Dinámica Terrestre

1. Dinámica Terrestre • Procesos geoquímicos: • Separación entre elementos (fraccionamiento) • Mezclas entre elementos

2. 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?

3. Importancia de los Elementos Traza Datos de la FVM • 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

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

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 PlagioclasaCaAl2Si2O8-NaAlSi3O8 • Constituyentes estequiométricos: Mg, Fe, Si, O, Ca, Al, Na • Los demás serían elementos traza Pero ¿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

7. ¿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)

8. 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 Atmófilos Fase Gaseosa H, C, N, Gases Nobles Victor Goldschmidt (1888-1947) Alcalis, Alcalino-térreos, Halógenos, B, O, Al, Si, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Y, Zr, Nb, Lantánidos, Hf, Ta, Th, U Litófilo Líquido Silicatado Líquido Azufroso Calcófilo 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 Afinidad de los Elementos Traza

9. La Tabla Periódica de la Geoquímica • Comportamiento de los elementos traza en la tierra silicatada

10. 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

11. 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

12. 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 (Mg2+): 65 pm Calcio (Ca2+): 99 pm Estroncio (Sr2+): 118 pm Bario (Ba2+): 137 pm

13. Los Elementos LILE PI=carga/radio

14. 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

15. 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. 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

17. ¿Por qué los patrones de tierras raras son distintos?

18. 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

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

21. 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

22. 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

23. 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)