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

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1 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 CONGRESO GEOLÓGICO CHILENO 3 COPPER PITCH Y COPPER WAD : CONTRASTE ENTRE LAS FASES PRESENTES EN LAS CABEZAS Y EN LOS RIPIOS EN PRUEBAS DE LIXIVIACIÓN DE MATERIALES DE MINA SUR, CHUQUICAMATA. PINCHEIRA, M.*, DAGNINO, A.**, KELM, U.*, y HELLE, S.* *Instituto de Geología Económica Aplicada GEA, Universidad de Concepción, Casilla 16-C, Concepción 3, Chile. mpinchei@udec.cl ** Superintendencia General de Operaciones, Gerencia Hidrometalugía Sur, Codelco Norte, División Chuquicamata, Chuquicamata, Chile RESUMEN El presente estudio aporta nuevos antecedentes mineralógicos, texturales y composicionales de las fases copper pitch y copper wad del yacimiento de cobre exótico Mina Sur en Chuquicamata. Se propone el nombre de Silicato de Cobre Negro (SCN) para denominar a ambos mineraloides, los cuales de acuerdo a estudios con el TEM revelan una estructura no cristalina y muestran composiciones (EPMA-EDAX) que no difieren sustancialmente entre sí. Estos estudios revelan concentraciones variables de Cu, Mn, Fe, Al y Si, presentes como elementos mayoritarios, acompañados por un conjunto de elementos en traza que incluyen: Ca, Na, K, Mg, S, P, Cl, Mo, Co, Ni, As, Zn, Pb, U y V. Considerando los contenidos relativos de Cu-Mn-Fe, el SCN muestra dos miembros diferenciables, uno rico en Mn con contenidos relativamente altos de cobre y otro rico en Fe relativamente pobre en Cu. Por último se establece la importancia que tiene el SCN como fase refractaria a la lixiviación, presente en los ripios como granos monominerales y en texturas de oclusión, principalmente como relleno de fracturas en ganga y como reemplazo parcial y a lo largo del clivaje en las biotitas. INTRODUCCIÓN En Chile son numerosos los ejemplos de yacimientos con zonas de oxidación que han generado zonas de enriquecimiento supergénico, siendo frecuente el desarrollo de cuerpos adyacentes de mineralización exótica de cobre. La explotación de estos yacimientos mediante métodos de lixiviación en pila, requiere una cabal comprensión de la mineralogía de los minerales oxidados de cobre, de la zonación del depósito y de la química mineral. El presente trabajo se enmarca en la investigación que se realiza para optimizar la recuperación del cobre soluble asociado a gravas mineralizadas en Mina Sur, el yacimiento exótico asociado con el yacimiento de Chuquicamata. El ánimo de este trabajo es aportar nuevos antecedentes mineralógicos, texturales y composicionales de las fases mapeadas corrientemente como copper pitch y copper wad en el yacimiento. Todas las contribuciones fueron proporcionados directamente por los autores y su contenido es de su exclusiva responsabilidad.

2 MARCO GEOLÓGICO Los procesos secundarios ligados a la formación de depósitos de cobre exótico, se han desarrollado en numerosos sectores aledaños a los pórfidos cupríferos andinos. En todos ellos el Cu es extraído por fenómenos de oxidación lixiviación superficial desde una fuente primaria rica en sulfuros y es transportado lateralmente por soluciones ácidas y posteriormente precipitado en ambientes de Eh y ph favorables. En Chile se conocen depósitos explotables de este tipo en Mina Sur en Chuquicamata, en el yacimiento Damiana asociado a El Salvador y en Huinquintipa ligado al yacimiento de Collahuasi. El yacimiento Mina Sur actualmente en explotación, se ubican inmediatamente al sur del yacimiento de Chuquicamata, en una paleoquebrada de dirección SE que nace en el cuerpo central del porfído cuprífero y se extiende hacia el sureste 8 km. La mineralización de mayor importancia económica se deposita entre los 2 y 6 km del yacimiento madre, formando un cuerpo lenticular y sinusoidal con anchos variables entre 4 y m y potencias de 6 a 4 en la parte distal (Münchmeyer, 1996). En la actualidad se explotan recursos con una ley de 1,6% de Cu, para una ley de corte de,2% Cu. Se estima que el depósito se formó por la removilización de unos 3,6 millones de toneladas de cobre metálico a partir de la zona de enriquecimiento secundario de Chuquicamata. La mineralización de cobre está compuesta principalmente de crisocola, atacamita y fases negras mapeadas tradicionalmente como copper pitch y copper wad en el yacimiento. Los minerales de mena forman el cemento en la parte basal de un conjunto de gravas depositadas en un paleocanal y también se encuentran presentes como relleno de fracturas en las rocas metamórficas paleozoicas del basamento subyacente. El lente mineralizado se encuentra cubierto por una secuencia de grava estéril de espesores variables entre 1 y metros. Los intrusivos y rocas metamórficas del zócalo de la zona mineralizada, están afectadas por alteración propilítica premineralización y también por alteración argílica asociada a la mineralización exógena. La distribución de los oxidados de cobre muestra una clara relación con la alteración, de modo que en rocas propilitizadas predomina crisocola y el copper pitch por sobre atacamita, en cambio en sectores argilizados predomina atacamita y el copper wad. La alteración y la mineralización de cobre ocurren prácticamente en forma contemporánea con la depositación de las gravas. Dataciones 4 Ar/ 39 Ar (Mote et al. 1), indican una edad de 17,3 ±,3 Ma, para la mineralización exótica en Mina Sur. La génesis del yacimiento Mina Sur se encuentran ligada a varios escurrimientos laterales y superficiales de soluciones ácidas cuya intensidad y concentraciones de cobre fueron variables en el tiempo y se encuentran relacionadas a los procesos de lixiviación y enriquecimiento supergénico del pórfido cuprífero Chuquicamata. MÉTODO DE TRABAJO Las muestras provienen de campañas de sondaje en el sector ubicado entre el rajo de Chuquicamata y la parte central de la Mina Sur. Estos materiales mineralizados fueron sometidos a diversas pruebas de recuperación metalúrgica. Se estudiaron numerosas muestras provenientes de testigos de sondajes, muestras de cabeza y de ripios. En ellas se realizó una completa caracterización geometalúrgica utilizando estudios de microscopía óptica, difracción de rayos X (DRX), fluorescencia de rayos X (FRX), análisis químicos vía húmeda (AAS), microsonda

3 electrónica (EDS), microscopía de transmisión (TEM), y espectroscopía infrarroja (IR). Todos los análisis salvo los dos últimos fueron realizados en los laboratorios del Instituto de Geología Económica Aplicada GEA de la Universidad de Concepción. MINERALOGÍA, ZONACIÓN Y PARAGÉNESIS Los geólogos de la mina han mapeado tradicionalmente como copper wad y copper pitch, un silicato hidratado de manganeso y hierro rico en cobre, de color negro, que ocurre en masas botroidales, compacto o terroso, también como relleno de fracturas o como cemento en las gravas. Cuando aparece solo y muestra hábito terroso se denomina wad, si está asociado con crisocola se le denomina pitch o black chrysocolla. Otros constituyentes menores son pseudomalaquita, brocantita y atacamita. En sectores de oxidación superficial sobre el cuerpo de Chuquicamata han sido descritos además turquesa, chalcantita, kröhnkita, antlerita y sampleita (Rojas, 1999; en Chávez, ). En las rocas intrusivas del zócalo, se observa un intenso fracturamiento, que fue aprovechado por las soluciones portadoras de cobre para depositar mineralización coloforme de crisocola. Esta se presenta con intercalaciones de copper pitch y pseudomalaquita. Venillas de atacamita y brocantita, acompañadas por anhidrita, cortan la mena coloforme y forman episodios posteriores de removilización del cobre, probablemente a causa de variaciones locales en el Eh y ph (Tabla 1). En las gravas mineralizadas, la mena esta formada principalmente por crisocola y copper pitch, localmente son importantes además la atacamita, brocantita y pseudamalquita. Mineralogía de mena y ganga Plagioclasa Hornblenda Biotita Cuarzo Sericita Arcillas Epidota Clorita Crisocola Pseudomalaquita Copper Wad -Pitch Brocantita Atacamita Anhidrita Limonita-(Cu) Arcillas-(Cu) Etapa magmática Reemplazo Etapa de alteración pre-mineral Venillas Etapas de alteración y mineralización exótica Venillas Reemplazo Remplazo Venillas Tabla 1: Posición paragenética de la mena y ganga en rocas mineralizadas del zócalo intrusivo Paleozoico. Los minerales de ganga asociados a la mineralización, muestran texturas de reemplazo, donde las anfibolas y biotitas primarias son reemplazadas por copper pitch o bien fracturas en cuarzo y plagioclasa argilizada son rellenadas con estas fases ricas en cobre, formando frecuentes texturas

4 de oclusión. Las biotitas son notablemente afectadas por el pitch y wad, desarrollando texturas de reemplazamiento en los bordes y en los planos de clivaje (Fig. 1). El grado de reemplazo está probablemente relacionado con un intercambio diadócico entre el Mg 2+ y el Cu 2+ que muestran prácticamente el mismo radio iónico. SCN A Vetillas de SCN B SCN en clivaje C D Figura 1: Texturas de oclusión en ganga silicatada. A: Cuarzo, B: Feldespato argilizado, C: Anfibola parcialmente cloritizada y D: Biotita parda con fracturas, clivaje y zonas irregulares con copper pitch. Luz transmitida, x, Nic. //. Base imagen aprox. µm. En observaciones bajo el microscopio de muestras de ripios, donde cabría esperar una completa disolución de la mena de cobre soluble, se constata una alta frecuencia de granos monominerales de pitch o wad, así como la presencia de texturas de oclusión de estas fases en materiales de ganga, particularmente como relleno de microvetillas. En estas fases residuales ricas en cobre y en algunos minerales de arcillas de los ripios, se concentra la mayor parte del cobre soluble, refractario a la lixiviación. En los siguientes puntos nos referiremos solo al problema planteado por el copper pitch y copper wad. CARACTERÍSTICAS CRISTALOGRÁFICAS Las observaciones con TEM revelan detalles estructurales, útiles en el análisis cristalográfico, observación de defectos cristalinos, formación de cristales a nivel de celda unitaria, determinación de la cristalinidad o carácter amorfo del material a través de imágenes de difracción. La técnica utiliza impregnación de partículas de interés con resina (<2µm tamaño máximo), y su posterior corte en láminas a un espesor <,15µm, las cuales se someten en alto vacío a un haz de electrones (1 KV en este estudio). Las fases de copper pitch y copper wad, analizadas con el TEM bajo gran aumento (75. veces), muestran estructuras fibrosas y hojosas, siendo sin embargo, de carácter amorfo de acuerdo a las imágenes de difracción obtenidas con el TEM (Figura 2). Lo anterior ya se

5 vislumbra en el análisis bajo el microscopio óptico, donde se aprecian texturas coloforme con un bandeamiento fino homogéneo e isótropo a nicoles cruzados. Estudios efectuados con imágenes composicionales con la microsonda electrónica también muestran detalles de este bandeamiento, (Fig. 3). Todos estos antecedentes muestran una estructura interna no cristalina para ambas fases, muy similar a la que presenta la crisocola, siendo en rigor un mineraloide. Los resultados de la espectroscopía infrarroja (IR) confirman la similitud con la crisocola, revelando además que ambas fases, corresponden a silicatos de estructura trioctaédrica semejantes a la esmectita A Figura 2: Imagen TEM en preparación con copper wad y filosilicatos. Puntos 1 y 2 copper wad; 3 y 4 filosilicatos. Magnificación x 75.. A-Imágen de difracción del copper wad, amorfo en los puntos 1 y 2. COMPOSICIÓN DEL COPPER PITCH Y COPPER WAD Barridos por FRX practicados en algunas muestras de testigos con abundante mineralización pitch y wad, previamente separado en forma manual bajo la lupa binocular, muestran una compleja composición para estas fases. En efecto, ambos presentan una composición elemental que incluye Si, Cu, Mn, Fe, Al como elementos mayoritarios y un conjunto de elementos presentes con intensidad variable (cuentas por segundo en líneas Kα) entre los cuales están Ca, Na, K, Mg, S, P, Cl, Mo, Co, Ni, As, Zn, Pb, U y V.

6 SCN-coloforme SCN -coloforme µm Figura 3: Imagen microscopia óptica, x Nic. // y composicional (EPMA-BEI) del bandeamiento coloforme del SCN en un grano en ripio. Muestras de pitch y wad también fueron analizadas por AAS y con microsonda electrónica (EDS). Los resultados obtenidos revelan que no existen diferencias significativas en la composición de ambas fases que justifiquen su diferenciación en el mapeo. Estas fases, mejor descritas como un silicato de cobre negro (en adelante SCN) están formadas principalmente por miembros ricos en Mn (SCN-Mn) y con menor frecuencia por miembros ricos en Fe (SCN-Fe). Los contenidos de cobre son variables, con valores mínimos del orden de 1% Cu y máximos de hasta 54 % Cu. La pregunta central, del porqué una considerable cantidad de este material no es solubilizado durante las pruebas de lixiviación, tiene probablemente que ver con la estructura proto-cristalina que pueda adoptar esta fase inicialmente depositada como un gel amorfo. EL SILICATO DE COBRE NEGRO EN LAS CABEZAS El diagrama ternario Cu-Fe-Mn (Figura 4) que agrupa los elementos mayoritarios en el SCN en las cabezas, muestra bien diferenciados los dos grupos composicionales, uno formado por SCN ricos en Mn, con contenidos relativamente altos de cobre y bajos de hierro, y otro grupo formado por SCN ricos en hierro, con una amplia distribución de valores de manganeso, pero por lo general pobres en cobre.

7 Figura 4: Diagrama ternario Cu-Fe-Mn para el SCN en las cabezas: El campo de los SCN-Fe muestra la mayoría de los puntos en el extremo rico en Fe. EL SILICATO DE COBRE NEGRO EN LOS RIPIOS Las fases de silicatos de cobre negros son, salvo algunas excepciones, los únicos materiales de mena ampliamente distribuidos en los ripios. Estos están presentes en forma de granos monominerales liberados, como en forma de microvetillas ocluidas en la ganga (ver Figura 1 A y D). El diagrama ternario Cu-Mn-Fe del SCN en los ripios (Figura 5), muestra también dos campos muy diferenciados, fases SCN-Mn generalmente más ricas en Cu, en comparación con fases SCN-Fe, agrupadas en torno a valores altos de Fe con escaso contenido de Mn y pobres en Cu.

8 Figura 5: Diagrama ternario Cu-Fe-Mn del SCN en los ripios (Datos EDS). Variaciones similares en cuanto al contenido de cobre, para fases-cu-mn y fases-cu-fe ( - 3%) Las relaciones entre que muestran el Cu, Si y Al, con otros elementos mayoritarios, muestran por ejemplo que Cu y Mn presentan una relación directamente proporcional, la relación entre Cu y Fe, como también Cu y Si; Cu y Fe; Si y Fe; Al y Fe; Si y Mn son aparentemente de tipo inversas (Figura 6 ), lo cual puede ser indicativo de una estructura (no cristalina) con una cierta organización interna que regula la proporción en que ocurren estos elementos en la composición de las fases SCN residuales. Al respecto algunas razones entre elementos parecen responder bien a este hecho, especialmente para un grupo importante de granos de SCN ricos en Mn, donde la razón Cu/Mn muestra una población de valores entre,22 y,43 con media de,35 (σ =,5, y un grupo de SCN-Fe con razones Cu/Fe agrupadas entre,2 y,, media de,6 (σ =,6).

9 Cu-Fe en SCN (ripios) Cu-Mn SCN (ripios) Fe % peso Cu %peso Mn % peso Cu % peso Fe-Al en SCN (ripios) M n-sien SCN (ripios) Fe (% ) M n (% ) Cu-Si en SCN (ripios) Fe-Si en SCN (ripios) Si (%) Si (%) Cu (%) Fe (%) Figura 6: Relaciones entre los elementos principales formadores del SCN. Diagramas Cu-Fe; Cu- Mn; Fe-Al; Mn-Si; Cu-Si y Fe-S en el SCN de granos no lixiviados de los ripios (datos EDS). DISCUSIÓN Y CONCLUSIÓN El análisis textural y composicional de las fases de SCN, indican que estos precipitaron desde soluciones superficiales de tipo coloidales ligadas a la lixiviación ácida de la zona de sulfuros secundarios de la zona de enriquecimiento supérgeno del yacimiento de Chuquicamata. La neutralización de las soluciones ácidas habría dado lugar a la depositación de la mena oxidada de cobre. Esta habría precipitado como silicato (crisocola), cloruros (atacamita) o como un gel

10 amorfo rico en sílice, cobre, hierro y manganeso (SCN), tal como lo revelan las observaciones de texturas coloformes bajo el microscopio, las imágenes composiciones (BEI) en la microsonda y las efectuadas con el TEM. Las características morfológicas hojosas y fibrosas del SCN en observaciones con TEM y la estructura del tipo trioctaédrica detectada por los análisis con infrarrojo, sugieren que este material probablemente se asemeja a la estructura de la esmectita. La composición de las fases de SCN de Mina Sur, muestra en un diagrama ternario (Cu-Mn-Fe) que estas fases se agrupan en dos campos bien diferenciables, uno más frecuente con fases ricas en Cu-Mn y otro minoritario con fases ricas en Cu-Fe. Las variaciones del contenido de cobre, observados en la misma muestra en puntos adyacentes son propias de materiales coloformes donde los cambios en la coloración ya indican cambios composicionales entre capas depositadas en forma contigua. Los resultados del estudio de la composición del SCN mediante microsonda (EDS) en las cabezas como en los ripios para la misma muestra, indican que la composición de estas fases, no difiere mayormente entre la cabeza y el ripio, salvo en este último por su menor contenido en cobre. Este hecho puede estar indicando fases de SCN refractarias a la lixiviación con características composicionales más restringidas, mostrando razones Cu/Mn y Cu/Fe con medias de,35 y,6 respectivamente. Finalmente se destaca la presencia de cobre en texturas de oclusión. La cantidad de cobre contenida en estas texturas no parecer ser despreciable, considerando el alto contenido de Cu que muestran las fases de SCN, y que los estudios de recuento modal en los ripios, indican que el SCN ocluido puede alcanzar en algunas muestras hasta un 3% en volumen. BIBLIOGRAFIA Cháves, W.X. Jr.. Supergene oxidation of copper deposits: Zoning and distribution of copper oxide minerals. SEG Newsletters Nº 41, Society of Economic Geologist, pp-21. Fam, R Mineralización de cobre del tipo exótico en el norte de Chile. Actas II Congreso Geológico Chileno, Arica. Tomo 2, pp C235-C263. Mote, T., Becken, P. y Brimhall, G. 1. Chronology of exotic mineralization at El Salvador, Chile by 4 Ar/ 39 Ar dating of copper wad and supergene alunite. Econ. Geol. vol. 96, pp Münchmeyer C Exotic deposits: Products of lateral migration of supergene solutions from porphyry copper deposits. En: Andean copper deposits new discoveries, mineralization, styles and metallogeny, Soc. Econ. Geologist Special Publication Nº5, Camus, F., Sillitoe, R.H. and Petersen, R., eds, pp Vasconcelos, P.M., Brimhall, R., P. y Becker, T. A., Direct dating of weathering phenomena by 4 Ar/ 39 Ar and K-Ar analysis of supergene K-Mn oxides: Geochimica et Cosmochimica Acta. v.58, pp