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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 modelarsu comportamiento
¿Por qué son importantes?
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Importancia de los Elementos Traza
• Mayor variación enconcentración que loselementos mayores
• Generalmente hay 10-12
mayores y más de 70 trazas• Tienen propiedades
químicas únicas
• Registran procesos que nose observan en loselementos mayores
0
500
1000
1500
2000
25003000
3500
4000
4500
5000
40 50 60 70 80
SiO2
B a
0
2
4
6
8
10
1214
16
18
40 50 60 70 80
SIO2
M G O
Datos de la FVM
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Utilidad y Aplicaciones
• Formación ydiferenciación de latierra
• Procesos y dinámica defusión en el manto
• Formación deyacimientos minerales ehidrocarburos
• Cambios climáticos y
circulación oceánica• Contaminación
Ambiental
0
1
2
3
45
6
7
8
9
10
40 45 50 55 60 65
SIO2
S m / Y b
EPR-MORB
MAR-MORB
Hawaii
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¿Qué es un elemento traza?• Aquellos elementos que NO son constituyentes
estequiométricos de las fases mineralógicaspresentes en el sistema de interés
• Fases mineralógicas de un Basalto:
olivino(Mg,Fe)
2SiO
4
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?
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• Para la mayoría de las rocas silicatadas:
• Elementos Mayores: O, Si, Al, Na, Mg, Ca y Fe
• Pueden ser mayores (“menores”): H, 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%
de la Tierra Silicatada
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• Aquellos elementos que no afectansignificativamente las propiedades químicasy físicas de un sistema
¿Excepciones?
¿Qué es un elemento traza?
• Elemento en concentraciones tan bajas que
no afecta significativamente las reaccionesentre 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
Victor Goldschmidt (1888-1947)
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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 formanminerales.
– Tienen radios iónicos grandes (excepto He) y no se acomodanfácilmente en las redes cristalinas
– Solubilidad en magmas depende de P, T, Radio Iónico 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, I• Tienen afinidad por las fases fluidas o gaseosas (Cl, Br, F) o forman
compuestos que son volátiles (SO2, CO
2)
• No todos son estrictamente volátiles (i.e. C es refractario en estadoelemental)
• 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 yformar magmas carbonatíticos (CaCO3 es el principal componente)
Volcán Oldoinyo Lengai(Tanzania)
Magmas Carbonatíticos
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Los elementos alcalinos y alcalino-térreos Large Ion Lithophile Elements (LILE)
• 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) – Su radio iónico grande no les permite entrar en las
estructuras cristalinas – Tienen afinidad por la fase fundida en los magmas:
ELEMENTOS INCOMPATIBLES
– Son altamente solubles en agua – Se movilizan durante el intemperismo y el
metamorfismo
• Tienden a concentrarse en la corteza y estánempobrecidos en el manto.
Magnesio (Mg2+): 65 pm
Calcio (Ca2+): 99 pm
Estroncio (Sr2+): 118 pm
Bario (Ba2+): 137 pm
Radio 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.
• El Y se comporta de manera similar a las tierras rarasmedias-pesadas• Actínidos: U y Th
• El Th tiene +4 y el U puede tener +4 o +6 (en condicionesoxidantes)
– El U+6
forma el ión uranilo (UO2-2
) que es soluble enfluidos acuosos en condiciones oxidantes
• REEs tienen bajas electronegatividades: enlaces iónicos(como los álcalis)
• Su carga iónica es alta (+3), aunque Ce puede ser +4 (encondiciones oxidantes) y Eu +2 (en condiciones reductoras)
• Debido a su alto potencial iónico (carga/radio) las REE, elTh 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 (Lantánidos)
• 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+
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16
1
10
100
1000
La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu
s a m p l e / C I C
h o n d r i t e
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
C o n c e n t r a c i
ó n p p 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?
Reflexionar de Tarea
1
10
100
1000
La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu
s a m p l e / C I C
h o n d r i t e
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 potencialiónico (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 delradio iónico
Izu-Bonin Glasses
0.1
1
10
100
1000
C s R b
B a T h U
N b
T a
K 2 O
L a
C e P b
P r
S r
N d Z
r H f
S m E
u G d
T b
D y
H o E r Y b Y
L u
S a m p l e / P M
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Los de alto potencial iónico (HFS)
L l d i ió ( i i )
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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 losLILE: 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 80Mg#
N i
MVB
Izu-Bonin
EPR
L M t l N bl
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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 en la tierra silicatada 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 puntode 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