Clasificación química de rocas ígneas

Elementos mayores: > 1%

SiO2Al2O3Fe2O3FeOMgOCaONa2OK2OH2O

Elementos menores: 0.1 - 1% (Usualmente se incluyen con los elementos mayores)

TiO2MnOP2O5CO2

Elementos traza: <0.1%Se expresan en ppm (1% = 10,000 ppm)

Rb, Nb, Li, Be, La, Ce, Th, U, etc.

Relaciones isotópicas

87Sr/86Sr143Nd/144Nd207Pb/204Pb206Pb/204Pbδ18O , etc.

Análisis de rocas

Se pueden detectar elementos con número atómico 11 (sodio) a 92 (uranio) a concentraciones desde ppm hasta 100%.

Las muestras son bombardeadas con protones de alta energía (rayos X), que desplazan electrones de las capas internas del átomo.

Átomos externos ocupan los sitios vacantes dejados por los electrones desplazados, emitiendo radiación equivalente a la diferencia de energía entre los dos estados.

La longitud de onda de la radiación emitida es característica del elemento y la intensidad de la radiación es proporcional a la concentración del elemento.

Valores se comparan con valores de materiales de referencia.

Análisis de rocas

Elementos mayoresSe preparan discos fundidos usando una proporción fija de muestra:fundente. Por ejemplo 1 g de muestra + 9 g de fundente. El fundente puede ser Li2BO4:LiBO2 1:1

Elementos traza Se preparan pastillas de polvo prensadas usando un aglutinante.

Se analizan principalmente los elementos mayores. Fe se determina como Fe2O3 total.Elementos traza: Ba, Nb, Rb, Sr, Y, Zr

Fluorescencia de Rayos X

Análisis de rocas

En la técnica más convencional, la muestra se debe poner en solución usando ácidos puros, mezclas de ácidos o fundentes. La muestra en solución es introducida en un plasma con T entre 5,000 y 10,000°K, donde en milisegundos es volatilizada, las moléculas son disociadas y los átomos son ionizados y excitados.

Plasma:Gas eléctricamente neutro de muy alta temperatura que contiene moléculas, átomos, iones y electrones generados por disociación y ionización térmica.El plasma se genera por medio de la inducción de una corriente de alta frecuencia en argón ionizado.

Detección se puede hacer con:Espectrómetro de emisión atómica. Espectrómetro de masas.

Plasma Acoplado por Inducción Inductively Coupled Plasma (ICP)

MX (sln.) → MX (aerosol líq.) (nebulización) → MX (aerosol sólido) (desolvatación)→ MX(g) (volatilización)→ Mº + Xº (disociación)Mº →M+ + e- (ionización)Mº →MY (asociación)Mº → M* (g) → M + hν (excitación/emisión)

ICP-AES (OES) Espectrometría de emisión atómica (óptica) con plasma acoplado por inducciónLos átomos en la muestra son excitados, y al volver al estado basal emiten fotones de longitud de onda característica de un elemento en particular. Se usa un detector óptico para separar la radiación y determinar la intensidad de la luz emitida. El número de fotones producidos es proporcional a la concentración del elemento en la muestra. El equipo se calibra con patrones de referencia. Se pueden analizar elementos mayores y algunos elementos traza simultáneamente.

Análisis de rocas

ICP-MS Espectrometría de masas con plasma acoplado por inducción

En el plasma se genera un rayo de iones, el cual se enfoca hacia un espectrómetro de masas, que puede ser de tipo cuadrupolo o de sector magnético, donde se separan los iones de acuerdo a la relación masa/carga. La masa es una propiedad característica de cada elemento, y se emplea en esta técnica para la determinación cuantitativa (se miden isótopos).El equipo calibra con patrones de referencia.Se pueden determinar más de 70 elementos en una medición. Análisis de relaciones isotópicoas en los equipos de alta resolución.Límites de detección bajos en el rango de ppt (ng/L = 10-9g/L).

Quadrupolo(Análisis secuencial)

Sector Magnético(Multicolector)

Análisis de rocas

Espectrometría de masas de ionización térmica(Thermal ionisation mass spectrometry, TIMS)

Se usa para la determinación de relaciones isotópicas, empleando otra técnica para volatilizar y ionizar la muestra (ionización térmica en un filamento metálico de renio o tantalo). Para esta técnica, la muestra se digiere en ácidos y el elemento de interés es concentrado empleando resinas de intercambio iónico; una pequeña cantidad de muestra se coloca sobre el filamento para ser volatilizada y ionizada antes de entrar a un espectrómetro de masas de sector magnético con colectores múltiples. Se obtienen relaciones de isótopo radioactivo/ isótopo estable. Se aplica principalmente a análisis isotópicos de Sm, Nd, Sr, Th, U y Pb.

AMU: Unidades de masa atómica (suma de neutrones y protones)

Análisis de rocas

Análisis de rocasAnálisis Instrumental por Activación de Neutrones

Instrumental Neutron Activation Analysis (INAA)

En esta técnica, las muestras sólidas en polvo son irradiadas con neutrones en un reactor nuclear.

En este proceso se generan isótopos radioactivos por captura de neutrones. Durante el decaimiento de estos isótopos se emite radiación gamma de longitud de onda o energía característica para cada núclido, en tiempos de dependen de la vida media.

Al medir la radiación gamma en un espectro de longitudes de onda se obtendrán picos correspondientes a los diferentes elementos. La cantidad de radiación a una cierta longitud de onda (área del pico) es directamente proporcional a la cantidad del elemento.

Método primario. No requiere de materiales estándares de referencia.

Análisis de rocasOtros métodos analíticos

FeOEl contenido de Fe2+ en la muestra se determina con un método titrimétrico por Redox. La muestra se digiere en ácidos y se titula con una solución de Permanganato de Potasio (KMnO4).

Pérdida por ignición o pérdida por calcinación(Lost Of Ignition, LOI)El contenido de volátiles es determinado por método gravimétrico, calentando una cantidad de la muestra exactamente pesada en una mufla hasta 1000ºC, manteniendo la temperatura por 1 hora. Una vez enfriada la muestra se vuelve a pesar. De la diferencia de peso se calcula la pérdida por ignición en porcentaje.

H2O-

Agua adsorbida en la muestra (humedad). Se determina por gravimetría calentando la muestra a 110ºC por una hora.

H2O+

Agua ligada a estructuras minerales. El H2O se libera calentando la muestra a 1,100ºC y se conduce con un gas inerte a una celda de titulación (Método redox de Karl-Fisher).

SO2 + I2 + 2H2O H2SO4 + 2HI

CO2LECO: El CO2 de la muestra se libera calentando la muestra en un horno de inducción. La detección se hace en un espectrómetro de infrarrojo.

Microsonda electrónicaUn haz de electrones se enfoca en una pequeña área (µm) de una sección pulida y genera rayos X. La intensidad de la radiación se mide con espectrómetros de dispersión de longitud de onda. Se pueden obtener análisis multielementales de materiales geológicos en el rango de 100 ppm a 100%.

Ablación con láserPermite el muestreo directo de sólidos (vidrio volcánico, minerales, inclusiones fluidas) o polvos comprimidos por medio de un rayo láser. Acoplado a un ICP-MS permite el análisis de elementos en niveles traza.

Microsonda iónica sensitiva de alta resolución(Sensitive High Resolution Ion Microprobe, SHRIMP) Un haz de iones primarios de oxígeno o cesio se enfoca en la superficie (10 to 30 µm de diámetro; 0.5-1µm de profundidad) y una fracción del material dispersado se ioniza (forma iones secundaros). Se pueden analizar rocas y secciones delgadas, o granos individuales montados, cortados y pulidos para exponer su estructura interna.Permite medir composiciones isotópicas (p. ej. Sr, Pb, U, Hf, S) y hacer análisis de elementos traza. Una de las aplicaciones importantes es el fechamiento U-Th-Pb en cristales de circón, monacita, titanita, rutilo, perovskita.

Análisis de rocas

Técnicas microanalíticas

FRX ICP-AES

% %SiO2 0.01 0.01TiO2 0.01 0.001Al2O3 0.01 0.01CaO 0.01 0.01Fe2O3 0.01 0.01K2O 0.01 0.01MgO 0.01 0.01MnO 0.001 0.001Na2O 0.01 0.01P2O5 0.01 0.01

Elementos MayoresComparación de Técnicas Analíticas

FRX: No requiere disolución de la muestra, eliminan-do problemas de contaminación por reactivos.

Límites de detección

Análisis de rocas

Rango de concentración de análisis

FRX ICP-MS INAAmg/kg mg/kg mg/kg

La 0.05 0.05Ce 0.05 1Pr 0.01Nd 0.05 1Sm 0.01 0.01Eu 0.005 0.05Gd 0.01Tb 0.01 0.1Dy 0.01Ho 0.01Er 0.01Tm 0.005Tb 0.01 0.1Yb 0.01 0.05Lu 0.002 0.01

Elementos TrazaLímites de detección Límites de detección

Comparación de Técnicas Analíticas

Análisis de rocas

FRX ICP-MS INAAppm ppm ppm

Ba 5 1 20Co 5 0.1 0.1Cr 5 0.5 0.5Cs 0.05 0.2Hf 0.1 0.2Nb 2 0.1Ni 5 0.5 50Pb 5 0.5Rb 2 0.2 10Sc 1 0.01Sr 2 0.2 100Ta 0.1 0.3Th 0.1 0.1U 0.1 0.1Y 2 0.1Zr 5 1

Aseguramiento de calidad de datos analíticos

Para que un dato analítico sea completo debe incluir la incertidumbre de la medición.Por ejemplo: Ba 835 ± 15 ppm

Indicadores de la calidad de datos analíticos:

Sesgo (Exactitud)Indica la cercanía entre el valor determinado y el valor conocido (o real). Se determina por:

Análisis repetido de patrones estables (Muestras de Referencia Certificadas).Estudio de comparación entre laboratorios.

PrecisiónEs la medida de la cercanía con la que coinciden los resultados obtenidos al aplicar repetidamente el procedimiento analítico bajo ciertas condiciones. Se puede evaluar por medio de:

Análisis repetidos de un patrón estableAnálisis de duplicadosAnálisis de adiciones conocidas a blancos o muestras.

Análisis de rocas

ELEMENTOS MAYORES- Varían en un factor menor que 100

(generalmente es mucho menor que este valor).

- En general se reportan 11 elementos mayores/menores en análisis de rocas y minerales.

- Constituyentes estructurales esenciales en minerales.

ELEMENTOS TRAZA- Tienen concentraciones que pueden

variar hasta en un factor de 1,000.- Aproximadamente 90 de los

elementos químicos conocidos se presentan en rocas y minerales en niveles traza (límite arbitrario: < 0.1%; <1,000 ppm).

- En general sustituyen a elementos mayores en estructuras minerales.

250 ~0 ppm

SiO2

MgO

Elementos Mayores

Los elementos mayores controlan las fases minerales presentes a ciertas condiciones de cristalización del magma.

Para facilitar la interpretación de los datos geoquímicos se emplean:

1) Diagramas binarios (X-Y).a. Valor absoluto de los componentes químicosb. Relaciones de componentes químicos

2) Diagramas ternarios.

3) Normas que de alguna manera representan posibles modas (p. ej. CIPW).

4) Representaciones matemáticas de la información composicional

5) Modelos.

Elementos Mayores

Diagramas de variación binarios (X-Y)

En conjuntos de rocas ígneas cogenéticas (comagmáticas), los pares de óxidos están fuertemente correlacionados.Las correlaciones o tendencias se pueden generar, de forma individual o en combinación, a consecuencia de: • fusión parcial, • cristalización fraccionada, • mezcla de magmas, o • contaminación.

Generalmente se considera que las tendencias representan el curso de la evolución química de los magmas, sin embargo es más probable que representen el promedio de las tendencias de evolución de muchos lotes de magma, los cuales muy probablemente no eran idénticos en composición dando lugar a procesos de diferenciación ligeramente diferentes para cada lote.

Debido a esto y al error analítico se observa cierta dispersión de los datos.

Posibles “tendencias

”

Elementos Mayores

Tal vez, la propiedad más importante de los diagramas de Harker es la aplicación de la regla de la palanca para el balance de masa.

Si se tiene un conjunto de rocas relacionado por cristalización fraccionada, el cual presenta tendencias coherentes en diagramas de variación, se puede establecer el tipo de minerales que fraccionan.

En general, las inflexiones en las tendencias indican el inicio de cristalización de un nuevo mineral o grupo de minerales. Las inflexiones se observarán sólo para los elementos contenidos en el mineral.

Elementos Mayores

Diagramas de variación binarios (X-Y)

Diagrama TASIUGS, Le Bas et al. (1986)

Se aplica a rocas volcánicasfrescas (H2O<2% y CO2 < 0.5%)en las que no es posible determinarla composición modal.

Los análisis deben ser recalculadosal 100% en base seca (sin H2O y CO2, PPC).

Se apoya en norma CIPW.

Basalto:Basalto alcalino: ne normativaBasalto subalcalino: hy, q norm

Tefrita: < 10 % ol norm.Basanita: > 10 % ol norm.

Traquita: q < 20% en q+ab+an+orTraquidacita: q > 20% en q+ab+an+or

Clasificación de rocas volcánicas basada en la composición química de roca total

Rocas alcalinas:

• Subsaturadas en sílice

• Contienen ne normativa

• Comúnmente incluyen alguno(s)de los minerales:- Feldespatoides (nefelina, leucita)- Analcima- Feldespato alcalino- Anfíboles alcalinos- Clinopiroxenos alcalinos- Soluciones sólidas biotita-flogopita- Olivino

NO CONTIENEN:ORTOPIROXENO, CUARZO

Clasificación basada en la composición química de roca total

Series de rocas magmáticas

Subdivisión de rocas subalcalinas

Clasificación basada en la composición química de roca total

Series de rocas magmáticas

Series shoshoníticas

Saturación en sílice

En la norma CIPW:Sobresaturadas: qSaturadas: hy , hy + olSubsaturadas: ol + ne

62

Aumenta SiO / Na O2 2

Nefelina AlbitaAlbita +Nefelina

Albita +cuarzo

SUB-SATURADAS

SOBRE-SATURADASSA

TUR

AD

AS

Clasificación basada en la composición química de roca total

Saturación en alúmina

Clasificación basada en la composición química de roca total

Especialmente importante en la clasificación de rocas félsicas

Clasificación basada en la composición química de roca total

Aumenta grado de saturación en Al

Índice de saturación en alúmina:Al2O3 / (K2O+Na2O+CaO)

Las relaciones son molares!!Dividir % en peso del óxido entre el peso molecular del óxido.

Saturación en alúmina

EJEMPLO

Aplicación de elementos mayores para el volcan Kilauea, Hawaii.

Se presenta una serie de 16 análisis que representan basaltos primitivos y magmas más evolucionados . Con estos análisis se investigarán los cambios composicionales delos líquidos durante la cristalización fraccionada de varias fases fenocristalinas.

Fuente de los datos: Tabla 13-1 de Philpotts, 1990, Principles of igneous and metamorphic petrology, Prentice Hall.

Hawaii basalt data set analysesSecuencia de cristalización: OlivinoAugita

PlagioclasaEnstatitaMagnetita

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16SiO2 48.05 48.43 47.92 48.21 49.16 49.20 49.71 50.10 50.37 50.56 50.74 50.85 50.92 51.24 53.42 56.07TiO2 2.04 2.00 2.16 2.24 2.29 2.57 2.68 2.71 3.09 3.16 3.35 3.36 3.61 3.74 3.36 2.97Al2O3 10.33 10.70 10.75 11.37 13.33 12.77 13.65 13.78 14.02 13.92 13.57 14.02 13.80 13.60 13.75 13.78Fe2O3 1.34 1.15 1.08 1.50 1.31 1.50 1.19 1.89 1.88 1.78 1.36 1.90 1.85 1.87 1.96 1.93FeO 10.19 10.08 10.65 10.18 9.71 10.05 9.72 9.46 10.07 10.18 10.63 10.44 10.71 11.19 10.45 9.78MnO 0.17 0.17 0.18 0.18 0.16 0.17 0.17 0.17 0.17 0.18 0.18 0.18 0.19 0.18 0.18 0.18MgO 17.39 16.29 15.43 13.94 10.41 10.00 8.24 7.34 6.75 6.33 6.16 5.68 5.46 5.12 3.92 2.70CaO 8.14 8.67 9.33 9.74 10.93 10.75 11.59 11.46 10.39 10.24 9.94 9.71 9.45 9.03 7.75 6.54Na2O 1.66 1.71 1.79 1.89 2.15 2.12 2.26 2.25 2.35 2.61 2.69 2.77 2.80 2.81 3.34 3.86K2O 0.36 0.35 0.44 0.44 0.51 0.51 0.54 0.57 0.62 0.64 0.67 0.74 0.75 0.83 1.10 1.36P2O5 0.19 0.18 0.23 0.22 0.20 0.25 0.25 0.27 0.32 0.33 0.37 0.38 0.40 0.41 0.59 0.77Total 99.86 99.73 99.96 99.91 100.16 99.89 100.00 100.00 100.03 99.93 99.66 100.03 99.94 100.02 99.82 99.92

Mg' = Molar Mg/(Mg+Fe2+) 0.75 0.74 0.72 0.71 0.66 0.64 0.60 0.58 0.54 0.53 0.51 0.49 0.48 0.45 0.40 0.33A 7 7 8 9 12 12 13 14 15 16 17 18 18 18 24 29F 34 35 38 38 43 44 47 48 51 52 53 53 54 56 56 55M 59 57 55 53 46 44 40 37 34 32 31 29 28 26 21 15% líquido remanente (K2O) 100% 103% 82% 82% 71% 71% 67% 63% 58% 56% 54% 49% 48% 43% 33% 26%% líquido remanente (P2O5) 100% 106% 83% 86% 95% 76% 76% 70% 59% 58% 51% 50% 48% 46% 32% 25%

Norma CIPW y valores calculadosCuarzo 0 0 0 0 0 0 0 1.3 2.8 2.4 2.6 3.2 3.9 4.9 7.6 10.7Plagioclasa 39.3 40.7 40.9 43.1 49.4 47.9 50.8 51.0 51.9 52.7 52.1 53.3 52.8 52.0 53.3 54.1Ortoclasa 2.6 2.5 3.2 3.2 3.6 3.7 3.8 4.0 4.4 4.5 4.7 5.2 5.3 5.8 7.6 9.3Diopsida 14.9 16.4 19.0 19.6 20.8 21.1 22.8 22.0 17.7 18.2 18.0 16.5 16.0 15.0 11.3 8.1Hiperstena 19.8 19.7 13.8 14.8 13.3 16.9 15.1 16.2 17.2 16.0 16.5 15.2 15.1 15.2 13.2 11.2Olivino 19.2 16.8 19.0 14.8 8.5 5.4 2.7 0 0 0 0 0 0 0 0 0Ilmenita 2.6 2.5 2.7 2.8 2.8 3.2 3.3 3.3 3.8 3.9 4.1 4.1 4.4 4.6 4.0 3.5Magnetita 1.2 1.0 0.9 1.3 1.1 1.3 1.0 1.6 1.6 1.5 1.2 1.6 1.6 1.6 1.6 1.6Apatita 0.4 0.4 0.5 0.5 0.5 0.6 0.6 0.6 0.7 0.7 0.8 0.8 0.9 0.9 1.3 1.6Mg/(Mg+Fetotal) en la roca 73.1 72.3 70.3 68.3 63.0 61.0 57.6 54.0 50.6 48.9 48.1 45.5 44.0 41.5 36.4 29.5Mg/(Mg+Fe2+) en silicatos norm. 79.6 78.5 76.6 76.4 72.0 71.1 67.9 67.3 64.5 62.7 60.4 60.0 58.8 56.0 50.9 42.8Ca/(Ca+Na) en la roca 73.0 73.7 74.2 74.0 73.7 73.7 73.9 73.8 71.0 68.4 67.1 66.0 65.1 64.0 56.2 48.4Ca/(Ca+Na) en plagioclasa norm. 56.9 57.2 55.4 55.6 56.6 55.6 55.7 56.1 55.1 51.0 48.8 48.7 47.6 46.6 39.1 31.9Índice de diferenciación (norma) 42.0 43.2 44.1 46.3 53.0 51.6 54.6 56.3 59.1 59.7 59.5 61.7 62.0 62.7 68.5 74.0Densidad calculada, g/cm3 3.14 3.13 3.14 3.12 3.08 3.09 3.07 3.07 3.06 3.05 3.05 3.04 3.05 3.05 3.00 2.95

Composición de fenocristales% en peso de los óxidos mayores

Olivino Plagioclasa Augita Enstatita MagnetitaSiO2 40.01 51.50 51.20 54.10 0.10TiO2 0.04 0.12 1.11 0.27 22.70Al2O3 1.13 29.50 2.62 1.66 1.44Fe2O3 0.30 0.06 0.81 0.89 24.37FeO 12.33 0.84 9.19 10.80 46.37MnO 0.17 0.00 0.19 0.19 0.76MgO 44.77 0.09 17.10 29.40 3.18CaO 1.21 13.70 17.80 1.98 0.00Na2O 0.00 3.46 0.08 0.00 0.00K2O 0.00 0.13 0.00 0.00 0.00P2O5 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00Total 99.96 99.40 100.10 99.29 98.92Molar Mg/(Mg+Fe2+) 0.87 0.16 0.77 0.83 0.11A 0 79 0 0 0F 22 19 35 27 94M 78 2 65 73 6

Volcán Kilauea, Hawaii

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

45 50 55 60

SiO2 % peso

K2O

% p

eso

Serie Calcilalcalina

Serie Calcilalcalina

de alto K

Serie Calcilalcalinade bajo K (Tholeítica)

Serie Shoshonítica

0

2

4

6

8

10

37 42 47 52 57 62SiO2 % en peso

Na 2

O +

K2O

% e

n pe

so

Alcalino

Subalcalino

BasaltoAndesitaBasáltica

Norma CIPW:Muestras 1-7 Normativas en olivino, diópsida e hiperstena

Saturadas en síliceTholeiitas de olivino

Muestras 8-16 Normativas en cuarzo, diópsida e hiperstena Sobresaturadas en síliceTholeiitas de cuarzo

Volcán Kilauea, Hawaii

Clasificación

F

MA

MgO, Al2O3, CaO

Gráfico de tres óxidos mayores vs. el índice de evolución del magma (Mg’).

Los datos no definen líneas rectas, lo cual indica cambios en el ensamble de minerales que fraccionan.

Olivino

OlivinoAugita

OlivinoAugita

Plagioclasa

AugitaPlagioclasa

EnstatitaIlmenita

% e

n pe

so d

e lo

s óx

idos

Olivino(Mg,Fe)2SiO4

AugitaCa(Mg,Fe)Si2O6

Plagioclasa(Ca,Na)(Al,Si)4O8

Enstatita(Mg,Fe)SiO3

IlmenitaFeTiO3

Volcán Kilauea, Hawaii

TiO2, Na2O, K2O, P2O5

Olivino ± Augita ± Plagioclasa

Enstatita+ Augita

+ Plagioclasa + IlmenitaGráfico de cuatro óxidos más bien incompatibles (no entran en minerales que fraccionan).

Se observan cambios en la pendiente en magmas más evolucionados al iniciar la fraccionación de Plgioclasa e Ilmenita.

Volcán Kilauea, Hawaii

% e

n pe

so d

e lo

s óx

idos

Olivino(Mg,Fe)2SiO4

AugitaCa(Mg,Fe)Si2O6

Plagioclasa(Ca,Na)(Al,Si)4O8

Enstatita(Mg,Fe)SiO3

IlmenitaFeTiO3