Cretaceous Cu(-Fe) mineralization in the Punta del Cobre belt, Northern Chile

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Thesis

Reference

Cretaceous Cu(-Fe) mineralization in the Punta del Cobre belt, Northern Chile

MARSCHIK, Robert

Abstract

Les dépôts de Cu(-Fe) de la ceinture de Punta del Cobre sont encaissés dans la Formation Punta del Cobre, d'âge pré-Valangien supérieur, au sud de Copiapó. La minéralisation est spatialement associée à un métasomatisme hydrothermal sodique et potassique. A l'altération hydrothermale se superpose un métamorphisme de contact du batholite d'âge Crétacé moyen (âges K-Ar publiés vont de 119 Ma à 97 Ma), qui affleure à l'ouest de la ceinture. Le type de l'altération, la géométrie des corps minéralisés, les températures de formation du gisement (400° à 500°C) et l'âge de la biotite hydrothermale (114.9±0.5 Ma) indiquent une association de la minéralisation avec les premiers stades de la mise en place du batholite. La signature isotopique du soufre fournie par la chalcopyrite et par la pyrite (@D[34]S -0.7 à +1.1 %o) ainsi que les inclusions fluides salines (29 à 34 wt. % NaCl[equiv]) de la calcite post-minéralisation, pourraient indiquer que les intrusions n'aient pas simplement agi comme source de chaleur, mais encore qu'elles aient contribué avec des fluides magmatiques.

MARSCHIK, Robert. Cretaceous Cu(-Fe) mineralization in the Punta del Cobre belt, Northern Chile. Thèse de doctorat : Univ. Genève, 1996, no. Sc. 2827

DOI : 10.13097/archive-ouverte/unige:98570

Available at:

http://archive-ouverte.unige.ch/unige:98570

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UNIVERSITE DE GENEVE Departement de Mineralogie

FACULTE DES SCIENCES Professeur Llufs Fontbote

Cretaceous Cu( -Fe) mineralization in the Punta del Cobre belt, northern Chile

THESE '

presentee a Ia Faculte des Sciences de l'Universite de Geneve pour obtenir le grade de Docteur es Sciences,

mention Sciences de Ia Terre

par

Robert MARSCHIK de

Heidelberg (Republique Federale d' Allemagne)

These No 2827

Geneve

1996

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(Departement de mlneralogie), C. HEINRICH, professeur (lsotopengeologle. Mineralische Rohstoffe. Dept. Erdwlssenschaften (D-ERDW), NO F 56- ETH ZOrich) et J.W. HEDENQUIST.

docteur (Geological Survey of Japan -Tsukuba. lbarakl. Japon), autorise !'impression de Ia presente these. sans exprlmer d'opinlon sur les propositions qui y sont enoncees.

Geneve. le 2 juillet 1996

These - 2827 -

le Doyen, Eric DOELKER

Marschik, R.: Cretaceous Cu(-Fe) mineralization in the Punta del Cobre belt, northern Chile.

Terre & Environment. vol. 5, xv + 200 pp. (1996)

ISBN 2-940153-04-3

Section des Sciences de Ia Terre, Universite de Gen~ve, 13 rue des Maraichers, CH-1211 Geneve 4, Suisse Telephone: +41-22-702 6111, Telcfax: +41-22-320 5732

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v

ACKNOWLEDGMENTS

I thank Prof. L. Fontbote who offered me this Ph.D. project. I am very thankful for his supervision, suggestions and the constructive discussions.

I am particularly indebted to Dr. J. Hedenquist, Prof. C. Heinrich, and Prof. M. Dungan for critical reading and improvement of the manuscript.

At the beginning of this project I received considerable support from Prof. H.

Schleicher (University of Hamburg) and Dr. H. Schonfelder (University of Stuttgart). I am very grateful to Prof. J. Frutos and Dr. M. Pincheira who invited my to stay at the Instituto de Geologia Econ6mica Aplicada (G.E.A.), University of Concepcion.

During the field work I experienced the hospitality and support of Dr. H. Sylvester, Dr.

K. Eppinger, and R. Cespedes and their families for which I am very grateful.

I thank the managements and geologists of all the companies which allowed access to their properties. Important parts of this thesis are influenced by the discussion with geologists and colleagues who also contributed with their observations. In particular I like to thank 0. Rodriguez C., P. Anguita V., L. Maldonado B., (Cia. Minera Copiap6/COMINOR), M. Miyoshi and Dr. M. Furuno (Nittetsu Mining Co. Ltd.), Dr. Y.

Watanabe (Geological Survey of Japan), R. Jenkins (Phelps Dodge, Chile), I. Urqueta, E.

Nunez R., and P. Flores (Cia. Minera Ojos del Salado S.A.), J. Ponce S., L. Bordonnes, G.

Arce, D. N. Jones, L. Guerrero, and P. Valle, as well as R. Oetiker, C. Bordonnes, R.

Osorio and L. Oviedo (Sociedad Punta del Cobre S.A.), and Dr. N. Pop (Sociedad Contractual Minera Carola) for stimulating discussions. I also like to express my thanks for the logistic support provided by the Departamento de Ingenelia de Minas, Universidad de Atacama, Copiap6.

Completing this research project was only made possible with the considerable help of many friends and colleagues which is gratefully acknowledged. Many of the thin sections and polished slabs were prepared by J. UlTutia, E. Navarette, and L. Romero at G.E.A. and J.-M. Boccard and F. Gischig at Geneva. First microprobe analyses were already carried out in Chile by L. Hermindez (G.E.A.) and then completed at the University of Lausanne with the help of Dr. F. Bussy (University of Lausanne) and Dr. T. Feeley (University of Geneva). The X-ray diffraction analyses were carried out with the help of Dr. P. Thelin and V. Dufresne (University of Lausanne). REE analyses were performed by Dr. P. Voldet (University of Geneva). Dr. B. Singer, M. Fen·es, and 0. Parlak contributed with 40Arf39Ar analyses. Most of the X-ray fluorescence analyses were carried out by F. Capponi and as well as by F. Lieben and M. Doppler (University of Geneva) in the laboratories of Prof. H.- P. Pfeiffer at Lausanne and Prof. M. Delaloy at Geneva. I also would like to thank Dr. R.

Martini, A. Loi and S. Jordi for their conuibution to this work.

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The collaboration with Prof. F. Munizaga (Universidad de Chile, Santiago), Prof. C.

Tassinari (University of Sao Paulo), Dr. B. Singer and Dr. R. Moritz (University of Geneva), as well as the encouraging discussions with 0. Rabbia (G.E.A.), Dr. T. Feeley, Dr. T. Boundy, Dr. J. Spangenberg, M. Doppler, and F. Lieben (University of Geneva) improved the interpretations presented.

I would like to thank E. Codocedo (Sociedad Punta del Cobre S.A.), X. Soto, R.

Iribarra, and X. Bruna (G.E.A.) and J. Berthoud (University of Geneva) as well as L.

Henriquez (University of Concepci6n) and N. Rihs, L. Scilacci, C. Ormond, and S. Fowler (University of Geneve) for their help.

The financial support by the Deutsche Akademische Austauschdienst (DAAD) and the Swiss National Science Foundation, grants 20-36397.92 and 2000-040575.94 is gratefully acknowledged.

I would like to thank all my friends in Chile and Switzerland for their support and stimulations. I am indebted to Ana Alexandra Nova for her help and encouragement. Last but not least I deeply thank Merce Fern~s as well as my family for their patience and constant support.

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Vll

MINERALISATION EN Cu(-Fe) DANS LE CRETACE DE LA CEINTURE DE PUNTA DEL COBRE, NORD DU CHILI

Les depots de Cu(-Fe) de la ceinture de Punta del Cobre sont encaisses dans la Formation Punta del Cobre, d' age pre-Valangien superieur et essentiellement volcanique, qui est exposee au coeur de I' anticlinal de Tierra Amarilla, au sud de Copiap6. La Formation Punta del Cobre repose sur des calcaires neocomiennes (groupe Chafiarcillo), deposees dans le bassin marin Andin d'arriere-arc. Des conditions continentales se seraient etabli pendant le Cretace moyen, comme consequence de I' uplift regional. Formant par1ie du batholite mis en place pendant le Cretace moyen, des diorites, granodiorites et quartz-monzonites, essentiellement, auraient intmde les roches Neocomiennes de la partie Ouest de la ceinture, en causant un intense metamorphisme de contact.

Dans la ceinture de Punta del Cobre, le cuivre est exploite dans des corps en breches, des veines, des stockwork et des mantos, essentiellement dans les districts de Punta del Cobre et de Ladrillos, ainsi que dans la nouvelle mine La Candelaria, dans le district de Ojancos Nuevo. La mineralisation se caracterise par un par un simple assemblage mineral hypogene qui comprend de la chalcopyrite, de la pyrite, de la magnetite, et de !'hematite. La loi moyenne du Cu est d'environ 1.1

a

2% et peut atteindre plus de 8% dans les veines. De la magnetite massive se trouve sous forme de veines et de corps irreguliers. Dans les districts de Punta del Cobre et de Ladrillos, la mineralisation est contrOlee par des structures de direction NNW

a

^NW.

L'aire couverte par ce travails comprend la plupart des affleurements connus de la Formation Punta del Cobre, ainsi que les mines des districts de Punta del Cobre et de Ladrillos. Le depot de La Candelaria n'est pas inclus, mais les donnees disponibles concernant ce depot ont ete integrees. Ce travail porte sur la caracterisation et 1' age du systeme hydrothermal responsable de la mineralisation et de I' alteration de la ceinture de Punta del Cobre. La sous-division de la Formation Punta del Cobre est discutee et de nouvelles unites sont introduites.

La partie inferieure de la Formation Punta del Cobre est constituee par des roches volcaniques calcoalcalines alterees: des andesites (Lavas Inferiores, Kpcli) et des dacites ("Albit6firo", Kpcfa). Sur une breche rouge, volcaniclastique ala partie inferieure (Breche Basale, Kpcsb), suit une sequence sedimentaire principalement continentale, composee essentiellement par des siltstone, des cherts et des calcaires (Membre Trinidad, Kpcs). La partie superieure de la formation consiste en des basaltes a des andesites basaltiques qui

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montrent en partie une signature de type MORB, et des tufs et des tuffites (Lavas Superiores, Kpcls). A la partie Sud de l'aire etudiee, Ia Formation Punta del Cobre est representee par la Sequence Quebrada Los Algarrobos (Kpcla), formee par des roches volcaniclastiques, des andesites basaltiques, des andesites et les Lavas Superiores.

Sur les roches volcaniques de la Formation Punta del Cobre, le metamorphisme de contact s'exprime sur trois zones d'alteration paralleles, qui se superposent largement, et qui se caracterisent, d'Ouest

a

Est, par les suivants assemblages de mineraux d'alteration: (a) amphibole calcique ± biotite ± sericite, (b) biotite ±chlorite ±sericite ±epidote (zone discontinue), et (c) epidote-chlorite± quartz, ±calcite. Ces zones se superposent

a

^des

centres preexistants de metasomatisme alcalin, au cours du quel un premier episode de metasomatisme sodique fut ensuite localement suivi d'une alteration potassique. La mineralisation est spatialement associee au metasomatisme alcalin et, en particulier, a 1' alteration potassique.

Les relations isotopiques du soufre obtenues sur de la chalcopyrite et de Ia pyrite donnent des valeurs de B34S comprises entre -0.7 et + 1.1 %o, ce qui indique que le soufre aurait ete lixivie par les roches ignees sous-jacentes ou amene par des fluides magmatiques.

Une datation 40Arf39Ar par rechauffement progressif sur de la biotite hydrothermale, consideree synchrone ala mineralisation en Cu(-Fe), donne un age de 114.9±0.5 Ma par la methode de l'isochrone inverse. Cet age est en accord avec les donnees suivantes foumies par F. Munizaga etC. Tassinari (comm. ecrite). L'analyse des biotites par la technique 40Arf39Ar mais par fusion totale au rayon laser donne des ages compris entre 114.6±0.8 Ma et 111.2±0.9 Ma. Une isochrone Rb-Sr de 116.8±1.4 Ma a ete calculee a partir de 7 echantillons de roche totale.

Les fluides dans les inclusions des calcites post-mineralisation montrent des teneurs de salinite comprises entre 29 et 34 wt.% NaClequiv. et contiennent de 12 a 24 wt.% NaCI et de 13

a

23 wt.% CaCl_2.Si on assume un enfouissement d'entre 2 et 3 Km pendant le Cretace moyen, les temperatures de fonnation corrigees pour la calcite post-mineralisation seraient de 125° a 175°C pour des conditions de pression hydrostatique et de 150° a 205°C pour des conditions de pression lithostatique.

Le modele de !'alteration, Ia geometrie des corps mineralises, les temperatures de formation du gisement d'environ 400°

a

500°C determinees precedemment et l'age de I' alteration potassique indiquent une association de la mineralisation avec les premiers stades de la mise en place du batholite d'age Cretace moyen (ages K-Ar publiees de 119 Ma a 97 Ma). La signature isotopique du soufre fournie par la chalcopy1ite et par la pyrite, ainsi que les inclusions fluides salines de Ia calcite post-mineralisation, pourraient impliquer que les intrusions n'aient pas simplement agit comme source de chaleur, mais encore qu'elles aient contribue avec des fluides magmatiques. Sans exclure que la ceinture de Punta del Cobre puisse representer une partie exteme d'un systeme similaire aux porphyres cupriferes, Ia

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grande quantite de magnetite trouvee dans les depots de Punta del Cobre permets une comparaison avec les depots de magnetite(-apatite) de la ceinture de fer du Chili, qui montrent des temperatures et des ages de mineralisation similaires, et qui sont encaisses dans des roches neocomiennes au voisinage d'intrusions mises en place au Cretace moyen. Ces depots de magnetite(-apatite) se caracterisent frequemment par la presence de parageneses de type skarn. Dans un schema qui considererait comme termes extremes les depots en porphyres cupriferes, les depots de magnetite(-apatite) et les skarns de Feet Cu-Fe, le district de Punta del Cobre est genetiquement interprete comme transitionnel entre les depots de Ia ceinture de fer du Chili et les porphyres cuprireres Andins.

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ABSTRACT

CRETACEOUS Cu(-Fe) MINERALIZATION IN THE PUNTA DEL COBRE BELT, NORTHERN CHILE

The Cu(-Fe) deposits of the Punta del Cobre belt are hosted by the largely volcanic pre- upper Valanginian Punta del Cobre Formation, which is exposed in the core of the Tierra Amarilla anticline, south of Copiap6. The Punta del Cobre Formation underlies Neocomian limestones of the Chafi.arcillo Group, which were deposited in the marine Andean backarc basin. Continental conditions established in middle Cretaceous as a result of regional uplift.

Middle Cretaceous intrusive rocks of mainly dimitic, granodioritic, and quartz monzonitic composition, which form the batholith in the Copiap6 area, were emplaced into the Neocomian rocks in the western pmt of the belt causing intense contact metamorphism.

Copper is mined in the Punta del Cobre belt from breccia bodies, veins, stockwork, and mantas mainly in the Punta del Cobre and Ladrillos districts as well as in the new La Candelaria mine in the Ojancos Nuevo district. The mineralization is characterized by a simple hypogene mineral assemblage of chalcopyrite, pyrite, magnetite, and hematite.

Average Cu grades are about 1.1 to 2% and may reach more than 8% in veins. Massive magnetite occurs as veins and irregular shaped bodies. In the Punta del Cobre and Ladrillos districts the mineralization is controlled by NNW to NW -trending stmctures.

The area covered by the present investigation comprises most of the known outcrops of the Punta del Cobre Formation as well as the mines in the Punta del Cobre and Ladrillos districts. It does not include the La Candelaria deposit, although available data for this deposit are integrated. The present work focuses on the characterization and age of the hydrothermal system responsible for the mineralization and alteration in the Punta del Cobre belt. A subdivision of the Punta del Cobre Formation is discussed and new units are introduced.

The lower part of the Punta del Cobre Fmmation consists of altered calc-alkaline andesitic (Lavas Inferiores, Kpcli) and dacitic ("Albit6firo", Kpcfa) volcanic rocks. Above a red, in the lower part volcaniclastic, breccia (Basal Breccia, Kpcsb) follows a mainly continental sedimentary sequence consisting essentially of siltstone, chert, and limestone (Trinidad Member, Kpcs). Basalts to basaltic andesites, in part with chemical affinities to mid-ocean ridge basalts, tuffs and reworked tuffs form the upper part of the formation (Lavas Superiores, Kpcls). In the southern part of the study area the Punta del Cobre Formation is represented by the Quebrada Los Algarrobos Sequence (Kpcla), consisting of volcaniclastic rocks, basaltic andesites and andesites, and the Lavas Superiores.

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Contact metamorphism is expressed in the volcanic rocks of the Punta del Cobre Formation as parallel largely overlapping alteration zones that are characterized, from west to east, by the alteration mineral assemblages: (a) Ca-amphibole ± biotite± sericite, (a) biotite

±chlorite ±sericite ±epidote (discontinuous zone), and (c) epidote-chlorite ±quartz,

±calcite. These three zones are superposed on pre-existing centers of alkali metasomatism, in which an early episode of sodium metasomatism was locally followed by potassic alteration. Mineralization is spatially associated with alkali metasomatism and in particular potassic alteration.

Sulfur isotope ratios from chalcopyrite and pyrite show a narrow range in 834S values between -0.7 and +1.1 %o. These data suggest that sulfur was leached from the underlying igneous rocks or contiibuted by magmatic fluids.

A 40 Arf39 Ar incremental-heating experiment on hydrothermal biotite, interpreted to have formed synchronous with the Cu(-Fe) mineralization, yields an inverse isochron age of 114.9±0.5 Ma. This age is consistent with the following data provided by F. Munizaga and C. Tassinari (wlitten commun.). Laser total-fusion 40 Arf39 Ar analyses of biotite yielded ages ranging from 114.6±0.8 Ma to 111.2±0.9 Ma. An Rb-Sr isochron of 116.8±1.4 Ma was calculated from seven whole-rock samples.

Fluids in inclusions hosted by postore calcite have salinities between 29 and 34 wt.%

NaClequiv. and contain 12 to 24 wt.% NaCl and 13 to 23 wt.% CaCl2. Assuming burial between 2 and 3 km in the middle Cretaceous, the C01Tected fmmation temperatures for postore calcite lie between 125° and 175°C for hydrostatic, and 150° and 205°C for lithostatic pressure conditions.

The alteration pattern, geometry of the orebodies, previously detetmined ore formation temperatures of about 400° to 500°C, and the age of potassic alteration, all indicate a mineralization event that is related to the early stages of batholith fmmation in the Punta del Cobre area (published K-Ar ages for the middle Cretaceous batholith range from 119 to 97 Ma). The sulfur isotope compositions of chalcopyrite and pyrite and saline fluid inclusions of post-ore calcite may indicate that these intrusion(s) not only provided heat but also contributed with magmatic fluids. Not excluding that the Punta del Cobre belt could represent an external part of a system similar to those known from porphyry copper deposits, the large amounts of magnetite found in the ore of the Punta del Cobre belt suggest a comparison with the magnetite( -apatite) deposits of the "Chilean iron belt", which show similar mineralization temperatures and ages, and are hosted by Neocomian rocks in the vicinity of middle Cretaceous intrusions. These magnetite( -apatite) deposits are frequently characterized by the presence of skarn parageneses. In a scheme considering porphyry copper deposits, magnetite(-apatite) deposits, and Fe and Cu-Fe skarns as endmembers, the Punta del Cobre district is interpreted to genetically occupy a transitional position between the "Chilean iron belt" and Andean porphyry copper deposits.

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RESUMEN

LA MINERALIZACION DE Cu(-Fe) DEL CINTURON PUNTA DEL COBRE, NORTE DE CHILE

Los depositos de Cu(-Fe) del cintur6n Punta del Cobre estan hospedados en la Fonnaci6n Punta del Cobre, de edad pre-Valanginiense superior y esencialmente volcanica, la cual se halla expuesta en el nucleo del anticlinal Tierra Amarilla, al sur de Copiap6. Sobre la Formaci6n Punta del Cobre yacen calizas neocomianas (Grupo Chafiarcillo) depositadas en la cuenca marina Andina de tras-arco. Las condiciones continentales se establecieron durante el Cretacico medio, como resultado del uplift regional. Un conjunto de intrusiones principalmente dioriticas, granodioriticas y cuarzo-monzonfticas, pettenecientes al batolito de edad Cretacico medio, se emplazaron en las rocas neocomianas en la prute oeste del cintur6n, causando un intenso metammfismo de contacto.

En el cintur6n Punta del Cobre, el cobre se explota en cuerpos de brecha, vetas, stockworks y mantos, principalmente en los distritos Punta del Cobre y Ladrillos, asf como en la nueva mina La Candelaria en el distrito Ojancos Nuevo. La mineralizaci6n se caracteriza por una sencilla composici6n mineral6gica hipogenica compuesta por calcopirita, pirita, magnetita y hematita. La ley media del cobre es de alrededor del 1.1 al 2% y puede llegar a alcanzar el8% en las vetas. Tambien se halla magnetita masiva en vetas yen cuerpos irregulares. En los distritos Punta del Cobre y Ladrillos, la mineralizaci6n esta controlada por estructuras de direcci6n NNW a NW.

El area cubierta por la presente investigaci6n comprende la mayoria de los afloramientos conocidos de la Fmmaci6n Punta del Cobre, asf como las minas de los distritos Punta del Cobre y Ladrillos. Aunque no incluye el deposito de La Candelaria, se han integrado los datos disponibles sobre este dep6sito. En el presente trabajo trata de la caracterizaci6n y la edad del sistema hidrotennal responsable de la mineralizaci6n y de la alteraci6n en el cintur6n Punta del Cobre. Se discute la subdivisi6n de la Fmmaci6n Punta del Cobre, para la cual se introducen nuevas unidades.

La parte inferior de la Formaci6n Punta del Cobre consiste en rocas volcanicas alteradas calcoalcalinas: andesitas (Lavas Inferiores, Kpcli) y dacitas ("Albit6firo", Kpcfa). Sobre una brecha roja, volcanoclastica en la parte inferior (Brecha Basal, Kpcsb), yace una secuencia sedimentaria principalmente continental que consiste esencialmente en lutitas, cherts y calizas (Miembro Trinidad, Kpcs). La patte superior de la formaci6n esta compuesta por basaltos a andesitas basalticas en parte de tipo MORB y por tobas y tufitas (Lavas Superiores, Kpcls).

En la parte sur del area estudiada, la Fmmaci6n Punta del Cobre esta representada por la

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Secuencia Quebrada Los Algarrobos (Kpcla) que consiste en rocas volcanochisticas, andesitas basalticas y andesitas y por las Lavas Supe1iores.

En las rocas volcanicas de la Fmmaci6n Punta del Cobre, el metamorfismo de contacto se expresa en tres zonas de alteraci6n, paralelas entre ellas y que se solapan arnpliamente.

Dichas zonas se caracterizan por distintas asociaciones de minerales de alteraci6n, que son, de oeste a este, (a) anffbol calcico ± biotita ± sericita, (b) biotita ± clorita ± sericita

± epidota (zona discontinua) y (c) epidota-clorita ± cuarzo ± calcita. Estas zonas se superponen a centros pre-existentes de metasomatismo alcalino, caracterizados por un primer episodic de metasomatismo s6dico localmente seguido por una alteraci6n potasica. La mineralizaci6n esta espacialmente asociada con el metasomatismo alcalino y, en particular, con la alteraci6n potasica.

Las relaciones isot6picas de azufre en calcopirita y en pirita muestran valores de o34S comprendidos entre -0.7 y + 1.1 %o, lo cual indica que el azufre debi6 ser lixiviado de las rocas fgneas subyacentes o aportado por fluidos magmaticos.

Una dataci6n 40Arf39Ar por calentamiento progresivo en biotita hidrote1mal, considerada de cristalizaci6n sincr6nica ala formaci6n de la mineralizaci6n en Cu(-Fe), da una edad de 114.9±0.5 Ma segun el metodo de la isocrona inversa. Esta edad esta de acuerdo con los datos proporcionadas por F. Munizaga y C. Tassinari (comun. escrita). Diversos amilisis 40 Arf39 Ar sobre biotitas, por fusi6n total mediante laser, dan edades comprendidas entre 114.6±0.8 May 111.2±0.9 Ma. Una isocrona Rb-Sr en roca total, de 116.8±1.4 Ma, ha sido calculada a pa1tir de siete muestras.

Las inclusiones fluidas en calcita post-mineralizaci6n tienen una salinidad comprendida entre 29 y 34% NaClequiv. y contienen de 12 a 24% NaCl y de 13 a 23% CaCl2. Asumiendo un enterramiento de entre 2 y 3 km durante el Cretacico medio, las temperaturas de formaci6n corregidas para la calcita post-mineralizaci6n estan comprendidas entre 125° y 175°C en condiciones de presi6n hidrostatica y entre 150° y 205°C en condiciones de presi6n litostatica.

El modele> de alteraci6n, Ia geometrfa de los cuerpos mineralizados, las temperaturas de formaci6n de alrededor de 400° a 500°C dete1minadas anterimmente y la edad de la alteraci6n potasica, sugieren que el evento mineralizador esta en relaci6n con las etapas tempranas de la formaci6n del batolito del Cretacico medio (las edades K-Ar publicadas del batolito estan comprendidas entre 119 May 97 Ma). Los valores isot6picos del azufre en la calcopirita yen la pirita, asf como las inclusiones fluidas salinas en la calcita post-yacimiento, podrfan indicar que dichas intrusiones no solo aportaron el calor de formaci6n para el yacimiento, sino que ademas contribuyeron con fluidos magmaticos. No se excluye que el cintur6n Punta del Cobre pudiese representar Ia parte externa de un sistema similar a un p6rfido cuprffero. Sin embargo, la abundante cantidad de magnetita de los dep6sitos de Punta del Cobre permite compararlos con los yacimientos de magnetita( -apatito) del "cintur6n Chileno

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XV

de hierro", que muestran similares temperaturas y edades de mineralizaci6n y estan igualmente hospedados por rocas neocomianas cerca de intrusiones medio-cretacicas. Dichos dep6sitos de magnetita(-apatito) se caracterizan frecuentemente por la presencia de paragenesis de skarn. En un esquema que considere como miembros extremos a p6rfidos cuprfferos, a dep6sitos de magnetita(-apatito) y a los skarns de Fey de Cu-Fe, el distrito Punta del Cobre se interpreta geneticamente como una transici6n entre el "cintur6n Chileno de hierro" y los dep6sitos Andinos en p6rfidos cuprfferos.

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CHAPITRE 1

, , ,

INTRODUCTION ET RESUME DES RESULTATS

1.1. Introduction

La ceinture de Punta del Cobre se trouve dans la region d' Atacama, pres de la ville de Copiap6 (Fig. 1.1). La ceinture comprend plusieurs depots de Cu(-Fe). A I' est de la riviere Copiap6, se trouvent le district de Punta del Cobre (dont les mines Carola, Resguardo, Santos, Socav6n Rampa et Trinidad), et le sud du district de Ladrillos (mine Mantos de Cobre, Fig. 1.2). A 1' ouest de la riviere, le nouvelle exploitation de La Candelaria se trouve dans le district de Ojancos Nuevo et d'autres depots plus petits se situent dans le district de Las Pintadas (Fig. 1.2). Les mineralisations sont encaissees dans la Formation Punta del Cobre (Ortiz et al., 1966; Camus, 1980, 1986), formation essentiellement volcanique d'age pre-Valanginien Superieur. L'activite miniere de la zone est connue depuis le 17eme siecle (Segerstrom et Ruiz, 1962). L'exploitation moderne a commence en 1929, et s'est renforcee en 1952, par l'entree en activite, respectivement, du moulin Planta Aguirre Cerda et du four du fonte Paipote (Segerstrom et Ruiz, 1962). En 1987, avec la decouverte des corps mineralises de La Candelaria, 1' exploration est tres active dans la region. Les resultats positifs de !'exploration et le debut de !'exploitation de la nouvelle mine de La Candelaria (Phelps Dodge), donnent a la ceinture de Punta del Cobre une importance economique croissante pour la production miniere du Chili.

1.2. But et organisation du travail

Ce travail de recherche a etudie !'alteration et la mineralisation en Cu(-Fe) de la ceinture de Punta del Cobre. Les questions fondamentales posees sont:

1. Quelles sont les roches hotes des gisements et sous quel environnement se sont-elles deposees?

2. Quels sont les principaux types d'alteration et quelle est leur distribution regionale?

3. QueUes sont les causes de !'alteration et comment celle-ci est liee ala mineralisation?

4. Quel est I' age de la mineralisation?

L'etude presentee est structuree en quatre chapitres. Le premier chapitre fourni une introduction et un resume des resultats obtenus. Les trois chapitres suivants sont des

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articles prets a etre SOumis, OU s'imprimant deja, chacun faisant objet d'un des aspects principaux de cette etude.

Chilo

27'S

--Road - - River

AA Mining sites 1\ (selected)

0 5

km

Figure 1.1. Localisation de Ia partie etudiee de Ia ceinture Punta del Cobre. La position des complexes intrusifs majeurs est indiquee.

Le chapitre 2 resume la geologie regionale de la region de Copiap6. Ce manuscrite intitule "The Punta del Cobre Formation, northern Chile: Stratigraphy, petrography, and its significance for the Neocomian back-arc basin formation" (auteurs: Marschik, R. et Fontbote, L.), vise a caracteriser les roches volcaniques alterees de la Formation Punta del Cobre eta detetminer leur environnement de deposition, ainsi que la paleogeographie et Ia position geotectonique de la zone pendant le Neocomien inferieur. Les contradictions qui existent dans la litterature concernant la definition de la formation Punta del Cobre sont discutees. Le chapitre 3, article intitule "Copper( -iron) mineralization and superposition of

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3

alteration events at the Punta del Cobre belt, northern Chile." (Marschik, R. et Fontbote, L., Economic Geology, Special Publication No.4, in press), etudie les modeles d'alteration et la mineralisation en Cu(-Fe) de la ceinture de Punta del Cobre. Le chapitre 4, "Age of Cu( -Fe) mineralization and thermal evolution of the Punta del Cobre district, Chile"

(auteurs: Marschik, R., Singer, B.S., Munizaga, F., Tassinari, C., Moritz, R., et Fontbote, L.), etudie l'age de la mineralisation

a

partir de diverses methodes radiometriques. Les implications sur l'histoire thermique du district de Punta del Cobre sont discutees.

L'aire etudiee n'inclue pas la mine La Candelaria, bien qu'il s'agisse du depot economiquement plus important de la ceinture. Non obstant, les donnees disponibles sur ce depot ont ete integrees et discutees.

1.3. Methodes

1.3.1. Travail sur le terrain et echantillonnage

Le travail de terrain s' est realise en collaboration avec I' "Institute de Geologia Econ6mica Aplicada", Universite de Concepcion, qui a fourni toutle support logistique pendant le sejour au Chili, depuis Septembre 1992

a

Avril 1994. Les campagnes sur le terrain se sont realisees sur environ 6 mois de travail, distribues essentiellement entre Septembre 1992 et Septembre 1993.

Plus de 550 echantillons ont ete collectes

a

travers la Region d' Atacama, entre Copiap6 et Vallenar. Ce sont surtout les formations Punta del Cobre, Bandurrias et Abundancia qui ont fait l'objet de l'echantillonnage. En particulier, sur l'aire de Copiap6, la plupart des affleurements connus et accessibles de la Formation Punta del Cobre ont ete echantillonnes.

Au district de Punta del Cobre, un total de 299 echantillons a ete collecte, aussi bien en surface que dans les mines Carola, Reguardo, Santos, Socav6n Rampa, et Trinidad. Le nombre d'echantillons collectes pour le district de Ladrillos est de 77, obtenus en surface ou dans la mine Mantas de Cobre.

Ce travail inclue, en plus des echantillons et des donnees geochimiques propres, les resultats de recherches menees anterieurement sur le disttict de Punta del Cobre par Sabine Hopf (Hopf, 1987) et Herbert Schonfelder (Schonfelder, 1990), ainsi que des analyses geochimiques recentes des roches volcaniques de la formation Bandurrias cedees par

Fran~ois Lieben (Universite de Geneve, These de Doctorat en cours).

(23)

1.3.2. Methodes analytiques

Les minerais et les mineraux d 'alteration ont ete essentiellement identifies par microscopic de lumiere reflechie et transmise, respectivement. Pour certains cas, des analyses de diffraction de rayons-X sur roche totale ont ete necessaires pour determiner les phases d'alteration, en utilisant un diffractometre Phillips PW 1710,

a

l'Universite de Lausanne.

La composition chimique des mineraux transparents (prim aires et d' alteration) a ete obtenue

a

partir des analyses realisees

a

la microsonde electronique CAMECA CAMABAX SX50 du Laboratoire de Micro-analyse Electronique, Universite de Lausanne.

Les elements majeurs et trace ont ete analyses par fluorescence de rayons-X dans les laboratoires du Departement de Mineralogic, Universite de Geneve, et du Centre d' Analyse Minerale du Departemen~ de Sciences de la Terre, Universite de Lausanne.

Les teneurs en terres rares des roches volcaniques ont ete determinees par le Dr. P.

Voldet par ICP-AES (induced coupled plasma-atomic emission spectrometry), en utilisant un Perkin-Elmer ICP-1000 au Departement de Chimie Minerale, Analytique et Appliquee, Universite de Geneve.

Les mesures de microthermometrie ont ete realisees au Departement de Mineralogic, Universite de Geneve, avec la platine

a

chauffante/refroidissante de Fluid Inc. adaptee de U.S.G.S., montee sur un microscope Leitz Laborlux S equipe d'un objectif Nikon ELWD

a

longue distance focale.

Les datations 40 Arf39 Ar par rechauffement progressif ont ete mesurees au spectrometre MAP 216 du Laboratoire de Geochronologic 40Arf39Ar du Departement de Mineralogic, Universite de Geneve.

Les isotopes du soufre ont ete analyses au Laboratoire d'Isotopes Stables du Centre Geoscientifique Ottawa-Carleton, Universite d'Ottawa.

1.4. Aspects geologiques regionaux

Pendant le Jurassique superieur-Cretace inferieur, la region de Copiap6 se trouvait

a

!'interphase entre un arc volcanique

a

I' ouest et un bassin d'arriere-arc

a

I' est (Abad, 1977;

Mercado, 1978, 1979, 1981; Mpodozis et Ramos, 1990). Pendant le Neocomien, le bassin d'arriere-arc se caracterisait par une sedimentation marine peu profonde, au sud de Copiap6 (Groupe Chaiiarcillo, Biese-Nickel, 1942; Corvalan, 1974; Jurgan 1977a, b;

Cisternas, 1986; Cisternas et Dfaz, 1990), alors que la sedimentation terrestre dominait au nord et en direction de l'arc volcanique

a

l'ouest (Formation Bandurrias, Segerstrom,

(24)

5

1960). La geometrie de l'arriere-arc etait controlee par un regime tectonique transtensionnel induit par la subduction oblique de la plaque Aluk sous le continent Sud Americain (Scheuber et Reutter, 1992). Pendant le Cretace moyen, la situation d'arc/arriere-arc est remplacee par un unique arc magmatique qui migre vers l'est (phase Peruvienne ou "Sub-hercynienne"), et un environnement uniquement terrestre s'etablit (Coira et al., 1982).

La Formation Punta del Cobre (d'epaisseur >700 m; Dfaz, 1990), qui est essentiellement volcanique et d'age Jurassique(?)-pre-Valanginien superieur, se trouve sous les sediments marins du Groupe Chafiarcillo. Ceux-ci sont d'age Valanginien superieur (Formation Abundancia) a Aptien (Formations Nantoco, Totoralillo, et Pabell6n), et atteignent une epaisseur totale d'a peu pres 2000 m (Corvahin, 1974; Jurgan, 1977a, b; Perez et al., 1990).

Sur le Groupe Chafiarcillo repose, discordante, la Formation Cerrillos, d'age Cretace superieur. 11 s'agit d'une sequence continentale en forme de lentille d'une epaisseur maximale de 4500 m (Segerstrom et Parker, 1959), formee par des gres, des conglomerats, des laves andesitiques. des tuffs, et des breches volcaniclastiques.

L'interaction de la sedimentation continentale posterieure avec la denudation, ont proportionne la topographie actuelle. Quatre episodes de !'evolution du paysage sont reconnus (Sillitoe et al., 1968; Mortimer, 1973). Vers le Tertiaire moyen, le niveau d'erosion etait proche de la surface actuelle. De grandes parties de la Region d' Atacama ont ete couvertes par des depots alluvionnaires d'age Miocene ("Gravas de Atacama"), lesquels, sur 1' aire de Punta del Cobre, se preservent com me terrasses a graviers (Segerstrom, 1967; Mortimer, 1973).

Farrar et al. (1970) ont documente l'histoire magmatique de la Region d' Atacama. La technique K-Ar leur a permis de mettre en evidence cinq episodes intrusifs distincts, d'ages Permien, Jurassique inferieur, Cretace moyen, Paleocene inferieur et Eocene superieur. La migration du front magmatique vers l'est, depuis le Jurassique inferieur jusqu'a !'Eocene superieur, est indiquee par les ages progressivement plus recents des intrusions, depuis la region de la cote actuelle vers la Cordillere Andine. Vers 1e Cretace moyen, l'activite magmatique se situait ala longitude de Copiap6 (Fig. 1.1). Dans l'aire de Punta del Cobre, les ages K-Ar du batholite du Cretace moyen vont de 119 Ma a 97 Ma (Farrar et a1, 1970; Zentilli, 1974; Arevalo 1994, 1995); un age K-Ar de 69 Ma sur hornblende a ete determine pour une granodiorite qui intrude ces roches du batholite.

Dans la region de Punta del Cobre, !'evolution magmatique du batholite pendant le Cretace moyen, a ete etudiee par Tilling (1962, 1963a, 1976). Les intrusions comprennent depuis des meladiorites jusqu'a des granites albitiques sodiques, avec predominance de diorites et d'adamcllites (Tilling, 1963a, 1976). Lcs relations sur le terrain montrent que les facies plus acides intrudent generalement 1es facies plus basiques. Des dykes de lamprophyres d'age inconnu recoupent !'ensemble des roches intrusives.

(25)

Au bord de la marge Est du batholite, des zones de cisaillement et des roches intrusives brechifiees aux contacts subverticaux suggerent un mecanisme de mise en place par force,

a

l'etat presque solide, controle par la structure (Tilling, 1962, 1963a). La mise en place du batholite cause un metamorphisme de contact intense sur les roches du Groupe Chafiarcillo,

a

l'ouest de la riviere Copiap6 (Tilling, 1962, 1963a, b). L'existence d'intrusions multiples et la distinction de divers evenements d'alteration superposes (filling, 1962, 1963b; Ryan et al., 1994), indiquent que la mise en place

a

du avoir lieu en plusieurs episodes.

Des corps intrusifs mineurs se trouvent

a

de differents endroits de l'aire etudiee.

Notamment, au district de Punta del Cobre, un petit laccolite basique qui intrude la Formation Abundancia au sud-est de la Mine Santos (Tilling, 1962), et un stock dacitique

a

la Quebrada Trinidad.

1.5. Stratigraphie et petrologie de Ia Formation Punta del Cobre

A l'est de la riviere Copiap6 (districts de Punta del Cobre et de Ladrillos), la Formation Punta del Cobre commence par un membre inferieur volcanique qui comprend les Lavas Inferiores (Kpcli) et le nomme "Albit6firo" (Kpcla, Fig. 1.2). Deposes ensuite sur une discontinuite d'erosion, des sediments clastiques (Breche Basale, Kpcsb) et clastiques- carbonates (Membre Trinidad, Kpcs) indiquent une transition d'un environnement terrestre

a

un environnement marin peu profond. Le membre Trinidad est recouvert par les Lavas Superiores (Kpcls) qui consistent en des coulees de laves, des breches volcaniques et des tufs. Les Lavas Superiores representent le memhre ~npP.l'iP.llf (le In Form<1.tion Pun!!! del Cobre. A !'ouest de la riviere Copiap6 (district de Ojancos Nuevo, i.e., aire de La Candelaria et les Quebradas Nantoco et Los Toros), une sequence volcaniclastique (Sequence de la Quebrada Los Algarrobos, Kpcla), dans laquelle des ammonites d'age Berriasen ont ete trouves (Tilling, 1962), recouvre apparemment directement les Lavas lnferiores, et

a

son tour est recouverte, par endroits, par les Lavas Superiores.

Figure 1.2. Carte geologique de Ia partie principale de Ia ceinture de Punta del Cobre (geologie modifiee de Tilling, 1976; a) lamprophyre, b) meladiorite, c) diorite, d) leucodiorite, e) tonalite, 0 quartz monzonite, g) granite albitique) et stratigraphie de Ia Formation Punta del Cohre au district de Punta del Cobre et

a

I' ouest de Ia riviere Copiap6 (i.e., district d'Ojancos Nuevos, Quebradas Nantoco, Los Algarrobos, et Los Toros).

(26)

r;-:-;-;J Punta del Cobra Fm.

~ (Jurrassic(?)·pre·upper Valanginian)

~ Abundancia and Nantoco Fms.

~ (upper Valanginian-Hauterivian)

~ Bandurrias Fm.

~ (up~r Valanginian-Aptian(?))

1""1 Atacama Gravels b....o...J (Miocana)

D

^AIIuvium_(Reoont)

0 2

km

West of the Copiap6 River East of the Coplap6 River (Diatrlc:ta Punta del Cobre and Ladrllloa)

Chanarclllo Group Chanarcillo Group upper Valanginian to Aptian

l

c Lavas Superiores

ft.:..._:.H,l,..--... Oto>10m

'---,

-~

E

~ ..

~ ^v

~~~l

~ [z:d

^A

~ .

~ \\-i'.._...,...,._

^Lavas

Superio~ 0~5~.

ⁱⁱⁱ_<:

Cuyaniceras .g

Berriasian age Trinidad Member 0 • 60 m "iii Punta del Cobre Fm.

Qda. Los Algarrobos Sequenc;;

>200m

- -·

- ^--- _---

Lavas lnferiores >500 m

Base not exposed

a~ered basa~ to basaltic andesite

altered basaltic andesite to andesite

a~ered andesnic volcanic rocks

a~ered dacite

tuff and reworked tuff

chert and sinstone

AAAA AAAA AAAA AAAA AAAA AAAA AAAA vvvv vvvv vvvv vvvv vvvv vvvv vvvv vvvv vvvv vvvv vvvv

"'"'"'"'"'

[ZJ

~ .

lo:O:oj

~~~1

~ --

c Ill

'""'

"~'"

^-^{" m}

t

"Aib1t6f1ro" 60 ·200m

I

- - - · i i i ~

2 ~

Lavas lnferiores >200 m

volcanic arenite or volcaniclastic breccia, clasts up to em range sandstone

breccia, in parts volcaniclastic volcaniclastic conglomerate and breccia

volcaniclastic breccia, clasts in dm range limestone

local erosional unconformity

(27)

1~00r-~~-r~++~H---~~-+~~+t

a Kpcls

E c.

.~ 1~0

1-

x Kpcla o Kpcfa -.Kpcli

100

Zrppm

Figure 1.3. Pour les roches volcaniques de Ia Formation de Punta del Cobre, le contexte tectonique d'arc se confirme par le diagrame Zr vs. Ti (Pearce, 1982). Les Lavas Superiores (Kpcls) se projettent en partie sur le champ des Middle Ocean Ridge Basalts.

Kpcls: Lavas Superiores; Kpcla: Sequence de Ia Quebrada Los Algarrobos; Kpcfa:

"Albit6firo"; Kpcli: Lavas Inferiores.

Les roches volcaniques sont fortement affectees par une alteration hydrothermale. Des roches non alterees ou meme peu alterees n'ont pas ete trouvees, a !'exception des Lavas

· Superiores. Les teneurs des elements en trace indiquent que l'ensemble est une suite volcanique calco-alcaline (Marschik et al., 1994), telle que les Lavas Inferiores sont des andesites, le "Albit6firo" des dacites, les roches volcaniques de la partie sud de l'aire etudiee des andesites basaltiques

a

andesites, et les Lavas Superiores des basaltes a andesites basaltiques. Il s'observe done une tendence aux facies plus primitifs, depuis les membres inferieurs jusqu'aux membres superieurs. Generalement, les roches volcaniques de la Formation Punta del Cobre montrent une signature d'arc volcanique. Non obstant, le spectre des terres rares de certains echantillons des Lavas Superiores ont une morphologie plate indicative de tholeiites d'arc volcanique pauvres en K (low-K arc tholeiites). Dans le diagramme Zr vs. Tide Pearce (1982), les Lavas Superiores se projettent en partie sur le champ des Middle Ocean Ridge Basalts (MORB, Fig. 1.3). Ce developpement magmatique est en accord avec le contexte tectonique regional: la partie superieure de la Formation Punta del Cobre reflechi bien le croissant developpement de la subsidence (deja reconnue par la nature transgressive de la succession sedimentaire), qui mene

a

la formation du bassin marin d'arriere-arc d'age Neocomien, au sud de Copiap6. La formation du bassin peut etre correlee avec l'evenement d'extension qui

a

lieu pendant le Jurassique superieur-Cretace inferieur (Aguirre, 1985; Dalziel, 1986), reconnu du sud du Chili (Magellan Basin, Dalziel1981, 1986) au Perou (Huarmey Basin, Atherton et Webb, 1989; Atherton et al., 1985). Au Chili central, des sediments marins d'age Berriasien

a

Hauterivien, intercales dans des roches volcaniques qui reposent de fac;on discordante sur des roches jurassiques erodees (Aberg, et al., 1984; Aguirre, 1985), indiquent que la

(28)

9

subsidence du bassin (d'age Cretace inferieur) a du debuter pendant le Berriasien, c'est a dire, en meme temps qu'a la zone de la Punta del Cobre.

1.5.1. Age de la Formation Punta del Cobre

Des ammonites d'age Berriasien ont ete trouves dans des intercalations sableuses grossieres de la Sequence Quebrada Los Algarrobos (Tilling, 1962). Ces niveaux stratigraphiques peuvent etre correles avec le Membre Trinidad du district de Punta del Cobre. Des ammonites d'age Valanginien superieur ont ete rapportes pour la Formation Abundancia (Corvalan, 1974), qui repose sur les Lavas Superiores. Ainsi, la Formation Punta del Cobre est plus agee que -125-130 Ma (d'apres la compilation globale stratigraphique de Cowie et Bassett, 1989).

Par contre, I' age de l'unite volcanique inferieure (Lavas lnferiores et "Albit6firo") de la Formation Punta del Cobre n'est pas connue. La fmte alteration hydrothermale fait que les datations par les methodes K-Ar et 40Arf39Ar ne puissent donner que l'age de I' alteration, posterieure. La Formation Punta del Cobre montre des similarites avec les roches volcaniques et clastiques continentales de la Formation Bandurrias (Segerstrom, 1960).

Jurgan (1977a) a remarque que la Formation Punta del Cobre pourrait representer une partie de la Formation Bandurrias, qui s'interdigiterait lateralement avec les sediments marins du Groupe Chafiarcillo. Cependant, il n'a jamais ete observe de contact entre les Formations Punta del Cobre et Bandurrias. La discontinuite erosionnelle au sommet de l'"Albit6firo" pourrait etre interpretee par une paleosurface du Jurassique superieur. Mais dans un contexte actif d'arc/arriere arc, avec une dynamique tectonique verticale et sous des conditions continentales, de forts reliefs peuvent etre attendus, et done, les Lavas Inferiores et l'"Albit6firo" pourraient aussi etre d'age Beniasien.

1.6. Alteration et mineralisation

1.6.1. Modele d'alteration regionale

Dans la ceinture de Punta del Cobre, deux episodes d'alteration superposes controlent la distribution regionale de cinq types principaux d' alteration. Un premier episode de metasomatisme alcalin a d'abord cause une extense albitisation, qui a ete localement superposee par une alteration potassique. Un assemblage de (1) albite-quartz-chlorite

±sericite± calcite ou (2) feldspath potassique-quartz-chlmite/biotite ±sericite± calcite±

tourmaline, caracterise les roches affectees par le metasomatisme alcalin. Cette alteration

(29)

induit une forte variation de la composition chimique de la roche qui arrive a atteindre jusqu'a 10 wt.% Na₂0 ou 11 wt.% K₂0 (Table 2.1 and 3.2). Le second episode d'alteration est associe ala mise en place d'un batholite d'age Cretace moyen, ala partie Ouest de 1' aire etudiee, qui produit un metamorphisme de contact, qui se superpose, avec une intensite variable, au metasomatisme alcalin anterieur. Cette seconde alteration s'exprime par trois bandes de direction NNE qui se superposent, caracterisees, d'Ouest vers Est, par des assemblages de (3) bande de !'amphibole calcique ±biotite± sericite, (4) bande (discontinue) de la biotite,± chlorite,± sericite,± epidote, et (5) bande de !'epidote- chlorite,± quartz,± calcite (Fig. 1.4). Ces bandes d'alteration n'impliquent qu'une faible modification de la composition chimique de la roche (Table 2.1 and 3.2). L'amphibole calcique est essentiellement de 1' actinolite, de la hornblende actinolitique et de la magnesio-hornblende. La biotite est largement rep an due sur 1' aire de la mine Santos et se trouve sur de nombreux affleurements isoles entre les Quebradas Paipote et Rivera, ce qui forme la bande (4) discontinue. A Ia mine Santos il existe une juxtaposition entre Ia biotite interpretee s'etre generere par le metamorphisme de contact (bande 4), et celle qui s'est forme a partir de }'alteration potassique pendant le deuxieme Stade du metasomatisme alcalin (assemblage 2).

Un metamorphisme regional de bas degre a ete decrit dans de nombreux bassins de I' ouest de I' Amerique du Sud, formes pendant l'evenement d'extension du Jurassique superieur-Cretace inferieur. Dans le bassin Andin, pres de Santiago, des facies a zeolite, prehnite-pumpellyite, et schistes ve1ts ont ete reconnus par Levi (1970), et ont ete ensuite decrits au Chili et au Perou par Aguirre et al. (1978), Offler et al. (1980) et Aberg et al. (1984). Dans la region de Punta del Cobre, le metamorphisme regional pourrait etre aussi present et represente par de differents degres d' alteration par chlorite( -epidote?). Ce type d'alteration n'est pas restreinct aux aires mineralisees, mais se trouve aussi dans d'autres roches volcaniques neocomiennes dans divers endroits de la region d' Atacama.

Figure 1.4. Representation schematique de Ia distribution de !'alteration hydrothermale et du metamorphisme de contact dans les roches volcaniques de Ia Formation Punta del Cobre.

(30)

EI!]

Middle Cretaceous batholith

~ Hydrothermal alkali

~ metasomatic center Contact metamorphic

~ Ca-amphibole

@

^Biotite(discontinuous)

11

0 2

I

km

(31)

1.6.2. Mineralisation et alteration associee

La mineralisation de la ceinture de Punta del Cobre est caracterisee par un simple assemblage de minerais primaires, constitue par de la chalcopyrite, de la pyrite, de la magnetite et de !'hematite. Dans le district de Punta del Cobre, les gisements de cuivre sont exploites

a

partir de corps brechifies, qui gradent vers des "stockwork" ct des veines encaisses dans les roches volcaniques de la Formation Punta del Cobre (Fig. 1.5). 11 existe aussi une mineralisation stratiforme qui est essentiellement situee dans la Breche Basale reposant sur les roches volcaniques (Camus, 1980). A l'est de la riviere Copiap6 (districts de Punta del Cobre et de Ladrillos), la mineralisation de cuivre est controlee par des fractures de direction NNW

a

NW et par le contact superieur de la Breche Basale, alors que dans le depot de La Candelaria,

a

l'ouest de la riviere Copiap6, !'alteration et la mineralisation s'etendent jusque dans les carbonates du Groupe Chafiarcillo (Ryan, et al.

1994).

Les teneurs moyennes du gisement sont d'environ 1.1 a 2% Cu, et peuvent atteindre plus de 8% Cu dans les veines. Le cuivre metallique total fourni par le systeme hydrothermal de la ceinture de Punta dal Cobre est de plus de 5 Mt. De la magnetite massive se trouve dans les veines et dans des corps de fmme i1Teguliere (Lino 1984; Hopf, 1990). Pour la formation du gisement, des temperatures de l'ordre de 400°-500°C ont ete suggerees par Hopf (1990), qui a base son estimation a partir de la presence d'une amalgame de Ag-Au-Hg et par !'observation, dans la chalcopyrite, d'une anisotropic intense et de macles en forme de fuseau, interpretees comme resultat de !'inversion de la forme cubique de haute temperature ala forme tetragonale de basse temperature.

Les isotopes du soufre de la chalcopyrite et de la pyrite donnent des valeurs de 834S comprises entre -0.7 et + 1.1 %o, ce qui indique une source magmatique pour le soufre (Fig.

1.6). Le soufre doit done etre lessive des roches volcaniques surjacentes, ou apporte par des fluides magmatiques.

(32)

13

W E

IIJJ

Cu(..fe) mineralization

breccia body +stockwork

• Alblt6flro•

Lavas lnferlores

Kpcls

Chanarclllo Group

Figure 1.5. Types geometriques de gisements sur une coupe scMmatique a travers le district de Punta del Cobre. Kpcls: Lavas Superiores; Kpcs: Membre Trinidad; Kpcsb: Breche Basale.

ooe

-2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5

8348

1

•

1.5

e

pyrite (py)

0 chalcopyrite (cpy) () cpy I py = 1:1

2

Figure 1.6. La composition isotopique du soufre de Ia pyrite et de Ia chalcopyrite des mines Santos et Socavon Rampa montrent des valeurs de o34s comprises entre -0.7 el +l.l%o, ce qui indique Ia source magmatique du soufre (donnees dans Appendix 3).

(33)

Deux determinations de la composition isotopique du plomb sur des minerais du district de Punta del Cobre (Fontbote et al., 1990) donnent des valeurs moderemment radiogeniques, intermediaires entre celles des gites "stratabound" du bassin d' Atacama, encaisses dans du Cretace inferieur (a forte signature mantellique) et celles de El Salvador et autres depots en porphyres cupriferes (a rapports plus radiogeniques, Puig, 1988).

Les connaissances actuelles montrent que le metasomatisme alcalin et, en particulier, I' alteration potassique, sont spatiellement liees ala mineralisation aussi bien vers l'est que vers I' ouest de la riviere Copiap6 (Marschik et Fontbote, 1994; Ryan et al., 1994, 1995).

Par contre, les parageneses calco-silicatees (skarns) ne se forment qu'a I' ouest de la riviere Copiap6, pres du contacte avec le batholite mis en place pendant le Cretace moyen. Au depot de La Candelaria, les parageneses calco-silicatees sont posterieures a la mineralisation, puisqu'elles apparaissent etre plus jeunes qu'une post-mineralisation due a une phase de deformation par cisaillement (Ryan et al., 1994, 1995).

1.6.3. Thermochronologie etage de Ia mineralization en Cu(-Fe)

Les techniques 40ArJ39 Ar (par rechauffement progressif et par fusion totale), K-Ar et Rb-Sr ont ete utilisees dans le but de reconstruire l'histoire the1mique et metasomatique du district de Punta del Cobre, sur la partie Est de la ceinture.

Une datation 40ArJ39 Ar par rechauffement progressif sur un concentre de biotite hydrothermale, consideree de cristallisation synchrone a la mineralisation en Cu( -Fe), donne un age de 114.9±0.5 Ma par la methode de l'isochrone inverse (Fig. 4.6). La meme biotite, datee par la technique 40 ArJ39 Ar par fusion to tale au rayon laser, a donne des ages compris entre 114.6±0.8 Ma et 111.2±0.9 Ma (en·eurs de ±1cr). Une isochrone Rb-Sr calculee a partir de I' analyse de 7 roches totales donne un age de 116.8±1.4 Ma, interprete comme I' age de I' alteration potassique. Ces donnees indiquent que la mineralisation dans le district de Punta del Cobre est synchrone avec les premiers stades de la mise en place du batholite d'age Cretace moyen (ages K-Ar de 119 Ma a 97 Ma; Farrar et al, 1970;

Zentilli, 1974; Arevalo 1994, 1995).

Le spectre des ages 40 ArJ39 Ar par rechauffement progressif de la biotite suggere que pendant le metamorphisme de contact produit par le principal episode intrusif, plus tardif, le district de Punta del Cobre, au sens strict, n'a pas dfi etre affecte par des temperatures superieures ala temperature de feimeture du systeme biotite-argon (-300°-350°C, d'apres McDougall et HmTison, 1988).

Les ages 40 ArJ39 Ar de Ia mineralisation obtenus sur roche totale sont considerablement plus jeunes. Les datations par rechauffement progressif donnent des ages de 90.7±0.6 Ma par la methode de l'isochrone inverse, et de 89.5±0.3 Ma et 89.8±0.3 Ma par la methode

(34)

15

du plateau (weighted mean plateau age). Ces datations representent !'instant auquel le systeme se trouvait

a

une temperature en dessous de celle de l'echappement de l'argon pour la roche totale, supposee de -150°-200°C. Ce refroidissement paralt etre largement controle par l'exhaussement regional, et ne represente pas la fin de !'influence thermique du batholite. Les spectres de ces ages indiquent, en plus, un rechauffement de l'aire

a

-70- 60 Ma, ce qui est

a

^corn~leravec l'age K-Ar de 69 Ma sur hornblende pour une granodiorite qui intrude le batholite du Cretace moyen (Arevalo, 1994) et avec l'evenement magmatique d'age Paleocene inferieur, qui est reconnu au nord du Chili (Farrar et al, 1970). La figure 4.9 represente une compilation graphique construite

a

^partir

des donnees radiometriques. Elle resume les parties plus importantes de l'histoire thermique et metasomatique du district de Punta del Cobre.

1.7. Genese

Les modeles d'alteration, les temperatures de formation du gisement de 400-500°C (Ropf, 1990) et la signature isotopique du soufre des minerais, indiquent I' association avec des intrusions sousjacentes. Dans les fluides hydrothermaux liberes par, ou circulant pres des plutons, l'effet de la pression sur la solubilite des metaux, tamponnee par la roche, est tres significative (Remley et Hunt, 1992). La solubilite des metaux decroit avec la diminution de la temperature, mais croit avec la diminution de la pression, ce qui permet le transport du metal sur de longues distances. Remley et Hunt (1992) ont postule que la partie

a

plus haute temperature de ces systemes peut produire une albitization et une alteration potassique, et potentiellement causer le lessivage des metaux de la roche penetn!e. Or tel qu'il a ete indique, ces deux etapes d'alteration sont distinguees dans la ceinture de Punta del Cobre (Ropf, 1990; Schonfelder, 1990; Marschik et Fontbote, 1994, 1995), et forment partie du meme systeme hydrothermal qui est responsable de la mineralisation. L'albitisation represente la partie plus externe du systeme. Sur de larges aires, celle-ci provoque le remplacement complet du feldspath originel de Ia roche par de

!'albite. Posterieurement et par endroits, !'alteration potassique est superposee

a

!'albitisation. 11 en resulte le remplacement de !'albite par du feldspath potassique (Marschik et Fontbote, 1994). A l'est de la riviere Copiap6, dans le district de Punta del Cobre, au sens strict, la limite superieure de la mineralisation est un horizon rouge qui consiste en une breche continentale (Kpcsb) qui repose sur les roches volcaniques et qui encaisse une mineralisation strati forme. Par contre,

a

1' ouest de la riviere Copiap6, dans le Depot de La Candelaria, la mineralisation penetre dans les calcaires du Groupe Chafiarcillo (Ryan et al., 1994). Dans ce cas, la couleur change du vert, pour la roche volcanique mineralisee et la partie inferieure de la "Breche Basale", au rouge, pour les parties distales

(35)

des mantos. Ceci pourrait representer une limite redox qui controlerai la limite de la precipitation du gisement.

I \

Fe skarn

Punta del Cobre belt

magnetite(-apatite) deposits of the Chilean Iron Belt

0

porphyry copper deposits

Figure 1.7. Representation schematique de Ia possible affiliation de Ia ceinture de Punta del Cobre, en comparaison avec d'autres types de depots Andins relies

a

des intrusions.

L'alteration et la mineralisation de la ceinture de Punta del Cohre ne peut pas etre assignee a un corps magmatique en particulier. Le metasomatisme alcalin, et non pas

!'alteration calco-silicatee superposee, semble etre genetiquement liee a la mineralisation de la ceinture de Punta del Cobre. L'alteration potassique et lcs temperatures de l'ordre de 400-500°C sont typiques des depots en porphyres cupriferes, ce qui indiquerait des conditions de formation de la mineralisation similaires. Mais la geometric du gisement, l'abondance en magnetite, les hautes teneurs en Cu et la disttibution des types d'alteration ne sont pas des caracteristiques prop res aux porphyres cuprireres. En plus, 1' age Cretace moyen n'est pas typique pour les porphyres cupriferes au Chili. Cependant, il n'est pas

a

exclure que la ceinture de Punta del Cobre puisse representer la partie externe d'un systeme hydrothermal similaire a ceux des porphyres cupriferes (Ryan et al., 1994, 1995).

Cependant, la grande quantite de magnetite trouvee dans les depots de la Punta del Cobre entrainent une comparaison avec les depots de magnetite( -apatite) de Ia ceinture de fer Chilienne, qui est encaissee par des roches neocomiennes a proximite d'intrusions d'age Cretace moyen. L'alteration calco-silicatee liee ala mineralisation en magnetite-hematite indique des temperatures de formation de l'ordre de 475°

a

600°C. Aux endroits ou la roche encaissante comprend des calcaires, une paragenese de skarn est developpee. Les datations effectuees sur les gisements de Fe indiquent une mineralisation pendant le Cretace inferieur

a

moyen (Bookstrom, 1977; Pincheira, 1985, 1991; Espinoza 1990;

Cretaceous Cu(-Fe) mineralization in the Punta del Cobre belt, Northern Chile

Thesis

Reference

Cretaceous Cu(-Fe) mineralization in the Punta del Cobre belt, Northern Chile

Cretaceous Cu( -Fe) mineralization in the Punta del Cobre belt, northern Chile

THESE '

presentee a Ia Faculte des Sciences de l'Universite de Geneve pour obtenir le grade de Docteur es Sciences,

mention Sciences de Ia Terre

par

Robert MARSCHIK de

Heidelberg (Republique Federale d' Allemagne)

These No 2827

Geneve

1996

TABLE OF CONTENTS

v

ACKNOWLEDGMENTS

MINERALISATION EN Cu(-Fe) DANS LE CRETACE DE LA CEINTURE DE PUNTA DEL COBRE, NORD DU CHILI

a

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ABSTRACT

CRETACEOUS Cu(-Fe) MINERALIZATION IN THE PUNTA DEL COBRE BELT, NORTHERN CHILE

RESUMEN

LA MINERALIZACION DE Cu(-Fe) DEL CINTURON PUNTA DEL COBRE, NORTE DE CHILE

CHAPITRE 1

INTRODUCTION ET RESUME DES RESULTATS

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