Controles Geológicos en La Distribución de Elementos Trazas
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Controles Geológicos en la Distribución de Elementos Traza
Luis López V.GL45C
Coeficientes de Partición La manera en que los elementos traza se
distribuyen entre las fases de un sistema:
• C=concentración de un elemento x• s y l=dos fases distintas (sólida y líquida)
Si D<1 el elemento es “incompatible” Si D>1 el elemento es “compatible”
l
s
C
CD
Coeficientes de Partición Un sistema magmático generalmente tiene más
de 2 fases• Se define entonces un coeficiente de partición global
“bulk partition coefficient” para cada elemento traza:
xj = Proporción modal del mineral j en el sistema Dj = Coeficiente de partición entre el mineral j y el
magma
jj
j
DxDxDxDxD
......DxD
.....
j/l
j
33221 1
Ejemplo 1 Calcular el coeficiente de partición global del Yb en una
peridotita de espinela, una de granate y una eclogita con los siguientes parámetros:• Peridototita Espinela (53%Ol, 17%Cpx, 28%Opx, 2%Sp)• Peridotita Granate (54%Ol, 19%Cpx, 24%Opx, 3%Gt)• Eclogita (50%Cpx, 50%Gt)
DYb/PSp = 0,53x0,017+0,17x0,432+0,28x0,047+0,02x0,0045 = 0.096 De la misma forma se obtienen: DYb/PGt = 0.228 DYb/Eclo = 2.306
Kds Ybol 0,017
cpx 0,432opx 0,047Gt 4,18
spinel 0,0045
Distribución de los Elementos durante la Fusión Parcial
Petrogénesis Ígnea:• ¿Qué es lo que se funde?• ¿Cómo se funde?
Distribución de los Elementos durante la Fusión Parcial
Dos Procesos de Fusión Fundamentales:• Batch Melting (Fusión por lotes): Fusión de una
roca en una cantidad finita, en donde el magma formado está en equilibrio con el residuo. Sistema cerrado.
• Fractional Melting (Fusión fraccionada): Fusión de una roca en donde el magma se separa del residuo inmediatamente después de haberse formado. Por lo tanto, sólo una parte infinitesimal del magma estará en equilibrio con el residuo. Sistema abierto.
Balance de masas Ci=Concentración del
elemento en la roca original
Cs=Concentración del elemento en el residuo sólido
Cl=Concentración del elemento en el líquido (magma)
F= masa magma/masa total (porcentaje de fusión parcial)
FCFCC lsi )1(
Batch Melting
Sustituyendo
Para el líquido
Para residuo sólido
l
s
C
CD ls DCC
FCFDCC lli )1(
FFDC
C
i
l
)1(
1
DDF
D
Ci
Cs
)1(
Fractional Melting
El líquido se separa tan pronto como se forma.
F en este caso es la fracción de magma que ya ha sido removida del sólido, y por lo tanto el residuo se empobrece muy rápido en los elementos más incompatibles.
Fractional Melting
Para el líquido
Para el residuo sólido
)11
()1(
1 D
i
lF
DC
C
)11
()1(
DF
Ci
Cs
Fusión Parcial No Modal
Cuando los minerales entran en el fundido en una proporción distinta a su abundancia modal• Se define un parámetro P= Coeficiente
de partición global ponderado con respecto a los minerales que entran en el fundido
jj
j
DpDpDpDpP
DpP lj
j
.....1
/
33221
......
Fusión Parcial No Modal
Batch Melting No Modal
Fusión Fraccionada No Modal
DPFC
C
i
l
)1(
1
)11
(
11
P
i
l
D
PF
DC
C
Ejemplo 2 • Calcular la relación
La/Sm de un magma formado por distintos grados de fusión parcial (F=2% y 20%) de una peridotita de espinela con 58%Ol, 27%Opx, 12%Cpx, y 3%Sp.
• Usando el modelo de fusión por lotes no modal si los minerales entran en el fundido en una proporción 20% Ol, 25% Opx, 45% Cpx y 10% Sp.
Coeficientes de ParticiónOl Opx Cpx Sp
La 0.0003 0.0020 0.0530 0.0100Sm 0.0013 0.0110 0.3600 0.0100
Concentración en la peridotitaLa 1 ppmSm 1 ppm
Ejemplo 2 Calculamos: DLa = 0,58x0,0003 + 0,27x0,002 + 0,12x0,053 + 0,03x0,01 = 0,007374 PLa = 0,2x0,0003 + 0,25x0,002 + 0,45x0,053 + 0,1x0,01 = 0,02541 Reemplazamos valores en ecuación para (F=0,02; Ci =
1ppm) y obtenemos Cl/La = 37,222 Calculamos de la misma forma DSm (0,047224) y PSm
(0,16601), reemplazamos en ecuación y obtenemos Cl/Sm= 15,6485
La/Sm (F= 2%) = 37,222/15,649 = 2, 379 = 2,4 Para 20% F La/Sm = 1.06 (calcular)
Factores que controlan la concentración de los elementos traza durante la fusión parcial
Las fases mineralógicas presentes antes y durante el proceso de fusión
El porcentaje de fundido formado (F) El mecanismo de fusión (batch o
fraccionada) La concentración del elemento en el
sólido original Los coeficientes de partición D=f(P,
T, C)
Distribución de los Elementos durante la Cristalización
Dos Procesos de Cristalización Fundamentales:• Cristalización en equilibrio: Cuando los sólidos
(minerales) y el líquido (magma) permanecen en equilibrio durante la cristalización. Es lo opuesto a batch melting. Requiere que todos los cristales permanezcan en contacto con el magma.
Cristalización fraccionada: Cuando los sólidos se separan del líquido inmediatamente después de haberse formado. Por lo tanto la composición del líquido y del sólido cambia continuamente.
Cristalización en Equilibrio Balance de masas:
Ci=Concentración del elemento en el magma original
Cs=Concentración del elemento en el mineral Cl=Concentración del elemento en el magma
remanente X= masa de cristales/masa total (porcentaje de
cristalización)
)1( XCXCC lsi
Cristalización en Equilibrio Coeficiente de partición:
Sustituyendo:
Para el líquido
Para residuo sólido
)1( XCXDCC lli
l
s
C
CD ls DCC
)1(
1
XDXC
C
i
l
)1( XDX
D
Ci
Cs
Cristalización Fraccionada (Rayleigh Fractionation)
El sólido se separa tan pronto como se forma.
X en este caso es la fracción de sólidos removidos
Para el líquido
Para el sólido
)1()1( D
i
lX
C
C
)1()1( DXDCi
Cs
Ejemplo 3 Porcentajes de
cristalización de minerales de 10%, 30%, 50% y 70% para Clinopiroxeno (Cpx), Ortopiroxeno (Opx), Hornblenda (Hb), Biotita (Bt), Ortoclasa (Fd-K) y Plagioclasa (Pg) desde magma dacítico (10%Cpx, 8%Opx, 15%Hb, 18%Bt, 24%Fd-K y 25%Pg).
Cpx Opx Hb Bt Kfd Pg
Ba 0.003 0.131 0.044 6.36 0.36 6.12
Sr 0.009 0.516 0.022 0.12 2.84 3.87
Coeficientes de Partición
Ba 100 ppm
Sr 200 ppm
Composiciones iniciales
CÁLCULOS De la fórmula: Cl / Co = F^ (D - 1) F= Fracción de fundido residual D= Coeficiente de partición Opx (10% cr.fr.) Ba Cl = Co* F^(D-1) con Co = 100ppm F = 0.9 equivale a (1-X) con X=0,1 D = 0.003 Cl = 100 x 0,9 ^ (0,003-1) = 111,08
Concentración Ba en líquido c/r a cristalización Opx de 111,1 ppm
El cálculo para la concentración del elemento en el magma global requiere el uso del coeficiente global de partición, utilizando los porcentajes en que se encuentran los minerales:
Dglobal/Ba = 0,1x0,003+0,08x0,131+0,15x0,044+0,18x6,36+0,24x0,36+0,25x6,12 = 2,778 Reemplazando este valor en la ecuación anterior, para X=10% Cl/Ba (10% Cr.Frac.) = 82,91 Realizar cálculos para Sr de la misma forma.
Cristalización In Situ
ML/Mo= (1-X) Mo=Masa de magma inicial ML=Masa del líquido remanente f=Fracción de magma residual que se regresa
hacia la cámara magmática ¿Qué pasa cuando f=1?
))1(
)1((
ffD
Df
o
L
M
M
Ci
Cl
Cristalización RTF (sistemas abiertos)
La cámara magmática es alimentada con material nuevo y drenada periódicamente por erupciones.
Sistemas RTF (refilled, tapped, fractionated): alimentado, drenado y fraccionado
En el caso más extremo, el sistema puede alcanzar un estado estacionario en donde el volumen permanece constante:
Valimentado=Vcristalizado+Vdrenado
Cristalización RTF (sistemas abiertos)
Cl=Concentración en líquido de la cámara magmática
Co=Concentración en el líquido inyectado X=Porcentaje de cristalización T=Porcentaje de magma drenado
)1(
)1(
)1)(1(1
)1)((
D
D
o
L
XTX
XTX
C
C
Puntos Importantes de Fusión y Cristalización
En porcentajes moderados (X<0.30), el proceso de cristalización fraccionada tiene un efecto pequeño en los elementos incompatibles, pero enorme en los elementos compatibles.
En porcentajes moderados (F<0.25), el proceso de fusión parcial tiene un efecto muy grande en los elementos incompatibles y un efecto menor en los elementos compatibles.
Por lo tanto:• Los elementos compatibles son buenos indicadores del grado
de cristalización de un magma (X). Además, la relación entre dos elementos incompatibles tenderá a permanecer constante a niveles moderados de cristalización.
• Los elementos incompatibles son buenos indicadores del grado de fusión parcial (F). Además, si el porcentaje de fusión es grande (F>0.2), las relaciones entre dos elementos incompatibles serán similares a las de su fuente.