Dinámica Terrestre

• Procesos geoquímicos: – Separación entre elementos (fraccionamiento) – Mezclas entre elementos 1

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?

2

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 10 8 6 4 2 0 18 16 14 12 40 5000 4500 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 40 50 60

SIO2

70 50 60

SiO2

70 3 80 80

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 10 9 8 7 3 2 1 0 6 5 4 40 45 EPR-MORB MAR-MORB Hawaii 50

SIO2

55 60 65 4

¿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) 2 SiO 4

ortopiroxeno clinopiroxeno Plagioclasa

(Mg,Fe) 2 SiO 6 Ca(Mg,Fe)Si 2 O 6 CaAl 2 Si 2 O 8 -NaAlSi 3 O 8 • Constituyentes estequiométricos: Mg, Fe, Si, O, Ca, Al, Na • Los demás serían elementos traza Pero ¿Qué pasa en un granito?

5

• 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 6

¿Qué es un elemento traza?

• Aquellos elementos que no afectan significativamente las propiedades químicas y físicas de un sistema ¿Excepciones?

• 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) 7

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 sulfurosos Fase Gaseosa Atmófilos Victor Goldschmidt (1888-1947) H, C, N, Gases Nobles Líquido Silicatado Líquido Azufroso Litófilo Calcófilo 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 Líquido Metálico Siderófilo Fe, Co, Ni, Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt, Mo, Re, Au, C, P, Ge, Sn

La Tabla Periódica de la Geoquímica

• Comportamiento de los elementos traza en la tierra silicatada 9

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 – N 2 relativamente inerte – En rocas está como NH 3 (amonia): sustituye al K y es muy soluble – N componente importante en proteínas 10

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 (SO elemental) (estado de REDOX del sistema): – Alta fO 2 el azufre está como SO 2 2 , CO 2 ) • No todos son estrictamente volátiles (i.e. C es refractario en estado • Partición del S entre líquido y gas depende de la fugacidad de oxígeno (dióxido de azufre) – Baja fO 2 el azufre está como S 2 (sulfuro) – En magmas con altas concentraciones de S el azufre puede separarse • La solubilidad de CO 2 en magmas es función de la Presión – En magmas con altas concentraciones de C, el CO2 puede separarse y formar magmas carbonatíticos (CaCO 3 es el principal componente) Volcán Oldoinyo Lengai (Tanzania) Magmas Carbonatíticos 11

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.

Radio Iónico

Magnesio (Mg 2+ ): 65 pm Calcio (Ca 2+ ): 99 pm Estroncio (Sr 2+ ): 118 pm Bario (Ba 2+ ): 137 pm

12

PI=carga/radio

Los Elementos LILE

13

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 (UO 2 -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 intemperismo +4 : – Tienden a ser insolubles en fluidos acuosos – No se movilizan durante el metamorfismo y/o el 14

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 REE 3+ 15

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 100 10 1 0.1

0.01

Upper Crust N-MORB Pm 1000 100 10 1 Upper Crust N-MORB Pm La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu 16

¿Por qué los patrones de tierras raras son distintos?

1000 100 10 Corteza Oceánica Corteza Continental Manto Primitivo 1 La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu 17

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

1000 100 10 1 0.1

18

Los de alto potencial iónico (HFS)

19

Los metales de transición (primera serie) 1000.0

• 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 100.0

10.0

1.0

40 50 60

Mg#

70 80 MVB Izu-Bonin EPR 20

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) 21 Menor T de fusión

Otros elementos importantes • Boro (B): – Ligeramente electropositivo: Enlaces covalentes – Abundancias relativas de sus dos isótopos ( 10 B y 11 B) son variables en la naturaleza (fraccionamiento a baja T) – Tiende a formar el radical B 2 O 3 (borato) que es altamente soluble en fluidos acuosos (B 2 O 3 componente fundamental del agua de mar) – B 2 O 3 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 22

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 PO 4 -3 – En rocas máficas y ultramáficas es moderadamente incompatible – En rocas evolucionadas forma el mineral apatita Ca 3 (PO 4 ) (OH,F,Cl) 23