METALOGÉNESIS DE LOS DEPÓSITOS TIPO PÓRFIDO CUPRÍFERO EN SONORA

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1 METALOGÉNESIS DE LOS DEPÓSITOS TIPO PÓRFIDO CUPRÍFERO EN SONORA MARTÍN VALENCIA MORENO 1* y LUCAS H. OCHOA LANDÍN 2 1Estación Regional del Noroeste, Instituto de Geología, Universidad Nacional Autónoma de México, L.D. Colosio S/N y Madrid, Hermosillo, Sonora 83240, México, 2Departamento de Geología, Universidad de Sonora, Blvd. Rosales y L.D. Colosio, Hermosillo, Sonora 83000, México (*valencia@geologia.unam.mx) RESUMEN Las firmas geoquímicas e isotópicas observadas en las rocas ígneas de varios depósitos de pórfido de cobre en Sonora, sugieren que los cuerpos intrusivos asociados a la mineralización en realidad corresponden a pequeños pulsos de magma generados durante el enfriamiento de plutones graníticos emplazados a mayor profundidad. Los modelos metalogenéticos generalmente más aceptados sugieren que la cristalización de minerales anhidros genera la exsolución temprana de fluidos hipersalinos y vapor, donde el Cu se comporta como un elemento extraordinariamente compatible (hasta un 10%). El magma, cada vez más ligero, asciende de manera convectiva formando una columna donde los fluidos son progresivamente separados y concentrados debajo del techo del caparazón cristalizado. Luego, la presión de los fluidos acumulados provoca el fracturamiento del techo de la columna, produciendo la exsolución tardía de fluidos hidrotermales a baja presión, cuya habilidad para concentrar Cu es mucho menor (<1%), forzando la precipitación del mismo en forma de sulfuros. En el caso de Sonora, la mineralización de sulfuros estuvo controlada por espectaculares estructuras brechoides (breccia pipe) y, más comúnmente, de manera diseminada en sistemas de vetillas (stockworks), alrededor del pórfido productivo. La presencia de lineamientos de algunos depósitos individuales, como en el caso del Distrito Cananea, hacen suponer que el fracturamiento hidráulico de la roca pudo haber sido ayudado de manera importante por un componente tectónico, quizás asociado a una distensión regional de la corteza, que focalizó los centros de baja presión, y con ello, el emplazamiento de los magmas porfídicos y la mineralización asociada. Posteriormente, en algunos depósitos, particularmente Cananea y La Caridad, la extensión terciaria, ayudada de manera importante por factores climáticos, generó las condiciones favorables para lixiviar los sulfuros primarios y re-precipitar el Cu en mantos enriquecidos. ABSTRACT The geochemical and isotopic signatures observed on igneous rocks from several porphyry copper deposits in Sonora, suggest that the intrusive bodies associated with the mineralization actually correspond to small magma pulses generated during the cooling of deeper-seated granitic plutons. The generally most accepted metallogenetic models suggest that crystallization of anhydrous minerals generates the early exsolution of hypersaline and vapor fluids, where Cu behaves as an extraordinarily compatible element (up to 10 wt %). The magma melt, which becomes gradually lighter, convectively raises through a column where fluids are progressively separated and concentrated bellow the roof of the crystallized carapace. Later, the accumulated fluid pressure forces the fracture failure of the roof rocks, leading to the exsolution of late hydrothermal fluids at low pressure, which have a considerably less ability to concentrate Cu (<1%), forcing it to precipitate as sulfides minerals. In the case of Sonora, the sulfide ore mineralization was centered on spectacular breccia pipe structures and, more commonly, in disseminatedsotckwork vein systems, surrounding the productive porphyry stocks. The presence of lineaments of some individual deposits, such us in the Cananea District, may suggest that the hydraulic rock fracturing could have been considerably enhanced by a tectonic component, perhaps associated with a regional distention of the crust, which controlled the position of the low pressure centers, and thus, the emplacement of the porphyry magmas and the associated ore mineralization. Later, in some deposits, particularly Cananea and La Caridad, the Tertiary extension, strongly helped by climatic factors, generated the favorable conditions to leach the primary sulfide ores and re-precipitate the Cu in enriched blankets. INTRODUCCIÓN Durante la llamada Orogenia Laramide (~80-40 Ma), el basamento de Sonora fue atravesado por múltiples intrusiones de magma, que formaron grandes masas batolíticas, expuestas a lo largo de un amplio cinturón con orientación NE-SW. Estos batolitos representan manifestaciones relativamente tardías en el proceso de diferenciación de magmas basálticos, provenientes de la fusión parcial del manto astenosférico atrapado en la cuña de subducción de la placa oceánica Farallón y el borde occidental de la placa de Norteamérica. Durante el Cretácico Tardío (~90-80 Ma), la posición de la fuente de estos magmas empezó a migrar hacia el oriente de Sonora, presumiblemente debido a la reducción gradual de la inclinación de la placa subducida (Coney y Reynolds, 1977). Al parecer, el eje magmático dejó la región 21

2 costera a los ~77 Ma y alcanzó el extremo oriental del estado a los ~59 Ma (Valencia-Moreno et al., 2006). Sin embargo, edades anómalamente antiguas (~91-89 Ma) reportadas por McDowell et al. (2001) y Pérez-Segura et al. (2009) para la región centro-oriental del estado, sugieren que el marco geodinámico del noroeste de México debió haber sido más complejo que el asumido tradicionalmente para este tiempo. Los granitoides laramídicos de Sonora varían en composición desde cuarzo-diorita a granito (s.s), con fases más tardías caracterizadas por plutones porfídicos relativamente pequeños, diques de aplitas, pegamatitas, granófiros, y lamprófidos. Las rocas volcánicas asociadas a este evento son generalmente de composición intermedia, y están solo localmente preservadas en la porción oriental del estado. En general, los datos químicos tanto en las rocas plutónicas como en las volcánicas indican una composición calco-alcalina y metaluminosa, sin evidencias de un control regional. Sin embargo, la concentración de algunos elementos traza, particularmente las tierras raras (REE), así como las relaciones isotópicas de 87 Sr/ 86 Sr y 143 Nd/ 144 Nd muestran firmas aparentemente controladas por el tipo de basamento intrusionado, lo cual sugiere que el magma primario de origen mantélico fue modificado de manera importante por la asimilación de diferentes tipos de corteza continental (Valencia-Moreno et al., 2001). Uno de los efectos importantes del magmatismo Laramide en Sonora fue el emplazamiento de numerosos centros de mineralización, entre los que destaca un cinturón de pórfidos de cobre que se extiende de manera sub-paralela al cinturón magmático principal (Figura 1). De acuerdo a las características particulares de los depósitos a lo largo de este cinturón, la corteza subyacente parece haber tenido también una influencia decisiva en la metalogénesis de los sistemas de pórfido de cobre, lo cual en general se caracteriza por una presencia dominante de depósitos de Cu-Mo-W hacia en la parte norte y centro del estado, y de Cu-Au hacia la parte sur (Valencia-Moreno et al., 2006). Figura 1. Mapa de la distribución de los depósitos de pórfidos de cobre asociados al cinturón magmático Laramide en el noroeste de México, mostrando la zona del llamado «gran cluster de los pórfidos de cobre de Norte América» (línea discontinua). Modificado de Valencia-Moreno et al., 2006b. MODELO TECTONO-MAGMÁTICO De acuerdo con los modelos tectónicos más aceptados, el magma inicial se origina en una sección del manto astenosférico atrapado en la estructura de subducción, la cual es metasomatizada por fluidos acuosos inyectados a alta presión, provenientes de la deshidratación de la placa Farallon. De manera 22

3 experimental se deduce que la presencia de estos fluidos acuosos cambia la composición del manto en esta zona, de una peridotita anhidra a una peridotita hidratada. Esto reduce el punto de fusión del material silicatado, lo cual combinado con el calor en la estructura termal arriba de la zona de deshidratación, genera una fusión parcial espontánea del manto. El magma resultante, cuya composición es basáltica, es menos denso por lo que asciende de manera natural hacia la base de la corteza continental. Una vez en este lugar, el magma encuentra una barrera de baja densidad que complica el ascenso. Aquí inicia un proceso en el cual el magma se extiende lateralmente y reacciona con la corteza en la llamada zona de MASH -Melting-Assimilation-Storage-Homogenization- (Richards, 2003). Como resultado se producen magmas híbridos de composición intermedia que suben de manera forzada a través de la corteza media, alimentando grandes cámaras magmáticas. Estas cámaras emiten pulsos periódicos de magma hacia los niveles superiores de la corteza, que se emplazan en forma de batolitos graníticos, con conductos que eventualmente llegan hasta la superficie formando aparatos volcánicos. GENERACIÓN DE LOS INTRUSIVOS PORFÍDICOS El proceso mediante el cual se generan los intrusivos hipabisales asociados a los sitemas de pórfido cuprífero es aún un tema controversial; sin embargo, la similitud en la composición isotópica entre los plutones de texura equigranular y los intrusivos porfídicos (Valencia-Moreno et al., 2006), así como la pequeña diferencia en las edades de ambas fases (Damon et al., 1986), hace suponer que los pórfidos son en realidad pequeños pulsos de magma generados durante el enfriamiento de los intrusivos mayores emplazados a mayor profundidad. Esto requiere condiciones tectónicas muy particulares que permitan que el plutón principal, prácticamente cristalizado en la zona de contacto con la roca encajonante, pueda mantenerse fundido hacia el interior. De acuerdo con Cloos (2001), un contenido de fenocristales suspendidos <25% permite cierta libertad al magma para moverse. La cristalización de los minerales anhidros más tempranos satura de manera progresiva el magma en fluidos (Cline, 2003), lo cual hace que el magma sea gravitacionalmente inestable y ascienda a niveles más someros (~1-3 km). A medida que esto sucede, el gas se expande debido a la reducción en la presión litostática, y posteriormente se separa quedando confinado en la parte superior del caparazón del plutón (Cloos, 2001). La típica textura porfídica observada en los apófisis de la columna de magma es resultado del sobrecrecimiento de los cristales suspendidos, acoplado con un enfriamiento rápido del material fundido residual. Esto explica de manera general el proceso magmático; sin embargo, la ubicación de los centros por donde se canaliza el magma hipabisal seguramente no es algo fortuito y quizás esté acoplado a la presencia de zonas bajo un régimen tectónico particular, como podría ser una dilatación regional de la corteza. Estas zonas pudieran haber focalizado las intrusiones sub-volcánicas, lo cual a su vez explicaría los marcados lineamientos observados en los principales distritos de pórfido de cobre de Sonora. PROCESO METALOGENÉTICO El modelo metalogenético y el origen de los metales en los sistemas de pórfido de cobre es algo que aún continúa en constante debate. Sin embargo, de manera experimental se ha observado que un magma calcoalcalino típico producido en una zona de convergencia de placas, donde la corteza oceánica es subducida debajo de la litósfera continental, contiene el metal suficiente para producir un sistema de pórfido de cobre de grandes dimensiones (e.g., Cline y Bodnar, 1991; Hedenquist y Lowenstern,1994; Cline, 2003). En un estudio del depósito Bajo de la Alumbrera, Argentina, Harris y colaboradores (2003) encontraron inclusiones de magma silicatado con inclusiones fluidas de líquido y vapor en equilibrio en cristales de cuarzo hidrotermal asociado a vetas tempranas. El estudio reveló que durante el proceso conocido como segunda ebullición (Burham, 1997), el Cu se comporta de una manera extraordinariamente compatible con la fase de fluida, aumentando dramáticamente su concentración original de ~10-12 ppm, considerando el valor promedio en granitos y granodioritas (Krauskopf, 1979; Bateman et al., 1988), hasta 10% en peso en inclusiones de líquido hipersalino (~62% NaCl eq.) y 4.5% en las inclusiones dominadas por vapor. Sin embargo, Simon et al. (2006) demostraron que en presencia de azufre, la fase de vapor aumenta considerablemente su habilidad para transportar Cu. Esta etapa de segunda ebullición está relacionada puramente a la exsolución de fluidos inmiscibles, asociada a la cristalización de las fases minerales anhidras. Conforme la cristalización avanza, la presión de los fluidos que se concentran en la zona debajo del techo de la columna de magma aumenta dramáticamente. La presión hidráulica termina por romper el techo de la columna, lo cual provoca la exsolución de los fluidos a baja presión, algo que se conoce también como primera ebullición (Burham, 1997). Bajo estas condiciones, el Cu se comporta ahora de una manera mucho más incompatible en el fluido (<1%), 23

4 forzando así la precipitación de sulfuros primarios de Cu, los cuales se concentran de manera espectacular en estructuras tipo chimeneas (breccia pipe) y/o se dispersan en las fracturas alrededor del caparazón de magma cristalizado y la roca encajonante. La acumulación de Cu en la etapa inicial del proceso ocurre a >6 km de profundidad (Cloos, 2001), y está grandemente controlada por la presencia de fluidos ricos en cloro y/o azufre, bajo condiciones de subsaturación de H2O (Hedelquist y Lowenstern, 1994; Williams et al., 1995). Sin embargo, la capacidad de transporte de Cu se reduce progresivamente conforme el contenido de H2O satura el magma (Candela y Holland, 1986). Finalmente, el tamaño de los depósitos mayores, como Cananea y La Caridad, depende de que los procesos de concentración de Cu hayan sido alimentados por la recarga constante de líquido a las cámaras magmáticas, para asegurar un sistema con una relativa larga vida. Sin embargo, un factor determinante para que estos depósitos sean o no económicos, tiene que ver con fenómenos posteriores al emplazamiento de la mineralización. En la zona de Cananea, por ejemplo, uno de los principales atractivos es la presencia grandes horizontes de Cu supergénico, producidos por la actividad de aguas meteóricas que percolan a través de la mineralización hipogénica descomponiendo los sulfuros y reprecipitando el Cu más abajo en ricos mantos de calcosita y otros sulfuros secundarios. En Sonora este fenómeno fue controlado, primero por un proceso de extensión cortical que aumentó el área de exposición de los sulfuros primarios; y segundo, por factores climáticos que permitieron una prolongada lixiviación del mineral por aguas meteóricas. REFERENCIASBIBLIOGRÁFICAS Burham, C.W., 1997, Magmas and hydrothermal fluids: In H.L. Barnes, Ed., Geochemistry of hydrothermal ore deposits, Willey, New York, 3rd edition, p Cline, J.S., Bodnar, R.J., Can economic porphyry copper mineralization be generated by a typical calc-alkaline melt?: Journal of Geophysical Research, v. 96, p Candela P.A., and Holland H.D., 1984, The partitioning of copper and molybdenum between silicate melts and aqueous fluids: Geochimica et Cosmochimica Acta, v. 48, p Candela, P.A., and Holland, H.D., 1986, A mass transfer model for copper and molybdenum in magmatic hydrothermal systems: The origin of porphyry type ore deposits: Economic Geology, v. 81, p Cline, J.S., 2003, How to Concentrate Copper: Science, v. 302, p Cloos, M., 2003, Bubbling magma chambers, cupolas, and porphyry copper deposits: International Geology Review, v. 43, p Coney, P.J., y Reynolds, S.J., 1977, Cordilleran Benioff zones: Nature, v. 270, p Damon, P.E., 1986, Batholith-volcano coupling in the metallogeny of porphyry copper deposits, en Friedrich G.H., et al., (eds.), Geology and metallogeny of copper deposits: Springer-Verlag Berlin Heidelberg, p Harris, A.C., Kamenetsky, V.S., White, N.C., van Achterberg, E., Ryan, C.B., 2003, Melt inclusions in veins: linking magmas and porphyry Cu deposits: Science, v. 302, p Hedenquist, J.W., Lowenstern, J.B., 1994, The role of magmas in the formation of hydrothermal ore deposits: Nature, v. 370, p Krauskopf, K.B., 1979, Introduction to Geochemistry: McGraw Hill, New York, Second Edition, 671 pp. McDowell, F. W., Roldán-Quintana, J., and Connelly, J. N., 2001, Duration of Late Cretaceous-Early Tertiary magmatism in east-central Sonora, Mexico: Geological Society of America, Bulletin, v. 113, p Pérez-Segura, E. González-Partida, E. and Valencia, V., 2009, Late Cretaceous adakitic magmatism in east-central Sonora, Mexico, and its relation to Cu-Zn-Ni-Co skarns: Revista Mexicana de Ciencias Geológicas, v. 26, p Valencia-Moreno, M., Iriondo, A., y González-León, C., 2006a, New 40Ar/39Ar hornblende dates of granitic rocks from central sonora, NW Mexico: a systematic study of crystallization age during east migration of the Late cretaceous-early Tertiary magmatic activity: Journal of South American Earth Sciences, v. 22, p Valencia-Moreno, M., Ochoa-Landín, L., Noguez-Alcántara, B., Ruiz, J., y Pérez-Segura, E., 2006b, Características de los depósitos de pórfido cuprífero en México y su situación en el contexto mundial: en Nieto-Samaniego, A.F., y Alanis-Álvarez, S., (eds.), Revisión de algunas tipologías de depósitos minerales en México: Sociedad Geológica Mexicana, volumen conmemorativo del Centenario, Tomo LVIII, no. 1, p

5 Valencia-Moreno, M., Ruiz, J., Barton, M.D., Patchett, P.J., Zürcher, L., Hodkinson, D., y Roldán- Quintana, J., 2001, A chemical and isotopic study of the Laramide granitic belt of northwestern Mexico: identification of the southern edge of the North American Precambrian basement: Geological Society of America Bulletin, v. 113, p Williams, T.J., Candela, P.A., and Piccoli, P.M., 1995, The partitioning of copper between silicate melts and two-phaseaqueous fluids: An experimental investigation at1 kbar, 800ºC and 0.5 kbar, 850ºC: Contributions to Mineralogy and Petrology, v. 121, p