1

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

6

8

10

12

14

16

18

40 50 60 70 80

SIO2

MG

O

Datos de la FVM

4

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

5

¿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?

6

• 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

9

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+

16

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

19

Los de alto potencial iónico (HFS)

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 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)