Dotación de oro de los yacimientos de pórfidos controlada por la eficiencia de la precipitación

Recogida y filtrado de datos

Dotación de metales, la geoquímica de las rocas (valores de Sr/Y, afinidad del magma en términos de alcalinidad) y los datos geocronológicos de 118 yacimientos de pórfidos de Cu-Au (Datos complementarios 1) se han recogido de estudios anteriores y de recursos en línea (USGS Porphyry Copper deposits of the world en http://mrdata.usgs.gov/porcu/; http://www.portergeo.com.au/database/). Los valores disponibles de Sr/Y de las rocas magmáticas asociadas a cada yacimiento de pórfidos se promediaron y se calcularon los valores asociados de 1 desviación estándar (Datos Suplementarios 1).

La afinidad magmática en términos de alcalinidad de las rocas magmáticas asociadas a los yacimientos se derivó en su mayor parte de un estudio previo7 y se implementó con datos de estudios adicionales realizados en yacimientos de pórfidos que no fueron reportados por la ref. 7 (Datos complementarios 1). Para este último caso la afinidad magmática fue evaluada utilizando el enriquecimiento en K2O en un gráfico de K2O vs. SiO216, que permite la discriminación de las rocas en calcoalcalinas, calcoalcalinas de alto K y alcalinas (shoshoníticas). Cuando los análisis geoquímicos no estaban disponibles, la discriminación se hizo utilizando la nomenclatura de las rocas porfíricas asociadas (ver Métodos para más detalles).

Las dotaciones de Cu y Au aquí reportadas (Datos Suplementarios 1) están indudablemente sujetas a la incertidumbre como muestran los diferentes valores reportados para el mismo depósito por distintas fuentes (Datos Suplementarios 1) y el refinamiento de las reservas y recursos a través del tiempo. Sin embargo, el rango global de las dotaciones de metal de todos los pórfidos del mundo abarca varios órdenes de magnitud, lo que es mucho mayor que las posibles incertidumbres de las dotaciones de metal de un solo yacimiento.

Otro punto a destacar es que los yacimientos de múltiples etapas como Grasberg se caracterizan por cuerpos minerales individuales, formados en diferentes momentos, que pueden tener proporciones variables de Cu/Au. En Grasberg, la mineralización que se produce en las rocas Dalam y en el yacimiento de Ertsberg tiene una relación Cu/Au ligeramente superior (~2,0; donde Cu se expresa en peso y Au en g t-1) a la de todos los demás yacimientos (0,75-1,40) y a la del conjunto del distrito de Grasberg-Ertsberg (~1,0)14. Las razones de estas diferencias locales son la sobreimpresión de las etapas subsiguientes del mineral y las diferentes profundidades de la formación del mineral14 (los valores más altos de Cu/Au de los minerales tanto en las rocas de Dalam como en Ertsberg van acompañados de mayores contenidos de molibdeno en las partes más profundas de los yacimientos). A continuación he considerado las dotaciones de Au y Cu del grueso del distrito de Grasberg-Ertsberg, que reflejan las relaciones Au/Cu de la mayor parte (>90% en términos de tonelaje)14 de los yacimientos del distrito.

Los datos geocronológicos utilizados sobre los yacimientos de pórfidos (Datos Suplementarios 1 y Nota Suplementaria 1) se obtuvieron mediante técnicas de vanguardia17 (datación U-Pb de circones de intrusiones de pórfidos por CA-ID-TIMS, SHRIMP y LA-ICPMS, edades Re-Os de molibdenita por N-TIMS, datación 40Ar/39Ar de minerales hidrotermales: Nota complementaria 1) durante los últimos 20 años y la mayoría de ellos (15 de 22) durante los últimos 10 años. Los datos, junto con las interpretaciones proporcionadas por los autores de estos estudios, se utilizaron para calcular la duración global del proceso de mineralización del mineral, es decir, el intervalo temporal que abarca, en la medida de lo posible, la mayor parte del proceso de mineralización en un yacimiento específico (Datos complementarios 1 y Nota complementaria 1). Esto se basó en un paréntesis temporal utilizando la datación de pórfido U-Pb anterior y posterior al mineral, o la datación Re-Os de la molibdenita de múltiples etapas del mineral restringida texturalmente, eventualmente implementada por la datación 40Ar/39Ar de los minerales de alteración asociados con el mineral (véase la Nota Suplementaria 1 para una descripción detallada de cómo se obtuvieron las duraciones globales del proceso de mineralización para cada depósito). Esto es particularmente cierto para los mayores sistemas de pórfidos compuestos, como, entre otros, Chuquicamata, Río Blanco y Grasberg. Debido al inevitable submuestreo, los intervalos de tiempo así determinados son aproximaciones de primer orden de las duraciones reales de los eventos de mineralización en cada yacimiento de pórfidos. No obstante, es significativo que se hayan obtenido valores similares para la duración de los procesos de mineralización en distintos estudios, cuando se dispone de ellos en el mismo yacimiento (p. ej, El Teniente, Grasberg y Chuquicamata; Datos Suplementarios 1).

Modelización petrológica

Se ha aplicado la modelización de Monte Carlo de los procesos petrológicos (Métodos y Tabla 1) para extraer información sobre los procesos metalogénicos capaces de explicar las dotaciones de Cu y Au de los yacimientos de pórfidos y sus escalas de tiempo de formación (ver arriba). He utilizado el balance de masas y el enfoque petrológico de la ref. 2 para estimar los volúmenes de magma y las cantidades de fluido, Cu y Au exsolubles de estos magmas, así como sus contenidos de SiO2 (para más detalles ver Métodos, Figs. 1-5 Suplementarias, y Tabla 1 Suplementaria). Las masas y volúmenes de los magmas se determinan parametrizando las condiciones termodinámicas descritas en la ref. 18 para la generación de fundidos en zonas calientes de la corteza. En el modelo, el fundido basáltico se inyecta en la corteza a profundidades variables a una tasa media fija a largo plazo de 5 mm año-1 (ref. 18) para un intervalo de tiempo que oscila entre 0 y 5 Ma. Dependiendo de la profundidad a la que se produzca la inyección, el fundido residual procedente del fraccionamiento del basalto inyectado empezará a acumularse después de un cierto tiempo de incubación (Fig. Suplementaria 1). La dependencia del tiempo de incubación de la profundidad de inyección se explica por el hecho de que la temperatura de la roca huésped aumenta con la profundidad según el gradiente geotérmico (20 °C km-1 en el modelo18). Por lo tanto, a niveles más profundos (es decir, temperaturas de la roca huésped más calientes) los tiempos de incubación para la formación de fundido residual inicial serán más cortos. Al mismo tiempo, la inyección continua del fundido basáltico también dará lugar a un aumento de la temperatura de las rocas huésped, que, después de un cierto tiempo de incubación, que es diferente al de la formación del fundido residual, podría alcanzar el solidus de estas rocas con su consiguiente fusión parcial (fundido parcial de la corteza: Fig. Suplementaria 1). El fundido resultante de todo este proceso es un fundido híbrido compuesto derivado de la suma de los fundidos residuales y de la corteza en cualquier momento desde el inicio de la inyección y a cualquier profundidad en la que se produzca la inyección basáltica (Fig. Suplementaria 1). A lo largo del tiempo, la cantidad de fundido acumulado en cualquier profundidad específica aumentará, como se muestra en la Fig. Suplementaria 1. La productividad de la fusión en los niveles más profundos de la corteza será mayor que en los niveles menos profundos de la corteza (Supplementary Fig. 1).

Tabla 1 Valores de los parámetros de entrada utilizados para las simulaciones de Monte Carlo. Las simulaciones se realizan para una tasa de inyección de 5 mm año-1 de un fundido basáltico a 1200 °C a través de un disco de 7500 m de radiousa (equivalente a un flujo de magma de 0,0009 km3 año-1), en una corteza caracterizada por un gradiente geotérmico de 20 °C km-1 (ref. 18).

La cantidad de H2O disuelto en tales fundidos híbridos acumulados a diferentes profundidades de la corteza y después de diferentes tiempos de acumulación (es decir, tiempo desde el inicio del proceso de inyección) puede determinarse teniendo en cuenta los contenidos iniciales de H2O del fundido basáltico primitivo y de las rocas de la corteza (Tabla 1), y la dependencia de la presión y la composición del fundido de la solubilidad del H2O en los fundidos de silicato19 (Figs. 2-4 suplementarias). Finalmente, las cantidades de Cu y Au en el H2O exsoluble se determinan utilizando un rango de coeficientes de partición apropiados para estos metales entre el fluido y el fundido de silicato y los contenidos apropiados de Cu y Au en los fundidos (Tabla 1 y Fig. Suplementaria. 5).

Dotación de metales y escalas de tiempo de los depósitos de pórfidos de Cu-Au

El gráfico de la dotación de Au frente a la de Cu muestra que los depósitos de pórfidos de Cu-Au definen una tendencia rica en Cu (Au/Cu ~4 × 10-6) o rica en Au (Au/Cu ~80 × 10-6) (Fig. 1a). La tendencia rica en Au está controlada esencialmente por los siete mayores depósitos de oro (que contienen casi el 60% del oro de los depósitos de pórfidos de Cu-Au20). Estos siete yacimientos (Kadjaran, Cadia, Kalmakyr, Oyu Tolgoi, Bingham, Grasberg y Pebble) están todos asociados a rocas calcáreas o alcalinas de alto K. A lo largo de la tendencia rica en Au hay también todos los demás yacimientos más pequeños asociados a magmas variablemente alcalinos y varios yacimientos asociados a magmas calcoalcalinos normales (por ejemplo, Far Southeast-Lepanto, Reko Diq, Panguna, Cerro Casale, Batu Hijau, por mencionar algunos de los más grandes). Por el contrario, todos los yacimientos de la tendencia rica en Cu están asociados únicamente a rocas calcoalcalinas normales.

Fig. 1: Dotaciones metálicas, geoquímica de las rocas asociadas y duraciones de los yacimientos de pórfidos ricos en Cu frente a los ricos en Au. Figura 1

a Cu (Mt) vs. Au (toneladas) de los yacimientos de pórfidos de Cu-Au; b duración de la mena (Ma) vs. Au (toneladas) de los yacimientos de pórfidos de Cu-Au. Todos los depósitos se distribuyen aproximadamente a lo largo de una u otra de las dos líneas discontinuas, lo que permite identificar dos familias distintas de pórfidos de Cu-Au, los ricos en Cu (Au/Cu~4 × 10-6 y ~100 t de Au Ma-1) y los ricos en Au (Au/Cu~80 × 10-6 y ~4500 t de Au Ma-1). Las líneas discontinuas representan las tasas medias de deposición de Cu y Au y no son las líneas mejor ajustadas estadísticamente; c Valores medios de Au (toneladas) frente a Sr/Y de las rocas magmáticas asociadas a los yacimientos de pórfidos de Cu-Au. Las barras para los valores de Sr/Y son incertidumbres de 1 s.d. calculadas a partir de los valores disponibles de Sr/Y de las rocas magmáticas asociadas a cada yacimiento (ver Datos Suplementarios 1); d duración de la mena (Ma) vs. Cu (Mt) de los yacimientos de pórfidos de Cu-Au. Las barras asociadas a los valores de duración del mineral son incertidumbres propagadas de 2 d.s. como se explica en la Nota Suplementaria 1. Abreviaturas de los yacimientos de pórfidos: Ak Aksug, BH Batu Hijau, Bh Bingham, BjA Bajo de la Alumbrera, Bt Butte, Ca Cadia, CCas Cerro Casale, Chu Chuquicamata, Cn Cananea, EA El Abra, ES El Salvador, ET El Teniente, FSE Far Southeast-Lepanto, Grasberg, Ju Junin, Kg Kisladag, Kj Kadjaran, Kk Kalmakyr, LP Los Pelambres, Mt Marte, OK Ok Tedi, OT Oyu Tolgoi, Pe Pebble, Png Panguna, Po Potrerillos, Qu Qulong, RB Rio Blanco, RD Reko Diq, Skouries, Tk Toki. Bingham tiene dos puntos (Bh y Bh2) debido a los diferentes tonelajes reportados en diferentes estudios (ver Datos Suplementarios 1).

Las dos tendencias distintas son también reconocibles en un gráfico de dotaciones de Au vs. las duraciones del proceso de formación del mineral de los yacimientos de pórfidos de Cu-Au (Fig. 1b): en la tendencia de los yacimientos ricos en Cu el Au se precipita a un ritmo medio mucho más lento (~100 toneladas de Au/Ma) que en la tendencia de los yacimientos ricos en Au (~4500 toneladas de Au/Ma). La tendencia rica en Au está controlada por tres grandes yacimientos de pórfidos ricos en Au (para los que se dispone de datos geocronológicos sólidos), todos ellos asociados a rocas calcoalcalinas a alcalinas de alto K (Grasberg, Bingham, Pebble) y por tres yacimientos ricos en Au asociados a rocas calcoalcalinas (Reko Diq, Far Southeast-Lepanto y Batu Hijau). Todos los pórfidos ricos en Au de menor tamaño asociados a rocas variablemente alcalinas y varios asociados a rocas calcoalcalinas normales caen en la tendencia rica en Au. De nuevo, la tendencia rica en Cu está definida por depósitos asociados únicamente a rocas calcoalcalinas típicas. Las rocas magmáticas asociadas a los yacimientos de pórfidos ricos en Au se caracterizan por tener valores de Sr/Y más bajos (~50 para los mayores yacimientos de pórfidos de Au)21 en comparación con las rocas asociadas a los yacimientos de pórfidos ricos en Cu (100 ± 50)2 (Fig. 1c y Datos Suplementarios 1).

Posibles causas de las diferentes dotaciones de Cu y Au

Chiaradia y Caricchi2 sugirieron que la dotación de Cu de los yacimientos de pórfidos ricos en Cu de tipo andino está controlada por dos parámetros principales: el volumen de magma generado a profundidades medio-inferiores de la corteza, que determina la cantidad máxima de Cu entregable, y el intervalo de tiempo global durante el cual el magma, con su carga de fluidos y cobre, es transferido a niveles más superficiales donde se produce la exsolución de fluidos y se precipita el Cu. Las condiciones más favorables para construir los volúmenes apropiados de magmas y fluidos se dan, como ya se ha dicho, en la corteza media e inferior, donde los magmas modelizados arrojan valores de Sr/Y (50-150) que están en el mismo rango que los de los magmas asociados a los mayores yacimientos de pórfidos de Cu2. La amplia correlación lineal entre las dotaciones de Cu y la duración de la formación de los yacimientos2 (Fig. 1d) sugiere que el proceso de transferencia de magma, fluido y cobre a niveles más superficiales se produce a un ritmo medio similar para todos los yacimientos ricos en Cu y que su duración es el principal parámetro que controla las dotaciones de Cu en estos yacimientos. Una conclusión similar ha sido también alcanzada por la ref. 22. En el gráfico de la dotación de Cu frente a la duración de la formación del yacimiento (Fig. 1d), los yacimientos ricos en Au caen hacia el extremo inferior de la misma tendencia de regresión que los yacimientos ricos en Cu, lo que sugiere que los controles de la dotación de Cu y la eficiencia de la precipitación de Cu son similares para ambos tipos de yacimientos ricos en Cu y en Au.

En cambio, la aparición de dos tendencias lineales distintas en los gráficos de tonelaje de Au-Cu y de duración del tonelaje de Au (Fig. 1a, b) sugiere que la dotación de oro está controlada por procesos distintos en los depósitos ricos en Cu frente a los ricos en Au. La asociación de los siete mayores yacimientos de pórfidos ricos en Au con rocas ligeramente alcalinas a alcalinas (Fig. 1a) podría sugerir algún tipo de control petrogenético, que no se entiende claramente8,23,24. Por otro lado, los yacimientos de pórfidos ricos en Au con dotaciones de oro de tamaño variable también se asocian a rocas magmáticas normales calcoalcalinas (Fig. 1a). Esto sugiere que la química del magma no puede ser el único control en la formación de la tendencia de los pórfidos ricos en Au. Aquí, exploro tres mecanismos principales que podrían ser responsables de la formación de depósitos de pórfidos ricos en Au y su asociación preferencial, pero no única, con magmas variablemente alcalinos: (i) mayores contenidos de Au en los magmas alcalinos25 (y en los magmas calcoalcalinos asociados a pórfidos ricos en Au), (ii) valores variables del coeficiente de partición fluido-fusión (KD) del Au entre fluidos y fundidos y (iii) diferentes eficiencias de precipitación.

Un control de la eficiencia de precipitación para las dotaciones de Au

Las simulaciones de Monte Carlo muestran que, asumiendo una eficiencia de precipitación del 50% comúnmente utilizada tanto para el Au como para el Cu, los volúmenes de magma (~2000 km3) correspondientes a los mayores enriquecimientos en cobre (~100 Mt Cu) asociados a los magmas calcoalcalinos2 proporcionarían Au en gran exceso (valor medio de ~14.000 toneladas de Au) a la máxima dotación de oro (~2700 toneladas de Au) de los depósitos de pórfidos ricos en Au (Fig. 2c; dotaciones potenciales de Au aún más elevadas se asocian a los mayores volúmenes de magma simulados de los sistemas alcalinos con una eficiencia del 50%: Fig. 2d). Esto sugiere que el desacoplamiento entre las dotaciones de Cu y Au en los yacimientos ricos en Cu frente a los ricos en Au se debe a que el volumen de magma simulado es mayor. Es poco probable que los depósitos ricos en Au estén relacionados únicamente con el enriquecimiento en Au de los magmas alcalinos en comparación con los magmas calcoalcalinos25,26, ya que estos últimos pueden exsolver fluidos con oro en gran medida suficiente para formar los mayores depósitos de pórfidos ricos en Au. Tampoco la variación de los valores KD de Au entre fluido y fundido puede explicar el escaso contenido en Au de los yacimientos ricos en Cu. De hecho, utilizando rangos de valores KD fluido-fusión comunes para el Au (10-100)27 y el Cu (2-100)2 y eficiencias de precipitación del 50% tanto para el Au como para el Cu, las simulaciones de Monte Carlo dan como resultado fluidos con valores de Au/Cu muy superiores a los registrados por los yacimientos naturales de pórfidos ricos en Au, tanto para magmas calcoalcalinos como alcalinos (Fig. 3a, b). Es imposible reproducir los bajos valores de Au/Cu de los yacimientos ricos en Cu a menos que se asuman valores KD fluido-fusión para el Au (“1) irrazonablemente bajos (Fig. 3c). Además, los fluidos modelados y geológicos exsueltos de los magmas (emisiones volcánicas y fluidos monofásicos de los yacimientos de pórfidos) tienen valores de Au/Cu muy similares (Fig. 3, Tabla 2). Esto apoya la afirmación de que el Au y el Cu en los fluidos derivados del magma se dan en concentraciones que concuerdan con las obtenidas utilizando los valores KD de Au y Cu determinados experimentalmente entre fluido y fundido.

Fig. 2: Simulaciones Monte Carlo de oro exsoluble y relación con los volúmenes del magma.
figura2

Las gráficas de densidad de las simulaciones de Monte Carlo (>25.000) muestran que tanto los sistemas magmáticos calcoalcalinos (a) como los alcalinos (b) pueden potencialmente exsolver fluidos durante los tiempos de vida de los depósitos de pórfidos indicados por la geocronología, transportando y precipitando (50% de eficiencia) cantidades de oro mucho mayores que las registradas por los depósitos de pórfidos más ricos en Au; c histograma del oro exsoluble (50% de eficiencia) para el rango de volumen de magma (1750-2250 km3) asociado a las mayores dotaciones de Cu (50% de eficiencia de precipitación) en los sistemas magmáticos calcoalcalinos: esto corresponde a la distribución de densidad de las simulaciones de Au exsoluble para el intervalo de volumen 1750-2250 km3 en (a); d histograma de oro exsoluble (50% de eficiencia) para el mayor intervalo de volumen de magma (1000-1500 km3) obtenido en las simulaciones para magmas alcalinos.

Fig. 3: Simulaciones Monte Carlo (puntos grises; >7000) de las dotaciones de Au y Cu obtenidas para diferentes valores de KD fluido-fusión de Au.
figura3

La utilización de un rango de valores de KD comúnmente aceptados para el Au (10-100)27 y el Cu (2-100)2 da lugar a fluidos exsueltos con valores de Au/Cu extremadamente altos tanto para magmas alcalinos (a) como calcáreos (b). Los valores muy bajos de Au/Cu de los yacimientos ricos en Cu sólo pueden obtenerse asumiendo valores KD irrealmente bajos (“1) para el Au (c). También se muestran las relaciones Au/Cu para las emisiones volcánicas y los fluidos monofásicos de los yacimientos de pórfidos (campo naranja: Tabla 2) y de las rocas calcoalcalinas y alcalinas (campo rojo: Tabla 2). Abreviaturas de los yacimientos de pórfidos: Bh Bingham, Bt Butte, Ca Cadia, CCas Cerro Casale, Chu Chuquicamata, Cn Cananea, ET El Teniente, FSE Far Southeast-Lepanto, Grasberg, Kj Kadjaran, Kk Kalmakyr, LP Los Pelambres, OT Oyu Tolgoi, Pebble, Po Potrerillos, RB Río Blanco, RD Reko Diq. Bingham tiene dos puntos (Bh y Bh2) debido a los diferentes tonelajes reportados en diferentes estudios (ver Datos Suplementarios 1).

Tabla 2 Valores de Au/Cu de las tendencias de pórfidos y diferentes materiales geológicos.

Los gráficos de las Figs. 2 y 3, por lo tanto, sugieren que las diferentes tendencias de Au/Cu de los depósitos ricos en Au y en Cu podrían deberse a diferentes eficiencias de precipitación de Au. De hecho, las dos tendencias de los pórfidos en el espacio Au-Cu son bien reproducidas por las simulaciones de Monte Carlo llevadas a cabo para eficiencias de precipitación de oro que son menores que las de Cu por un factor de ~6-15 en los depósitos ricos en Au y por un factor de ~75 en los depósitos ricos en Cu (Fig. 4a, b; ver Métodos para más detalles). Esto se traduce en eficiencias de precipitación de Au que son ~5-12 veces mayores en los pórfidos ricos en Au que en los ricos en Cu (Fig. 4a, b y Métodos).

Fig. 4: Simulaciones de Monte Carlo (puntos grises claros; N > 20.000) para las tendencias de los depósitos de pórfidos ricos en Cu y en Au.
figura4

a Simulaciones realizadas para eficiencias de precipitación de Au que son aproximadamente cinco veces mayores para la tendencia rica en Au relacionada con los sistemas alcalinos que para la tendencia rica en Cu relacionada con los sistemas calcáreos (ver texto, Métodos y Tabla 1); b simulaciones realizadas para eficiencias de precipitación de Au que son ~12 veces mayores para la tendencia rica en Au relacionada con los sistemas calcáreos que para la tendencia rica en Cu relacionada con los sistemas calcáreos (ver texto, Métodos y Tabla 1). También se muestran las relaciones Au/Cu para las emisiones volcánicas y los fluidos monofásicos de los yacimientos de pórfidos (campo naranja: Tabla 2) y de las rocas calcoalcalinas y alcalinas (campo rojo: Tabla 2). Abreviaturas de los yacimientos de pórfidos: Bh Bingham, Bt Butte, Ca Cadia, CCas Cerro Casale, Chu Chuquicamata, Cn Cananea, ET El Teniente, FSE Far Southeast-Lepanto, Grasberg, Kj Kadjaran, Kk Kalmakyr, LP Los Pelambres, OT Oyu Tolgoi, Pebble, Po Potrerillos, RB Río Blanco, RD Reko Diq. Bingham tiene dos puntos (Bh y Bh2) debido a los diferentes tonelajes reportados en diferentes estudios (ver Datos Suplementarios 1).

Una mayor eficiencia de precipitación de Au, que resulta en la tendencia rica en Au de los depósitos de pórfido, podría deberse a: (i) la menor profundidad a la que se forman los depósitos ricos en Au28 y (ii) la mayor estabilidad del oro hidrosulfurado en fluidos ricos en álcalis24. Como se discute en detalle en la ref. 28, en los sistemas de pórfidos poco profundos (<~3 km) la solubilidad del oro y del cobre disminuye rápidamente en un vapor rico en S en expansión, que transporta ambos metales. El resultado es la coprecipitación de Cu y Au y altos valores de Au/Cu. Por el contrario, en los sistemas de pórfidos más profundos (>~3 km) predomina un fluido monofásico del que precipita mayoritariamente el Cu al enfriarse, mientras que el Au permanece en solución en una fase densa de vapor. Según la ref. 24 la presencia de cloruros alcalinos aumenta fuertemente la solubilidad del oro en fluidos que contienen H2S y podría explicar la asociación de los depósitos de pórfido ricos en Au con magmas alcalinos, de los cuales, supuestamente, se exsuelen fluidos con mayor contenido de cloruros alcalinos.

Un factor adicional responsable del desacoplamiento del oro y el cobre en algunos yacimientos específicos de pórfidos podría ser la naturaleza reducida del sistema magmático-hidrotérmico, ya sea inherente al magma o resultante de la interacción de los fluidos con rocas huésped reducidas29. A diferencia del Cu, cuya solubilidad disminuye en los fluidos minerales reducidos, el oro puede ser transportado en concentraciones similares por los fluidos minerales independientemente de su estado de oxidación29. Por lo tanto, se ha sugerido que los sistemas magmático-hidrotérmicos reducidos podrían ser responsables de la formación de algunos yacimientos de pórfidos ricos en Au30.

Un control tectónico para las dotaciones de Cu frente a las de Au

En los arcos de subducción de tipo andino, los periodos de compresión de larga duración (>2 Ma) conducen a la acumulación de volúmenes de magma variablemente grandes en los niveles profundos de la corteza con una firma típica calcoalcalina marcada por altos valores de Sr/Y2,31. En este contexto, los yacimientos de pórfidos ricos en Cu se forman porque dependen esencialmente de grandes volúmenes de magma acumulados a profundidades medio-inferiores de la corteza durante el periodo compresivo, y de la posterior duración de la fuga magmática-hidrotérmica del depósito profundo a la corteza más superficial, donde se produce la deposición del mineral. Durante este proceso, el oro se precipita a una tasa media baja (Fig. 1b) porque los fluidos exsueltos de estos magmas calcoalcalinos tienen una pobre eficiencia de precipitación para el oro (~75 veces menos que la eficiencia de precipitación del Cu: ver arriba). Esto se debe probablemente a la formación de depósitos ricos en Cu a una profundidad media en dicho contexto28 y, quizás, a una química ineficiente de los fluidos asociados24. La figura 5a, b muestra que los mayores depósitos de pórfido ricos en Cu (>30 Mt Cu) asociados a magmas calcoalcalinos se producen a profundidades >~3 km y tienen dotaciones de oro de <500 toneladas Au. En este caso, una cantidad significativa de oro puede perderse en las emisiones volcánicas, que tienen valores de Au/Cu similares a los de las rocas magmáticas y a los de los fluidos monofásicos exsueltos de los magmas a alta presión (Fig. 5a, b).

Fig. 5: Profundidad de formación vs. Relaciones molares Cu/Au de los yacimientos de pórfidos de Cu-Au y valores medios de Sr/Y de las rocas magmáticas asociadas.
Figura5

El tamaño de los símbolos corresponde a diferentes tonelajes de cobre (a) y oro (b, c) como se indica en la leyenda. Los colores verde y azul de los símbolos se refieren respectivamente a los sistemas magmáticos calcoalcalinos (CA) y calcoalcalinos a alcalinos (K). Las barras de error asociadas a los valores de profundidad son de la ref. 28 (Datos Suplementarios 1). Las barras para los valores de Sr/Y son incertidumbres de 1 s.d. calculadas a partir de los valores disponibles de Sr/Y de las rocas magmáticas asociadas a cada yacimiento (ver Datos Suplementarios 1). Abreviaturas de los depósitos de pórfidos: Bh Bingham, BjA Bajo de la Alumbrera, Chu Chuquicamata, Dz Dizon, ES El Salvador, FSE Far Southeast-Lepanto, Gl Granisle, Grasberg, Kg Kisladag, Kj Kadjaran, Kk Kalmakyr, PEs Pampa Escondida, Png Panguna, RD Reko Diq, SR Chino/Santa Rita. Otras abreviaturas: K = Relación moral Cu/Au de rocas alcalinas; CA = Relación moral Cu/Au de rocas calcoalcalinas; PF = Relación moral Cu/Au de fluidos monofásicos de pórfido; VE = Relación moral Cu/Au de emisiones volcánicas (Tabla 2).

En contextos tardíos o posteriores a la subducción y a la colisión, los magmas ligeramente alcalinos a alcalinos están asociados a la extensión6 o a la inversión del arco en los arcos insulares más delgados26 (por ejemplo, Grasberg13,14, Bingham11 y Kisladag32). La extensión favorece el ascenso, la evolución y el emplazamiento de magmas a niveles de corteza menos profundos33,34 mientras que una corteza más delgada da lugar a niveles medios de evolución del magma menos profundos31. Los valores generales más bajos de Sr/Y (~50) de los magmas variablemente alcalinos (y algunos calcoalcalinos) asociados a los yacimientos de pórfidos ricos en Au (Fig. 1c) apoyan su evolución a niveles de la corteza menos profundos, ya que Sr/Y es un indicador de la profundidad de la evolución del magma31,35,36. Todos los depósitos de pórfidos ricos en Au asociados a magmas variablemente alcalinos se forman efectivamente en niveles de corteza poco profundos (<~3 km; Fig. 5b), muy probablemente debido a la asociación de estos magmas con contextos tectónicos (extensión) y geodinámicos (corteza más delgada) que favorecen su emplazamiento en niveles de corteza poco profundos.

En cambio, los depósitos de pórfidos asociados a rocas magmáticas calcoalcalinas abarcan un rango más amplio de profundidades de formación, pero sólo los sistemas poco profundos (<~3 km) pueden estar asociados a pórfidos ricos en Au de gran tamaño (>500-<1500 toneladas de Au) (Fig. 5b). Esto sugiere que el emplazamiento de magma a poca profundidad y la consecuente formación de sistemas ricos en Au pueden también ocurrir en asociación con magmas calcoalcalinos tanto en entornos de subducción de tipo andino (por ejemplo, los sistemas de pórfidos ricos en Au de Maricunga37), por ejemplo durante periodos extensionales intercalados dentro de un régimen compresivo general38,39, como en entornos de arco insular con corteza más delgada, por ejemplo durante la extensión paralela al arco asociada a la colisión (por ejemplo, Batu Hijau40 y Grasberg14).

En apoyo a los argumentos anteriores, los valores medios de Sr/Y tanto de los sistemas magmáticos calcoalcalinos como de los variablemente alcalinos (que son una aproximación a la profundidad media de la evolución del magma: ver arriba) se correlacionan con la profundidad de la formación de los pórfidos (Fig. 5c; la única excepción es Chino-Santa Rita): en otras palabras, cuanto más superficial o profunda es la evolución media del magma en la corteza (independientemente de la química del magma), más superficial o profundo es el emplazamiento del magma en la corteza superior y la consiguiente formación de pórfidos. Lo más probable es que esto sea una consecuencia de que ambos procesos estén controlados por el espesor de la corteza y el régimen tectónico (compresión vs. extensión).

La clara asociación de los mayores yacimientos de pórfidos ricos en Au con rocas magmáticas ligeramente alcalinas a alcalinas (Fig. 1a), no obstante, exige factores adicionales que potencien aún más su dotación de oro. Una comparación de la modelización de Monte Carlo para los sistemas alcalinos ricos en Au y calcáreos (Fig. 4a, b) sugiere que la mayor dotación de oro de los yacimientos de pórfidos ricos en Au asociados a magmas alcalinos puede explicarse por los mayores contenidos de oro en los magmas alcalinos. Otro factor que potencia las dotaciones de Au de los depósitos de pórfidos ricos en Au asociados a sistemas alcalinos podría ser la química favorable de los fluidos asociados a dichos magmas24.

Por otro lado, la evolución de los magmas de corteza somera no es favorable para la generación de los mayores volúmenes magmáticos y dotaciones de Cu posibles2,33. En consecuencia, los depósitos formados a poca profundidad no pueden alcanzar las dotaciones de Cu más destacadas (>50 Mt Cu) de los sistemas magmáticos asociados a la típica subducción de tipo andino bajo corteza continental gruesa (Fig. 1d).

Un proceso de múltiples pasos para las dotaciones de Cu-Au

Cuando la profundidad de formación de los pórfidos y la química de los magmas y fluidos asociados parecen controlar la naturaleza rica en Au vs. Mientras que la profundidad de formación de los pórfidos y la química de los magmas y fluidos asociados parecen controlar la naturaleza rica en Au frente a la rica en Cu de los yacimientos de pórfidos de Cu-Au, los incrementos de las dotaciones de Cu y Au con la duración de la deposición del mineral (Fig. 1b, d) sugieren que las dotaciones finales de Cu y Au de estos yacimientos están determinadas por el número acumulado de pasos de mineralización41,42 que en última instancia están controlados por el volumen del magma y la duración del proceso del mineral2. La diferencia es que los sistemas variablemente alcalinos y los sistemas calcoalcalinos de corteza poco profunda están inherentemente asociados a magmas, cuyos fluidos están tectónica (es decir, emplazamiento poco profundo: ref. 28) y químicamente24 optimizados para una alta eficiencia de precipitación de oro. Por el contrario, los magmas calcoalcalinos típicos (alto Sr/Y) se forman en un contexto geodinámico que favorece enormes acumulaciones de magma, necesarias para producir yacimientos behemóticos ricos en Cu2, pero se emplazan a profundidades en las que los fluidos exsueltos son menos eficientes para la precipitación de oro.

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