Tectónica de placas y depósitos minerales

Semestre primavera 2015Paulina Durán - Joseline Tapia

Composición interna de la Tierra

● El planeta está constituido por tres capas principales que de afuera hacia adentro son: corteza, manto y núcleo.

● La corteza se divide en: continental y oceánica.

Figura 1. Estructura interna de la Tierra. Fuente: Plate tectonics, Bucknell University.

Corteza continental vs oceánica

● La corteza continental tiene un espesor promedio de 45 km.

● Tiene una densidad promedio de 2,8 g/cm3.

● La corteza oceánica tiene un grosor aprox. de 8 km.

● Tiene un alto contenido de Fe, Mg y Ca.

● Tiene una densidad de 2,9 g/cm3

Figura 2. Corteza continental vs corteza oceánica. Fuente: USGS, Earthquake Glossary - crust.

Corteza continental vs oceánica

Corteza continental Corteza oceánica

Ubicación Flota sobre el manto Subyace cuencas oceánicas

Color Claro Oscuro

Espesor 0-75 km 0-10 km

Densidad 2.7 g·cm3 3.0 g·cm3

Composición mineralógica

Rocas graníticas como granito y granodiorita, ricos en potasio (K), sodio (Na), aluminio (Al) y silicio (Si).

Rocas máficas como gabros y basaltos, ricos en magnesio (Mg) y hierro (Fe)

Teoría de la tectónica de placas● La teoría de la tectónica de placas fue forjada principalmente entre los años 50 y 60.● Se le considera la gran teoría unificadora de las Ciencias de la Tierra, ya que explica una gran

cantidad de observaciones geológicas y geofísicas de una manera coherente y elegante.

Figura 3. Placas tectónicas. Fuente: NASA, Putting earthquakes in their place.

Teoría de la tectónica de placas

● Es aquella que propone que la capa externa de la Tierra está constituida de placas individuales que interactúan en varios modos y a su vez puede producir terremotos, volcanes, montañas e igualmente la corteza terrestre.

● La tectónica de placas tiene su origen en dos teorías que le precedieron: la teoría de la deriva continental y la teoría de la expansión del fondo oceánico (repasar cátedras de MN-531).

Figura 4. Placas del cinturón de fuego del Pacífico. Fuente: Plate tectonics, Bucknell University.

Tipos de límite de placa

Figura 5. Tipos de límite de placas. Fuente: NOAA, There are three kinds of plate tectonic boundaries: divergent, convergent, and transform plate boundaries..

Límite divergente

● Dorsales meso-oceánicas

● Rifts

Figura 6. Límites divergentes. Fuente: Tectonics website, divergent boundaries..

Mapa de límites divergentes

Figura 7. Placas tectónicas. Fuente: Science10KDHS, divergent plate boundaries.

Mapa de límites divergentes

Figura 8. Expansión del fondo oceánico. Fuente: STUDYBLUE, Geology 101, seafloor spreading..

Límites divergentes

Figura 9. Límites divergentes. Izquierda: dorsal del Atlántico, derecha: Islandia. Fuente: USGS, Understanding plate motions.

Límites divergentes

Figura 10. Límites divergentes. Izquierda: fontanas de lava, volcán Krafla, Islandia; derecha: zona de fisuras de Thingvellir, Islandia. Fuente: USGS, Understanding plate motions.

Islandia

Figura 11. Islandia. Fuente: Kuriositas, A Rift Runs Through It: Iceland’s Divergence of the Plates .

Rift del E de África

● El E de África podría ser el sitio de un próximo gran océano en la Tierra.

● Las interacciones entre las placas en la región, les otorga a los científicos una oportunidad para estudiar cómo el océano Atlántico comenzó hace ∼ 200 Ma.

● Los geólogos piensan que si la separación continúa, las 3 placas que se juntan en el límite del actual continente de África, se separarán completamente, permitiendo que el Océano Índico inunde el área y haciendo que la esquina más oriental de África (el cuerno de África) se transforme en una importante isla.

Figura 12. Rift del E de África. Fuente: USGS, Understanding plate motions.

Rift del E de África

Figura 13. Límites divergentes, Rift del E de África. Izquierda: mar rojo. Fuente: NASA, Science focus: Ethiopia, Red Sea and Nile River; derecha: esquema Rift del E de África. Fuente: USGS, Understanding plate motions.

Figura 14. Límites divergentes, Rift del E de África Ethiopia. Fuente: http://ethiopiaembassy.eu/image/EthiopianRifValley.jpg

Rift del E de África

Rift del E de África

Figura 15. Límites divergentes, volcanes del Rift del E de África. Izquierda: Erta Ale; derecha: Oldoinyo Lengai. Fuente: USGS, Understanding plate motions.

Límite convergente● El tamaño de la Tierra no ha cambiado significativamente durante los últimos 600 Ma, y no mucho

desde su formación hace 4.56 Ba.● El tamaño no variable de la Tierra implica que la corteza debe destruirse a tasas similares de las

que se crea.● Dicha destrucción (reciclaje) ocurre a lo largo de límites de placa convergentes, donde las placas

se mueven hacia un punto común, y a veces una placa se hunde (se subduce) bajo la otra. Donde ocurre este hundimiento se llama zona de subducción.

Figura 16. Límite convergente, subducción corteza oceánica - corteza continental. Fuente: USGS, Understanding plate motions.

Límites convergentes

Figura 17. Límites convergentes, divergentes y transformantes. Fuente: ESRT Page 5 - Tectonic plates .

Límites convergentes

● El tipo de convergencia que toma lugar entre placas depende del tipo de litosfera involucrado.

● Puede ocurrir entre:○ Placa oceánica -

continental○ Placa oceánica - oceánica○ Placa continental -

continental.

Figura 18. Límites convergentes. (A) Corteza oceánica - corteza continental; (B) Corteza

oceánica - corteza oceánica; (C) Corteza continental - corteza continental. Fuente:

GLG110 - Continental drift and plate tectonics.

Corteza oceánica - corteza continental

● En la costa de Sudamérica a lo largo de la fosa Perú-Chile, la placa oceánica de Nazca está empujando y siendo subducida por la corteza continental Sudamericana.

● En contraparte, la placa Sudamericana está alzándose, creando la cordillera de los Andes.

● Sismos de gran magnitud y alzamiento rápido de montañas son comunes en esta región.

● A pesar que la placa de Nazca se hunde suave y continuamente en la fosa, la parte más profunda de la placa que se subduce se rompe en pequeños fragmentos que quedan atrapados por largos periodos de tiempo antes de moverse repentinamente generando los sismos, los que a menudo se encuentran acompañados de alzamiento de la corteza. Figura 19. Volcanismo de los Andes. Fuente:

CNRS, Les volcans dans les Andes.

Corteza oceánica - corteza oceánica

Así como en la convergencia oceánica-continental, cuando dos placas oceánicas convergen, una es usualmente subducida bajo la otra, y en el proceso se forma una fosa.

Figura 20. Límite convergente corteza oceánica - corteza oceánica. Fuente: USGS, Understanding plate motions.

Convergencia corteza oceánica - corteza oceánica

● La fosa de Las Marianas (paralela a las Islas Mariana), por ejemplo, marca en punto donde la placa del Pacífico converge rápidamente en contra de la lenta placa de Filipinas.

● El Challenger Deep, localizado en el límite sur de la Fosa de las Marianas, es la zona más profunda de la Tierra (~ 11,000 m), mucho mayor que la mayor altura de la Tierra, el Monte Everest (~ 8,854 m s.n.m.)

Figura 21. Fosa de las Marianas. Fuente: Wikipedia, Location of the Mariana Trench.

Convergencia corteza continental - corteza continental

Figura 22. Himalayas. Fuente: USGS, Understanding plate motions.

Los Himalayas, cuando dos continentes colisionan

● ~225 Ma atrás, India era una gran isla quieta situada cerca de la costa Australiana, y un gran océano (llamado mar de Tethys) separaba India del continente Asiático.

● Cuando PANGEA se comenzó a separar a ~200 Ma atrás, India comenzó a migrar hacia el norte. A través del estudio de la historia y el cierre del mar de Tethys, los científicos han reconstruido el viaje hacia de la India.

● A ~80 Ma atrás, India se localizaba a ~6,400 km al sur del continente de Asia, migrando hacia el norte a tasas de aprox. 9 m cada siglo.

● Cuando India colisionó Asia hace ~40-50 Ma atrás, su migración hacia el norte se pausó a cerca de la mitad.

● La colisión y la disminución asociada en las tasas del movimiento de placas se interpretan como el inicio del rápido alzamiento de los Himalayas.

Figura 23. Viaje de India hacia el norte, colisión corteza continental - corteza continental. Fuente: USGS, The Himalayas: Two continents collide.

Márgenes transformantes● La zona entre dos placas que se desplazan

horizontalmente una respecto a la otra se llama límite de falla transformante o simplemente límite transformante.

● El concepto de falla transformante nació del geofísico Canadiense J. Tuzo Wilson, quien propuso que estas grandes fallas o zonas de fractura conectan dos centros expansivos (límites de placas divergentes) o, con menos frecuencia, fosas (límites de placa convergente).

● La mayoría de las fallas transformantes se localizan en el piso oceánico. Comúnmente compensan los ridges expansivos produciendo patrones de zig zag en el fondo oceánico, y generalmente están asociados a sismos someros. Sin embargo, algunos ocurren en la superficie, por ejemplo, la zona de falla de San Andrés en California. Esta falla transformante conecta la dorsal del Pacífico Este, un límite divergente localizado al sur, con el Ridge Gorda Sur - Juan de Fuca - Explorer, otro límite divergente localizado al norte.

Figura 24. Límites transformantes, falla de San Andrés. Fuente: USGS, Understanding plate motions.

Límites transformantes

Figura 25. Límites transformantes. Izquierda, falla de San Andrés, mapa de probabilidades de sismo. Fuente: Southern California Earthquake Center, USGS, CGS. Derecha, falla Alpina. Fuente: OTC, Alpine Fault earthquake talk.

Tectónica de placas y depósitos minerales

Figura 26. Provincia metalogénica. Fuente: Geology Indonesia, Metallogenic Province.

Depósitos minerales y tectónica de placas

Figura 27. Régimen tectónico y depósitos minerales. Fuente: USGS, Geology and Nonfuel Mineral Deposits of Africa and the Middle East.

La tectónica de placas, así como la evolución cortical, entrega información base para comprender la distribución y origen de los depósitos minerales y energéticos.

Generalidades

● La relación entre tectónica de placas y depósitos minerales es significativa en tres términos:

○ Procesos geológicos operando debido a liberación de energía en límites de placa controlan el procesos de la deposición de minerales

○ Los depósitos minerales se forman en ambientes tectónicos particulares los que están gobernados por la tectónica de placas

○ La reconstrucción de fragmentos de continentes puede darnos una base útil para la exploración de nuevos depósitos minerales

Figura 28. Geología y tectónica de África y el Medio Oriente. Fuente: USGS, Geology and Nonfuel Mineral Deposits of Africa

and the Middle East.

Límites divergentes

● Varios requerimientos pueden ser necesarios en cualquier ambiente tectónico para la producción y acumulación de minerales.

● Algunos de estos ambientes tectónicos cumplen con estos requisitos.

● La actividad hidrotermal en zonas de ridge da origen a:

○ Depósitos de sulfuros○ Sedimentos

metalíferos en los flancos de los ridges

Figura 29. Sulfuro masivo volcanogénico (VMS). Fuente: Geological Association of Canada, Mineral Deposits of Canada, Volcanogenic-associated massive

sulfide deposits (VMS).

Límites divergentes

● Depósitos importantes que se forman en estas circunstancias son de Fe, Zn, Cu, Pb, Au y Ag.

● En el Mar Rojo, actualmente se depositan sedimentos metalíferos que contienen Fe, Zn y Cu.

● Depósitos de óxidos de Mn son importantes en algunos ridges, por eg. el campo hidrotermal de TAG en la Dorsal del Atlántico.

Figura 30. Sulfuro masivo volcanogénico (VMS). Fuente: Precious metals from deep-sea vents.

Límites divergentes

● Rocas ultramáficas en ofiolitas que contienen menas de asbestos, cromitas y níquel. Estos depósitos son generalmente accesibles en cinturones orogénicos del Fanerozoico en los sitios donde se han transportado debido al movimiento de las placas.

● Depósitos de cromitas asociados a rocas ultramáficas serpentinitizadas.

Figura 31. Modelo del emplazamiento del set ofiolítico Bou-Azzer. 700-750 Ma: subducción con manteo hacia el norte del océano Pan-Africano. 680-660 MA: Formación de mélange y facies de metamorfismo de esquisto verde durante la obducción y arreglo de terreno. 650-640 Ma: magmatismo syn-colisional cortando las estructuras más tempranas. Se asume un continente al norte

basado en la ausencia de corteza oceánica de la edad de Pan-Africa al norte de Bou-Azzer. Fuente: Bou-Azzer, ophiolites.

Límites divergentes

Figura 32. Ofiolitas. Izquierda, esquema que indica la formación de una ofiolita; derecha, secuencia de rocas característica de las ofiolitas. Fuente: OSU, ophiolites.

Límites divergentes

● Depósitos de sulfuro masivo (ricos en Cu-Fe) Tipo Chipre también se asocian con ofiolitas y representan depósitos hidrotermales formados en dorsales oceánicas.

● Varios tipos de depósitos minerales parecen tener una relación genética con la pluma mantélica por sí misma, o con las huellas que ésta produce.

Figura 33. Ofiolita, mina de Cu en Chipre. Fuente: Ophiolites, A Bit of Seafloor Thrust Up Onto Continents.

Límites convergentes

● Los depósitos minerales comúnmente se encuentran en ambos, límites de placa continental y arcos de isla.

● A lo largo de la zona circumpacífica se presentan importantes depósitos minerales en el occidente de norte y sur américa, Japón, Filipinas, Nueva Zelanda e Indonesia.

Figura 34. Cinturón o anillo de fuego del Pacífico. Fuente: Britannica.com, Ring of Fire.

Límites convergentes

● Más de la mitad del cobre mundial proviene de los depósitos tipo Pórfido de Cu de esta región.

● Depósitos importantes que se han asociado a márgenes convergentes del pasado y actuales son:

○ Metales base (Cu, Pb, Zn, Mo)○ Metales preciosos (Pt, Au, Ag)○ Otros metales (Sn, W, Sb, Hg)○ Depósitos de uranio en Red Bed

también se han asociado a límites convergentes (e.g. SW de los EEUU)

Figura 35. Diagrama del sistema mineral relacionado a pórfidos ilustrando la ubicación relativa de los tipos de

depósitos en el ambiente geológico general de estos sistemas y la distribución aproximada de commodities críticos y otros alrededor de estos depósitos. Fuente:

Australian government, Porphyry-epithermal mineral system.

Límites convergentes

● La zonación de depósitos minerales formados en varios límites de placas convergentes parece aparente.

● Por e.g. en los Andes, de oeste a este, las zonas que se encuentran son:

○ Depósitos de Fe metasomáticos○ Vetas de Cu-Ag y Ag○ Depósitos tipo pórfido de Cu-Mo○ Vetas de Pb-Zn-Ag y depósitos

de contacto metasomático○ Depósitos de Sn

Figura 36. Depósitos minerales de oro de los Andes Centrales. Fuente: Université de Geneve, Late Paleozoic

orogenic gold deposits in the Central Andes, South America .

Límites convergentes

● Estas zonas son producto de la progresiva liberación de metales desde la zona de la placa subductante, con el Sn proviniendo de una profundidad de 300 km.

● Los metales derivan de una combinación de placa subductante y la cuña mantélica sobre-yacente.

Figura 37. Ilustración esquemática de los modos en que se forman los depósitos tipo pórfido cuprífero y epitermales de oro. LS: baja sulfuración, HS: alta sulfuración, IS: sulfuración intermedia. Los cuadros morados destacan cualidades o

procesos que pueden producir depósitos gigantes. Fuente: Nature, Richards, J. (2013).

Límites convergentes

● Estos elementos ascienden a través de magmas o fluidos y posteriormente se concentran en fluidos hidrotermales y magmáticos.

● El petróleo se presenta en cuencas de trasarco en márgenes convergentes donde la materia orgánica ha quedado entrampada y hay ausencia de oxígeno, lo que previene procesos de oxidación. El calor geotermal facilita la conversión de materia orgánica en petróleo, y la deformación forma trampas para la acumulación de petróleo.

● Los campos geotermales también se presentan en márgenes convergentes.

Figura 38. Geysers del Tatio. Fuente: Gerard Prins, Land of the living mountains.

Límites convergentes● Una variedad de ambientes tectónicos existe a lo largo de límites de placa de colisión. La

mayoría de los depósitos que se presenta en estos ambientes se han formado en una enorme diversidad de ambientes tectónicos y has sido transportados a las zonas de colisión.

Figura 39. Régimen tectónico y depósitos minerales. Fuente: USGS, Geology and Nonfuel Mineral Deposits of Africa and the Middle East.

Límites convergentes

● En consecuencia, una gran variedad de depósitos metálicos son abundantes en estas zonas:

○ Depósitos relacionados con ridge oceánicos (ofiolitas)○ Aquellos asociados con límites de placa convergentes○ Depósitos minerales asociados con ambientes cratónicos○ Depósitos minerales asociados con rifts continentales○ Depósitos relacionados genéticamente con zonas de colisión son

los de hidrocarburos que se pueden acumular en las cuencas de antepaís asociadas con dichas zonas. Eg. El Golfo Persa de la sutura de Zagros en Irán.