación CNb/CTa en mezclas graníticas decrece con el progreso de la cristalización lo cual es consistente con las variaciones químicas vistas en granitos y sus pegmatitas asociadas.

Partición de REE

• Los coeficientes de partición cristal/fundido varían desde levemente compatibles a levemente incompatibles en px, anf, biotita y granate.

• El granate y px son selectivos de HREE, mientras que biotita y anf seleccionan LREE.

• En condiciones máficas, la plagioclasa que es un mineral esencial concentra Eu++; en condiciones más silíceas y menos máficas, la partición de REE está regulada por sus minerales accesorios (zircón, allanita, monazita, xenotima y apatito).

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Volátiles • H2O, B, P y F.

• La abundancia de P en fundidos graníticos está controlada principalmente por la fusión de apatito en rocas de la corteza;

• El B es altamente incompatible en fundidos máficos y la presencia en magma graníticos deriva de la turmalina; también las micas son grandes reservorios de B;

• Con respecto a H2O y F, las observaciones indican que los anfíboles y micas se hacen más ricos en F al aumentar la T°C y el contenido de Mg.

Modelo de Jahns-Burnham

• El líquido pegmatítico deriva de la cristalización de un fundido félsico y silíceo que habría producido granito;

• Las texturas graníticas fueron el producto de una cristalización magmática sin la implicación de una fase separada de vapor de agua.

“Estos límites son considerados como los elementos de mayor significancia genética en cuerpos ígneos que contienen pegmatitas. Sugerimos que ningunos de estos límites puede ser reconocido megascópicamente sin cuerpos de rocas formados a partir de magmas graníticos que nunca fueron saturados con agua o que se hicieron saturados en agua en la etapa final de consolidación”.

Modelo de Jahns-Burnham (textura)

• Remarca:

“la aparición de una fase acuosa puede ser considerada como el más decisivo paso en la génesis de pegmatitas, y marca el comienzo de los cambios fundamentales en la textura y distribución de los materiales que cristalizan”.

Modelo de Jahns-Burnham (textura)

• El modelo explica dos procesos importantes:

– Ascenso del vapor acuoso a través del fundido promueve la formación de aplita a partir del fundido a lo largo de la pared de la cavidad, y posterior formación de la pegmatita;

– El fraccionamiento de K en el vapor de agua sobre el Na, para que silicatos ricos en K precipiten donde se acumula el vapor.

Modelo de Jahns-Burnham (procesos)

a) Inyección de un fundido pegmatítico;

b) Cristalización de bordes graníticos y transporte de K hacia el techo;

c) Cristalización de aplitas en el piso y vapor de agua causa cristales gigantes de feldespato-K. También lentes de cuarzo cristalizan en el centro del dique;

d) Vapor de agua entrampado debajo de la franja de feldespato-K forma cavidades miarolíticas.

Modelo de Jahns-Burnham (representación esquemática)

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Saturación de vapor de agua en pegmatitas

• Las pegmatitas con berilo, Li-aluminosilicato, columbita-tantalita, y polucita se forman por cristalización fraccionada extensiva de grandes volúmenes de líquido granítico.

• Cada uno de estos minerales requiere > 95% de cristalización fraccionada de un típico líquido de composición granítica.

• A partir de un 2-3 %wt H2O derivado a partir de fundidos de micas y anf a 800°-850°C, entonces un fundido granítico se saturaría en H2O después de un 75% de cristalización.

• Así, si las pegmatitas representan el líquido residual después del 95% o más de cristalización fraccionada de los granitos para estar saturados en H2O.

Evidencia de una fase acuosa

• Cavidades miarolíticas

• Inclusiones fluidas

• Minerales hidratados (micas)

• Interacciones pegmatita-roca de caja

(recristalizaciones , reemplazamientos)

Evidencias de una fase acuosa Modelo de London (premisas)

• Utiliza fundamentalmente los métodos y objetivos de la petrología y geoquímica experimental aplicados a sistemas ígneos.

• Estos experimentos de cristalización dinámica, el líquido silicático es enfriado rápidamente y la observación está referida al número y tamaño de los cristales que crecieron, sus distribuciones espaciales y hábitos, y fraccionamiento químico resultante entre cristal-fundido.

• Los experimentos han sido simulados con o sin una fase vapor acuosa.

Modelo de London (Análisis cinético de la nucleación y crecimiento de cristales)

Enfriamiento del liquidus

por cambios en la:

b) presión;

c) temparatura;

d) composición d c

b

Modelo de London

granito de grano fino pegmatita grano grueso

Cuál es la diferencia entre estas dos rocas?

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Modelo de London (experimentos de cristalización dinámica)

Experimento de Swanson (1977) para nucleación y crecimiento de cristales

en función de ΔT en fundidos hidratados

granodioríticos y graníticos a una presión

de 800 MPa.

Representación del experimento de Fenn (1977) para la nucleación y crecimiento de cristales en función de ΔT para un fundido sintético hidratado de feldespato-K a presión de 500 MPa

Modelo de London (experimentos de cristalización dinámica)

En conclusión, los estudios experimentales muestran:

- un máximo en la velocidad de crecimiento en ΔT ~ 200°C, indiferentemente de la fase o composición;

- y generalmente un máximo estrecho en la densidad de nucleación.

Modelo de London (experimentos de cristalización dinámica)

Las formas de los granos de cuarzo están controladas por los movimientos laterales de las crestas del feldespato-K a través de su superficie de crecimiento

Modelo de London (experimentos de cristalización dinámica-granito gráfico)

Provincias pegmatíticas de

SurAmérica

Provincia Pegmatítica Pampeana

Herrera, A. 1968. Geochemical evolution of zoned pegmatites of Argentina. Economic Geology, vol. 63 (1):13-

29.

Resumen:

Las pegmatitas de las Sierras Pampeanas pueden agruparse en cuatro tipos fundamentales diferenciados por su

estructura interna, composición y asociaciones paragenéticas:

Tipo 1: está constituido por pegmatitas caracterizadas por la presencia de zonas externas con oligoclasa.

Tipo 2: se distingue por la aparición de zonas intermedias de cz, plg y microclino y por un aumento del contenido

total del feldespato potásico.

Tipo 3: se caracteriza por una estructura zonal muy simple, por una mayor diversidad y abundancia de los

minerales accesorios con respecto a los dos tipos anteriores, y por la aparición de una fase de reemplazo sódico-

potásico.

Tipo 4: aparecen zonas con espodumeno, aumenta la proporción de plg (albita) y disminuye la de microclino.

Los cuatros tipos de pegmatitas mencionadas forman una serie esencialmente continua, cuyas características reflejan

el curso del proceso genético. Se describe el proceso pegmatógeno mediante la evolución de asociaciones

paragenéticas. Estas son, en el orden en que se forman en los cuerpos individuales: 1. Asociación marginal; 2.

Asociación de plg; 3. Asociación de microclino; 4. Asociación de albita; 5. Asociación de espodumeno; 6. Borde del

núcleo; 7. Reemplazos de Na, K y Li; 8. Núcleo de cz.

En base al esquema genético expuesto se establece la secuencia generalizada de las asociaciones mineralógicas

primarias –en términos de minerales esenciales- que caracterizan la evolución de las pegmatitas de las Sierras

Pampeanas. Los términos de la misma son: 1) plg-cz, con o sin musc.; 2) microclino-cz-plg; 3) microcl.-cz; 4)

albita-cz; 5) albita-microcl.-cz; 6) microc.-albita-cz-espodumeno; 7) microc.-cz-espodumeno. Se compara esta

secuencia con la establecida por Cameron et al (1949) para los principales distritos pegmatitos de USA. Las

secuencias muestran que la evolución del sistema pegmatógeno está caracterizado por el papel que juegan los

cationes Ca, Na, K y Li en las distintas fases del proceso.

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PROVINCIA PEGMATITICA PAMPEANA

CLASE

Muscovita Elementos raros

1 Centena-rio 2 Ambato 3 Valle Fértil 4 Alta Gracia

Dtos Pegm. Orogénicos

Dtos Pegm Post-Orogénicos

5 C° Blanco 6 El Quemado 7 Quilmes 8 Calchaquí 9 Ancasti 10 Sierra Brava 11 Conlara 12 Totoral 13 La Estanzuela 14 Altautina 15 Comechin-gones

16 El Portezuelo 17 Velasco 18 Punilla 19 Potrerillos