Geoquímica de sulfuros en el Sistema Geotermal Cerro Pabellón

Abstract

Los sulfuros son minerales comunes en sistemas geotermales activos y fósiles. Estudios recientes han mostrado que la composición y texturas de la pirita, el sulfuro más común en estos sistemas, puede entregar información clave para dilucidar la evolución de sistemas hidrotermales. A pesar de estos avances, las concentraciones y límites de incorporación de metales y metaloides en pirita de sistemas geotermales andinos no han sido acotados de manera adecuada, y la relación entre las características composicionales y micro-texturales de la pirita con procesos físicoquímicos específicos, como puede ser la ebullición, aún es un aspecto poco estudiado. En función de lo anterior, en este estudio se examinan las características composicionales y micro-texturales de la pirita del Sistema Geotermal Cerro Pabellón (SGCP), campo geotermal activo ubicado en el Altiplano del norte de Chile. Se integran datos de análisis por microsonda electrónica (EMPA) y por espectrometría de masas por plasma inductivamente acoplado utilizando ablación láser (LA-ICP-MS) con observaciones texturales de pirita y minerales de ganga asociados, en muestras obtenidas de un testigo de sondaje (~500 m) que atraviesa las zonas de alteración argílica, sub-propilítica y propilítica del SGCP. Además, se realizó análisis de componentes principales para inspeccionar la base de datos composicional de pirita. Las concentraciones de metales preciosos (Au y Ag), metales base (Cu, Co, Ni y Pb) y metaloides (As, Sb, Se, Bi y Tl) en la pirita del SGCP son significativas. Entre éstos, As, Cu y Pb son los más abundantes, con concentraciones que varían entre algunas ppm hasta niveles de wt% (hasta 4,4 wt% de As, 0,5 wt% de Cu y 0,2 wt% de Pb). La pirita formada durante ebullición vigorosa se caracteriza por tener concentraciones mayores de As, Cu, Pb, Ag y Au, y menores de Co y Ni en comparación con pirita formada en condiciones diferentes. Estos granos de pirita son anhedrales a euhedrales, localmente con textura porosa con abundantes inclusiones minerales, sugiriendo una formación por cristalización rápida. Por otro lado, la pirita formada en condiciones de ebullición suave, o de no-ebullición, se caracteriza por tener concentraciones relativamente mayores de Co y Ni, y menores de As, Cu, Pb, Ag y Au. Texturalmente, estas piritas forman agregados de cristales euhedrales y prístinos, con escasos poros e inclusiones minerales, sugiriendo una formación bajo condiciones fisicoquímicas más estables. Estos resultados sugieren que la geoquímica de la pirita de sistemas geotermales posiblemente es controlada por la incorporación de elementos a partir de los fluidos hidrotermales una vez que se alcanzan condiciones de saturación. Finalmente, se muestra que la pirita, además de poder registrar la evolución composicional de los fluidos hidrotermales, también puede proveer información crítica sobre procesos fisicoquímicos como ebullición y separación de fases. Dado que la ebullición de fluidos acuosos es un fenómeno común en sistemas geotermales activos y fósiles (depósitos epitermales de Au-Ag), estos resultados resaltan el potencial uso de la pirita como una herramienta complementaria para explorar la evolución geológica de sistemas geotermales activos, y también para vectorizar hacia mineralización de Au-Ag relacionada a ebullición en depósitos epitermales de baja a intermedia sulfuración.

Sulfides are common minerals in active and fossil geothermal systems. Recent studies have shown that the compositional and micro-textural features of pyrite, the most common sulfide in these systems, can provide key information that help elucidate the evolution of hydrothermal systems. However, linking the compositional and micro-textural features of pyrite with a specific physico-chemical process, e.g., boiling versus non-boiling, remains elusive and challenging; and, additionally, the concentrations and incorporation limits of metals and metalloids in sulfides from geothermal systems have not been properly constrained. This study examines the compositional and micro-textural features of pyrite from the Cerro Pabellón Geothermal System (SGCP), in the Altiplano of the northern Chile, by integrating electron microprobe analysis (EMPA) and laser ablation inductively coupled plasma mass spectrometry (LA-ICP-MS) data with textural observations of pyrite and associated gangue minerals recovered from a ~500 m long drill core that crosscuts the argillic, sub-propylitic and propylitic alteration zones of the CPGS. Additionally, a Principal Component Analysis (PCA) was carried out in order to inspect and understand the main data structure of the pyrite geochemical dataset. The concentrations of precious metals (Au and Ag), metalloids (As, Sb, Se, Bi and Tl), and base and heavy metals (Cu, Co, Ni and Pb) in pyrite from the CPGS are significant. Among the elements analyzed, As, Cu and Pb are the most abundant with concentrations that vary from a few parts per million (ppm) to wt% levels (up to 4.4 wt% of As, 0.5 wt% of Cu and 0.2 wt% of Pb). Pyrite formed during vigorous boiling is characterized by relatively high concentrations of As, Cu, Pb, Ag and Au and lower concentrations of Co and Ni compared to pyrite formed under different conditions. These anhedral to euhedral pyrite grains display zones with a porous texture and abundant mineral inclusions, indicating a formation by rapid crystallization. In contrast, pyrite formed under gentle boiling to non-boiling conditions is characterized by a higher concentration of Co and Ni, and relatively low concentrations of As, Cu, Pb, Ag and Au. Texturally, these pyrites form aggregates of euhedral and pristine pyrite crystals with scarce pores and mineral inclusions, suggesting formation under steadier physico-chemical conditions. These results suggest that the geochemistry of pyrite from geothermal systems possibly is controlled by the incorporation of elements from hydrothermal fluids once saturation conditions are met. Finally, it is shown that pyrite can not only record the chemical evolution of hydrothermal fluids, but can also provide critical information related to physico-chemical process such as boiling and phase separation. Since boiling of aqueous fluids is a common phenomenon occurring in active geothermal systems and their fossil counterparts (Au-Ag epithermal deposits), these results highlight the potential of pyrite as a complementary tool for exploring the evolution of active geothermal systems, and also as a vectoring tool towards boiling-related Au-Ag mineralization in low- to intermediate-sulfuration epithermal systems.