U N I V E R S I D A D D E C O N C E P C I Ó N DEPARTAMENTO DE CIENCIAS DE LA TIERRA

10° CONGRESO GEOLÓGICO CHILENO 2003

GEOQUÍMICA DEL YACIMIENTO EXÓTICO DE CHUQUICAMATA

MAREY J. 1 PARRA A. 1 VEGA J. 1 KOJIMA S. 2

1Gerencia de Geología. Codelco-Chile. División Codelco Norte. Av. Tocopilla s/n. Chuquicamata 2 Departamento de Ciencias Geológicas Universidad Católica del Norte. Av. Angamos 0610. RESUMEN Unidades de gravas mineralizadas y alteradas del yacimiento exótico, fueron analizadas sistemáticamente por sus elementos mayores y menores, con el objetivo de identificar temporal y espacialmente los cambios de estos elementos involucrados en los procesos de mineralización supérgena y de relixiviación del cobre. En Mina Sur, la mineralización exótica es: crisocola, copper pitch, atacamita, copper wad y menores cantidades de libetinita; que se encuentra alojada en grava terciarias (Mioceno). El yacimiento es subdividido en zona proximal, intermedia y distal de acuerdo a su relación espacial con el pórfido madre (Chuquicamata). Dentro del cuerpo mineralizado se reconoce una franja central intensamente argilizada producto de la circulación de soluciones áciduladas, que lixivian la mineralización de cobre anteriormente depositada. En las gravas mineralizadas se destaca un importante incremento de SiO2 y un alto enriquecimiento de Cu, Zn, Mn, Co, Cd, U y Cl. El enriquecimiento de Cu, Mn y Cl, observado en las unidades mineralizadas es correspondiente a su mineralogía, representada por las asociaciones crisocola- copper wad o atacamita-copper wad. Las zonas intermedia y distal acusan un enriquecimiento relativo de Zn y Cd, mientras que el enriquecimiento de Co, U y Cl decrecen con la distancia desde el pórfido madre. Las unidades de gravas argilizadas muestran un importante decrecimiento de Cu, Zn, Cd, U, P y localmente Mn y Co, asociado a la pérdida de SiO2, Na2O, CaO y K2O. Finalmente, se ha determinado, a través de este estudio, que los metales divalentes Zn, Mn, Co y Cd son elementos importantes para la exploración geoquímica de los depósitos de cobre exótico.

Figura Nº 1: Mapa de ubicación de área de estudio

INTRODUCCIÓN

C H U Q U I C A M A T A

C o m p l e j o I g n e o - M e t a m ó r f ic oP a le o z o ic o

M A N S A M I N A

C H U Q U IN O R T E

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El yacimiento de cobre exótico de Chuquicamata, se encuentra ubicado en el desierto de Atacama de la II Región- Chile (Figura Nº 1); nace como un gran manto mineralizado desde el pórfido, en dirección al sur y se conoce hasta una distancia de aproximadamente 8 Km. de longitud. Presenta una importante zonación mineralógica, de alteración y geoquímica en su extensión longitudinal, horizontal y vertical. La formación de este yacimiento exótico se sitúa entre los 25 y 10 millones de años (Mioceno- Oligoceno), coetáneo a los procesos de oxidación y enriquecimiento secundario que afectaron al pórfido de Chuquicamata en medio de un régimen climático caracterizado por una alternancia entre periodos períodos más cortos de lluvias torrenciales. Durante este proceso, soluciones enriquecidas con cobre migraron

Todas las contribuciones fueron proporcionados directamente por los autores y su contenido es de su exclusiva responsabilidad.

lateralmente hacia el sur controladas por el paleodrenaje definido por el contacto entre las gravas terciarias y el basamento paleozoico, mineralizando simultáneamente las gravas y las rocas de basamento. En el contexto global este yacimiento exótico, conforma un cuerpo lenticular de formas sinuosas de espesores variables entre 40 y 80 metros y con anchos que fluctúan entre 400 metros y 1.2 km. Los recursos totales contenidos en este yacimiento, se estiman del orden de 380 millones de toneladas a una ley de corte de 0.2 % CuT y una ley media de 1.2 % CuT. El mineral extraído de esta mina desde el inicio de su explotación es del orden de 160 millones de toneladas con una ley media 1.4 % de CuT. Los estudios geológicos recientes del yacimiento Exótica - Mina Sur, permiten tener una mejor comprensión de los procesos evolutivos involucrados en la génesis de este yacimiento. Los trabajos publicados por Mortimer, C.; et. al., 1978 y Münchmeyer, C.; 1996, constituyeron un primer avance y un gran aporte al conocimiento geológico de este tipo de yacimientos exóticos de gran tamaño, asociados a pórfidos cupríferos. Posteriormente la continuidad de la explotación y el desarrollo de proyectos mineros en los extremos del yacimiento, han llevado necesariamente a un conocimiento detallado de la geología y a la definición de unidades geológicas, que son expresiones intrínsecas de la zonación de mineralización y alteración, ambos procesos ligados íntimamente durante la evolución genética del yacimiento. Este estudio investiga los cambios espaciales y temporales de los elementos involucrados en los procesos de mineralización supérgena y alteración (argilización), considerando los datos de la geoquímica sistemática de elementos mayores y menores presentes en las gravas mineralizadas y alteradas. GEOLOGÍA DEL YACIMIENTO En el contexto global este yacimiento exótico conforma un cuerpo lenticular sinusoidal que se aloja en la zona de contacto entre la parte basal de las gravas terciarias y el basamento metamórfico paleozoico. Nace en la cabecera de un paleodrenaje situado en el divorcio de aguas de la parte central del pórfido de Chuquicamata y desciende hacia el Sur a través de esta paleoquebrada, que tiene 400 m. de ancho y 2 km. de largo, con una inclinación de 3º a 7º (porción de Extensión Norte de Mina Sur). Entre los 2 y 6 km. se deposita el mayor contenido de cobre, coincidiendo con una desviación en sentido Sureste del paleocanal, cuya morfología es condicionada por un dominio estructural de esa dirección. La mineralización de oxidados de cobre más distal al yacimiento madre se encuentra a una distancia de 6 a 8 km. en donde la mineralización es más débil, con rasgos de agotamiento (porción Cola Sur). La formación de este yacimiento se encuentra ligado a escurrimientos laterales y superficiales en más de un evento de soluciones ácidas cuya intensidad y concentraciones de cobre fueron variables en el tiempo y se encuentran relacionados a los procesos de lixiviación y enriquecimiento secundario del Pórfido Chuquicamata (entre los 25 – 10 m.a.). (Mortimer c., et al., 1978) ROCAS DE BASAMENTO Las distintas unidades litológicas que conforman el basamento ígneo – metamórfico del Yacimiento Exótico, incorpora rocas básicas, intermedias y ácidas representadas por Dioritas y Granodioritas afectadas por un metamorfismo de carácter regional, dando origen a las denominadas anfibolitas, las que han sido intruidas por rocas granodioríticas, graníticas, pórfidos feldespáticos y cuarcíferos y cuerpos filoneanos andesíticos. El marco litológico del basamento presenta gran complejidad por la variedad de unidades de rocas, con suaves diferencias texturales y cuyos contactos, por lo general, no son del todo claros.

La roca de basamento experimenta la mayor complejidad, debido a sobreimposiciones de efectos asociados a procesos hidrotermales acaecidos durante el emplazamiento del Pórfido de Chuquicamata, intensos fracturamientos y cizallamientos asociados a la mega estructura “Falla Oeste”, intemperismo pre-gravas y alteración supérgena por el paso de soluciones ácidas durante la mineralización exótica. DEPÓSITOS SEDIMENTARIOS Los depósitos sedimentarios terciarios, están constituidos por escombros de laderas, corrientes de barro, abundante material coluvial, escaso material aluvial, y con pocas intercalaciones de cenizas volcánicas. La distribución y espesor de estos depósitos sugiere una activa erosión de altos topográficos durante una época menos árida que la actual, con la consiguiente depositación en las cuencas formadas por tectónicas de bloques. Una datación radiométrica en K-Ar de Ceniza situada en el techo de la unidad sedimentaria, indica una edad mínima de 8,4 millones de años (Munchmayer y Urqueta 1974). En el yacimiento de Mina Sur, se han identificado una diferenciación de los depósitos sedimentarios, relacionados a las variaciones de los regímenes climáticos y a la paleogeomorfología que controla las velocidades y energía depositacional de la secuencia sedimentaria. Una diferenciación dice relación con una depositación sedimentaria de baja energía de buena estratificación, selección y clasificación, controladas por paleoquebradas secundarias (Grava Exótica). Otra diferencia la constituyen los depósitos sedimentarios de alta energía, con características caóticas aluvionales de alta densidad de transporte de bolones y clastos de mayor tamaño, controladas por paleoquebradas profundas de mayor flujo hidráulico, tal es el caso de la importante paleoquebrada que baja desde los cerros de Chuquicamata (Grava Fortuna). Estas secuencias se presentan como depositaciones intergradadas especialmente en los sectores de convergencias de tributarios (Munchmayer y Urqueta, 1974). CONTROL ESTRUCTURAL DE LA GEOMORFOLOGÍA DEL PALEODRENAJE. El estilo estructural predominante que se reconoce al Sur del yacimiento de Chuquicamata y que controla los rangos geomorfológicos del basamento son: i) sistema Norte Sur, condicionado por el sistema de la Falla Oeste – Falla Messabi y que son las que controlan las paleoquebradas principales; ii) sistema Noroeste, evento estructural tardío, que desplaza el sistema Norte Sur, que influye en el modelamiento morfológico del basamento y en la formación de cuencas de sedimentación en esa dirección y iii) sistema Noreste, principalmente reconocido en el sector del rajo de Mina Sur, que no presenta importancia en el modelamiento geomorfológico del basamento. El esquema estructural general que controla la paleotopografía, corresponde a estructuras mayores, las cuales generan un estilo tectónico que sirve de cuna para la depositación de las gravas Fortuna y Exótica y posteriormente controlan el escurrimiento de las soluciones mineralizadoras. MINERALIZACIÓN Y ALTERACIÓN La mineralización se presenta tanto en gravas como en la roca del basamento ígneo – metamórfico Paleozoico, predominando la mineralización en rocas en la parte proximal y en gravas hacia la parte centro y distal. Este lente mineralizado se encuentra cubierto por una

secuencia de grava estéril cuyo espesor varía entre 25 a 200 metros, desde la porción proximal a la más distal del yacimiento. Se reconocen dos asociaciones mineralógicas principales que obedecen a condiciones fisicoquímicas ligeramente distintas y que tienen que ver con el potencial de oxidación y con la acidez de las soluciones. La primera de estas asociaciones es atacamita y copper wad asociada a hidróxidos de Fe y a algunos fosfatos hidratados de Cu, es típica de la zona proximal y define la unidad de Grava Mineralizada Periférica (GMP) o marginales de la porción intermedia del yacimiento, corresponde a un ambiente levemente más oxidante y de soluciones de pH más moderado ( 5 a 6). La segunda asociación corresponde crisocola, copper wad y copper pitch producto de un ambiente más saturado en agua y sílice, menos oxidante y de soluciones de pH menor ( 3 a 5 ). Esta asociación alcanza su mayor desarrollo, junto a un alto contenido de cobre, en la porción intermedia del yacimiento, definiendo la unidad de Grava Mineralizada Central (GMC); mientras que en la parte proximal esta asociación es subordinada y localmente se sobreimpone a la primera. En general la distribución de las distintas mineralogías están íntimamente relacionadas a los procesos fisicoquímicos y a los eventos posteriores sobreimpuestos, que condicionaron la removilización y la precipitación de los minerales de mena, definiendo zonaciones primarias y secundarias con expresión transversal y longitudinal en el yacimiento exótico. (Figura Nº 2). Como evidencia de lo anteriormente expuesto se reconoce una franja definida como la unidad de Grava Alterada (GAL) que se localiza en la parte central del cuerpo mineralizado exótico, desde la porción proximal hasta la intermedia del yacimiento, y cuyo origen se relaciona directamente a procesos supérgenos que actuaron sobre el mega-pórfido de chuquicamata, los cuales dieron como resultado la canalización y escurrimiento de soluciones ácidas, en más de un evento, causando la alteración (argilización) en gravas y rocas de basamento, y la removilización de elementos como el Cu desde las zonas proximales a las más distales. Al interior de esta franja alterada se evidencia una unidad de gravas color pardo rojizas caracterizadas por un alto contenido de hidróxidos de hierro, principalmente hematita- goethita denominadas en el presente trabajo como unidad de Grava Ferro-cretas (GFC). ( Figura Nº 2) Los patrones que controlan la zonación de la alteración y mineralización en los depósitos exóticos, se relacionan con la reactividad de la roca “huésped”, la razón Cu / Fe / S de la fuente del depósito (Pórfido “Madre”), y con la evolución del pH y el estado “redox” de las soluciones durante la formación del depósito. (Mortimer, C.; et. Al., 1978).

ESTUDIO GEOQUÍMICO

MÉTODO ANALÍTICO El estudio geoquímico se restringió exclusivamente a las unidades de gravas, basados en los siguientes aspectos: las gravas estudiadas presentan una buena homogeneización litogeoquímica; corresponden a un material de alto grado de porosidad y permeabilidad lo que facilitó la circulación de las soluciones exóticas, su migración lateral y difusión por capilaridad, permitiendo el desarrollo y distribución homogénea de la mineralización. En contraposición a lo anterior, las unidades de rocas de basamento mineralizadas, presentan amplia variedad litológica,

con sobreimposición de eventos metamórficos y de alteración hidrotermal, un marcado control estructural, lo que finalmente dificulta la interpretación de la variabilidad geoquímica y del comportamiento de los elemento móviles y no móviles asociados a los procesos exóticos. Este estudio consideró varios métodos de análisis para una población de 1.264 muestras de pulpas de respaldo (#200 Ty) correspondientes a gravas. Estas muestras fueron tomadas sistemáticamente de 32 sondajes diamantinos distribuidos en 8 secciones a lo largo del yacimiento. Los elementos mayores (SiO2, Al2O3, Fe2O3, MgO, Na2O, K2O, CaO, MnO, Cu2O, BaO, TiO2 y P2O5) de 210 muestras seleccionadas, fueron analizados utilizando Fluorescencia de Rayos – X (XRF) en el Laboratorio de Geología – División El Salvador. Los elementos menores (Cu, Zn, Mn, Co, Cd, U, Ni, Mo, As y P) de 562 muestras proporcionadas por la gerencia de Exploraciones de Codelco fueron determinados utilizando Espectrometría de Emisión de Plasma por Acoplamiento Inductivo (ICP) del laboratorio Acme Laboratories Chile Ltda. Los otros elementos tales como S y Cl de 492 muestras fueron analizadas por Espectrometría de Absorción Atómica (EAA), en el Laboratorio de Geología – División El Salvador. Preliminarmente los elementos menores de 93 muestras fueron analizadas por ambos métodos (ICP y EAA) con el objetivo de conciliar los resultados analíticos de ambos métodos y cuyos valores extremos (error relativo) son 0.1% (P) a 9.7% (Co). Esta comparación fue realizada para 10 elementos basados en el promedio de las diferencias entre ambos métodos. Las muestras cubren las unidades de gravas mineralizadas ( GMP y GMC), la Gravas alterada (GAL), la Grava Ferro-creta (GFC) de la porción proximal y gravas estériles (background).

ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS GEOQUÍMICOS GEOQUÍMICA DE LOS ELEMENTOS MAYORES Para las unidades de gravas mineralizadas ( GMC y GMP) y alteradas (GAL), los promedios de ganancias y pérdidas de elementos mayores respecto a la composición original del background (grava estéril) se resumen en la figura Nº 3. Los cambios químicos de las unidades gravas mineralizadas se caracterizan por la adición de SiO2 y MnO, que son fundamentales en la formación de crisocola y copper wad respectivamente. Asimismo, una considerable pérdida de metales alcalinos y terroalcalinos (Na2O, K2O, MgO, CaO y BaO) son claramente reconocidos en la unidad GAL. En la unidad GFC, se denota una fuerte disminución de los elementos alcalinos y terroalcalinos (Na2O, K2O, MgO, CaO, MnO y BaO) además de una significativa pérdida de SiO2, Al2O3 y TiO2, que se contrapone a un marcado incremento Fe2O3. GEOQUÍMICA DE LOS ELEMENTOS MENORES Las variaciones geoquímica de los elementos menores, incluyendo la grava estéril (background), se manifiestan como una función de la distancia horizontal (km) desde el pórfido madre de Chuquicamata. (Figura Nº 4) éstas resumen los contenidos promedios de 12 elementos menores analizados (Cu, Zn, Mn, Co, Cd, U, Ni, Mo, As, P, S y Cl). Se destaca que los contenidos de Cu, Zn, Mn, Cl y S son altos en todas las unidades mineralizadas y frecuentemente sus concentraciones alcanzan magnitudes de 100 a 1000 ppm. En contraste, las concentraciones de Co, Cd, U, Ni, Mo y As son menores para las mismas unidades. La mineralización exótica es el resultado de una importante adición de Cu, Zn, Mn, Co, Cd, U y Cl en las distintas unidades mineralizadas; sin embargo, la mineralogía a las cuales estos elementos se asocian son considerablemente distintas.

Figura Nª 3: Concentración de elementos mayores en unidades de gravas

La adición de Cu es reconocida en todas las unidades mineralizadas, particularmente en la unidad GMC. En la porción proximal a intermedia del yacimiento, la concentración de Cu de la unidad GAL presenta un notable decrecimiento con la distancia al pórfido madre; esta misma tendencia también se observa para el Mn, Co, U y Mo. En las grava mineralizadas (GMC, GMP) y GAL, particularmente dentro de la porción intermedia y distal del yacimiento, se observa una fuerte adición de Zn; sin embargo, en la unidad GFC, se aprecia una significativa disminución de éste. El contenido de Mn en la unidad GMP, es uniformemente bajo, siendo sus concentraciones levemente más altas respecto al background, mientras que en la unidad GMC, en la porción intermedia del yacimiento, se evidencia un notable enriquecimiento de este elemento, alcanzando concentraciones sobre los 3000 ppm. En la unidad GAL, se observa localmente una alta concentración de Mn (≈6000 ppm) dentro de la porción proximal, donde el copper wad es el mineral predominante; lo mismo se observa respecto al contenido de Co para esta misma unidad. La adición de Co es claramente reconocida en la unidad GMC y dentro de la porción proximal a intermedia. El enriquecimiento de Cd es especialmente observado en la unidad GMC en la porción intermedia, mientras que para esta misma unidad, el U presenta un notable incremento pero en la porción proximal. En la unidad GFC, se destaca un notable enriquecimiento de As, Mo y Fe; se plantea la hipótesis que esta unidad corresponde a material sedimentario proveniente de la erosión de la parte superior del “leach-capping” del pórfido Chuquicamata. El P y S no presentan un enriquecimiento significativo en las unidades de gravas mineralizadas, sin embargo, en el caso particular del S, se observa en todas éllas, que sus contenidos decrecen con la distancia al pórfido madre incluyendo a la grava estéril. Normalmente los contenidos de Cl en las unidades GMP, GAL y GFC son ligeramente superiores a los del background, pero son significativamente altos en la unidad GMC dentro de la porción proximal del yacimiento, lo cual es coincidente con la mineralogía predominante (atacamita). El decrecimiento de los contenidos de Cu, Zn, Cd, U, P y localmente Mn y Co, observados en las unidades GAL y GFC, se explica como consecuencia de los sucesivos procesos de lixiviación.

Figura Nº 4: Concentración de elementos menores en unidades de grava a lo largo del yacimiento.

DISCUSIÓN Y CONCLUSIONES La mineralización exótica asociada al yacimiento de Chuquicamata, se caracteriza por la adición de SiO2, Cu, Zn, Mn, Co, Cd, U y Cl, mientras que los procesos de argilización evidencian la lixiviación del Cu, Zn, Cd, U, P y localmente Mn y Co; a mayor escala se destaca la pérdida de elementos alcalinos y terroalcalinos. Estos cambios químicos guardan estrecha relación con los cambios mineralógicos observados en las distintas unidades; como ejemplo se puede mencionar que el incremento de SiO2 y Mn, en la unidad GMC, está asociado a la formación de crisocola y copper wad respectivamente, y a su vez, el incremento de Cl se relaciona a la formación de atacamita para esta misma unidad y dentro de la porción proximal del yacimiento. El notable incremento de Mn al interior de la unidad GAL, se encuentra asociado a la mineralización de copper wad, el cual es reconocido como un mineral moderadamente refractario que resiste la intensa argilización, en contraste con la crisocola y atacamita. Asimismo la alta concentración de Co, en esta unidad, que caracteriza a la porción proximal, sugiere que este elemento se encuentra íntimamente relacionado al Mn como componente del copper wad. Considerando todos los resultados obtenidos, se sugiere que los metales divalentes como el Zn, Mn, Co y Cd son elementos importantes para la exploración geoquímica de depósitos exóticos de cobre. Contrariamente, el Ni y Mo son elementos esencialmente inmóviles durante el proceso de mineralización exótica, por lo cual no pueden ser considerados en la exploración de cobre exótico. La alta concentración de Fe2O3, Mo y As en la unidad alterada GFC, explica que esta unidad sedimentaria corresponde a un material clástico proveniente de la erosión del “leach-capping” del pórfido de Chuquicamata, luego podrían constituir elementos de exploración del pórfido madre de un yacimiento exótico de cobre, en similar ambiente geológico. REFERENCIAS Mortimer, C., Münchmeyer, C., and Urqueta, I., 1978, Emplacement of the Exótica orebody, Chile. Transaction of the Institution of Mining and Metallurgy, Section B: Applied Earth Science, v. 86, p. 121-127. Münchmeyer, C., 1996, Exotic deposits – products of lateral migration of supergene solutions from porphyry copper deposits: Society of Economic Geologists Special Publication 5, p. 43-58. Münchmeyer, C., and Urqueta. I., 1974, Geología del yacimiento Exótica, in Klohn, E., ed., Colquio sobre fenómenos de alteración y metamorfismo en rocas volcánicas e intrusivas: Santiago, Departamento de Geología, Universidad de Chile, p. 213-253.