Por: Ivana Cárcamo, Lisard Torró, Luis Ayala y Johan Ramírez Briones, programa de Ingeniería Geológica, Pontificia Universidad Católica del Perú; Thomas Aiglsperger, Department of Civil Engineering and Natural Resources, Division of Geosciences and Environmental Engineering, Luleå University of Technology, Sweden; Joaquín Proenza, Departament de Mineralogia, Petrologia i Geologia Aplicada, Facultat de Ciències de la Terra, Universitat de Barcelona, España; Patrice Baby, GET-UMR CNRS/IRD/Univ., y Paul Sabatier, Toulouse, France y PUCP.

Trabajo ganador en la categoría pregrado del II Concurso Internacional de Estudiantes SEG-SGA-IIMP.

Resumen

El crecimiento exponencial de las tecnologías verdes ha impulsado un aumento en la demanda de metales críticos, como Mn y Co. Mientras que la explotación de óxidos de Mn en el fondo marino enfrenta desafíos políticos y ambientales, este estudio se centra en la mineralización onshore de óxidos de Mn en la cuenca Pisco Este. Los óxidos de Mn se concentran en arenisca, limolita y toba del Neógeno. Asimismo, comprenden criptomelano/hollandita y todorokita. Los análisis químicos revelan un enriquecimiento significativo de Co en los óxidos de Mn. 

La evidencia estratigráfica, mineralógica y composicional indica un origen diagenético vinculado a la descomposición de materia orgánica, reducción de Mn-Fe y posterior precipitación en condiciones oxigenadas durante el levantamiento tectónico de la cuenca en el Plioceno Tardío. Este estudio resalta el potencial de los óxidos de Mn diagenéticos onshore como una fuente viable de Mn y Co.

Palabras clave: Mineralización de óxidos de manganeso, Cuenca onshore Pisco, Minería submarina.

Introducción

La búsqueda de fuentes alternativas de metales críticos de origen mineral es crucial para respaldar industrias tecnológicas y energías verdes. Desde los años 60, los nódulos y costras de Mn del fondo marino han ganado reconocimiento como una potencial fuente de metales estratégicos, como Mn, Co, Ni y Cu (Hein et al., 2000).

Los nódulos de Mn se forman por precipitación hidrogenética (del agua de mar) o diagénetica (de agua en porosidad de sedimentos). Los nódulos hidrogenéticos suelen estar compuestos por vernadita y ser ricos en Co, Te, Ce y Pt, mientras que los diagenéticos acostumbran a contener todorokita y valores altos de Ni, Cu y Li (Hein & Koschinsky, 2014).

A pesar de los avances tecnológicos, la extracción de nódulos de Mn en el lecho marino aún enfrenta desafíos ambientales y políticos, como la falta de regulaciones para su explotación y la alteración de los hábitats del fondo marino (Cunningham, 2022). Por ello, la minería submarina parece lejana y es inevitable la dependencia en los recursos en tierra firme.

Los depósitos onshore de Mn en unidades sedimentarias expuestas ofrecen alternativas prometedoras. En la cuenca Pisco Este, Bessler (1975) documentó nódulos de Mn en diatomitas de la Fm. Pisco, con contenidos moderados de Ni y Co (media = 0.11 wt% para ambos). En este trabajo, presentamos un estudio detallado sobre un nuevo descubrimiento de abundantes óxidos de Mn en el valle del Río Grande, incluyendo nódulos, en las formaciones Chilcatay y Pisco en la cuenca Pisco Este (Figura 1).

Contexto geológico

La cuenca Pisco, perteneciente al antearco peruano, está subdividida en dos subcuencas, denominadas Pisco Este y Pisco Oeste, separadas por la Cordillera de la Costa (Quispe et al., 2018). Pisco Este, donde se encuentra localizada el área de estudio, corresponde a la porción onshore de la cuenca (Gioncada et al., 2018; Di Celma et al., 2022).

La estratigrafía de la cuenca Pisco Este está dividida en dos megasecuencias (megasecuencia P y megasecuencia N; Di Celma et al., 2022). Estas sobreyacen a un basamento pre-Cenozoico deformado y heterogéneo. La megasecuencia P (Eoceno Medio – Oligoceno Inferior) está compuesta por areniscas de grano medio a grueso que gradualmente pasan a limolitas. La megasecuencia N comprende areniscas y lutitas del Oligoceno Superior al Plioceno de la Formación Chilcatay, así como areniscas fosilíferas, conglomerados, y limolitas diatomáceas y tobáceas de la Formación Pisco (León et al., 2008; Di Celma et al., 2022). Esta secuencia estratigráfica está sellada por conglomerados cuaternarios de la Formación Cañete (León et al., 2008; Ochoa et al., 2021). 

El régimen tectónico bajo el cual se formó la cuenca Pisco Este aún no está del todo definido. Algunos autores sugieren fases alternantes de tectónica compresiva y transtensional, junto con una prolongada subsidencia durante el Paleógeno y el Neógeno, seguidas de levantamiento y compresión durante el Cuaternario debido a la subducción de la Dorsal de Nazca (Clift et al., 2003; León et al., 2008; Viveen y Schlunegger, 2018; Di Celma et al., 2022). En cambio, otros autores proponen un régimen compresional continuo desde el Oligoceno Tardío hasta el Cuaternario, relacionado al acortamiento andino (Quispe et al., 2018; Ochoa et al., 2021).

Caracterización de los óxidos de manganeso

Posición estratigráfica

Los niveles estratigráficos con mineralización de óxidos de Mn, pertenecientes a las formaciones Chilcatay y Pisco, están principalmente compuestos por material clástico e incluyen intercalaciones de arenisca, limolita y arcilla limosa, así como horizontes restringidos de toba. Además, en ambas formaciones están presentes capas concordantes masivas de yeso, con espesores que varían desde unos pocos centímetros hasta aproximadamente 3 metros. La serie estratigráfica es cortada por venillas de yeso fibroso, cuyos espesores varían entre 1 mm y 20 cm, con una orientación predominante NW, mientras que un conjunto secundario de venillas de yeso presenta una orientación NE. Con frecuencia, los óxidos de Mn se encuentran en la base de niveles de yeso (Figura 2) y venillas de yeso.

Morfología

La mineralización de óxidos de Mn forma nódulos (Figura 3A) y concreciones, venillas (i.e., relleno de fracturas), recubrimientos y, en menor medida, reemplazamiento de bioturbaciones (Figura 3B). Los nódulos y concreciones presentan gran variedad de formas y texturas superficiales. Son mayormente esferoidales, elipsoidales o discoidales, aunque algunos son completamente irregulares. Pueden formar agregados botroidales (Figura 3A), incluyendo agrupaciones de estructuras botroidales, ramificaciones dendríticas y en forma de racimo (Figura 2). Los tamaños varían desde pocos milímetros hasta 15 cm. Las texturas superficiales son generalmente lisas y, con menor frecuencia, arenosas o rugosas.

Los recubrimientos de óxidos de Mn presentan espesores de entre unos pocos milímetros hasta 7 cm. Por otro lado, las venillas de óxidos de Mn son masivas, continuas y varían en grosor desde 1 mm hasta 1.2 cm.

Los óxidos de Mn también reemplazaron completamente icnofósiles. En la Figura 3B, la bioturbación fosilizada por óxidos de Mn consiste en una estructura de túnel elíptico de hasta 20 cm de longitud con pequeñas protuberancias y crestas.

Mineralogía

Los resultados de difracción de rayos X de 47 muestras de óxidos de Mn de las formaciones Chilcatay y Pisco indican una asociación general de óxidos de Mn y minerales silicatados, como cuarzo, plagioclasa, mica y arcillas (Figura 4). Otras fases detectadas abarcan yeso, anhidrita y dolomita, siendo esta última rara. Los resultados obtenidos permitieron clasificar las muestras estudiadas en dos grupos mineralógicos principales según el óxido de Mn dominante: i) tipo criptomelano/hollandita, y ii) tipo todorokita (Figura 4).

Geoquímica de roca total

En general, todas las muestras analizadas presentan composiciones químicas generalmente similares, con valores usualmente altos de MnO (>34.7 wt%; Tabla 1). Los contenidos de FeO son generalmente más bajos (<8.76 wt%) en comparación con MnO, con relaciones elementales Mn/Fe en el rango de 0.62 – 50.2. Los contenidos relativamente altos y variables de SiO₂, Na₂O y Al₂O₃ en algunas muestras se atribuyen a la presencia de minerales detríticos. Los valores de CoO son frecuentemente altos, entre 0.01 y 0.80 wt% (media = 0.21 wt%). Otros metales como Ti (<0.50 wt%), Zn (<0.17 wt%), Cu (<0.06 wt%) y Ni (<0.18 wt%) presentan valores más bajos.

Geoquímica mineral

De acuerdo a resultados de microsonda electrónica, los minerales de óxidos de Mn están compuestos principalmente por MnO (45.8 – 79.5 wt%) y K₂O (0.81 – 6.62 wt%), (Tabla 1).

Otros elementos presentes en proporciones menores incluyen ZnO (<0.39 wt%), NiO (<0.68 wt%) y CuO (<0.17 wt%). Los contenidos de CoO oscilan entre 0.08 y 2.64 wt%, con un valor medio de 0.46 wt%. El hecho de que la mayoría de los análisis arrojen valores de K₂O mucho más altos que los de BaO indica una predominancia de criptomelano [K(Mn⁴⁺,Mn³⁺)₈O₁₆] sobre hollandita [Ba(Mn⁴⁺,Mn³⁺)₈O₁₆].

Discusión

La distribución estratoligada de los óxidos de Mn y la presencia de estos en asociación con venillas de yeso son evidencia de movilización de fluidos ricos en Mn a través de diferentes niveles sedimentarios permeables. En algunos casos en los que estos niveles están sellados por capas masivas de yeso, los óxidos de Mn forman agregados que “cuelgan” de la base del nivel de yeso (Figura 2), lo que refuerza un control estratigráfico en la movilización y precipitación de óxidos de Mn en la cuenca Pisco Este. La fosilización de bioturbaciones por óxidos de Mn (Figura 3B) es un ejemplo típico de mineralización diagenética (Achurra et al., 2009). Las fases minerales identificadas (criptomelano y todorokita) son consistentes con un origen diagenético (Hein & Koschinsky, 2014).

En términos generales, el modelo diagenético sugiere que la disolución de Mn en condiciones reductoras ocurre en la parte superior de la columna sedimentaria durante la descomposición de materia orgánica en las primeras etapas de la diagénesis. Luego, el Mn disuelto en el agua intersticial vuelve a precipitar in situ bajo condiciones oxidantes (Koschinsky et al., 2010). En la cuenca Pisco, Gioncada et al. (2018) proponen la disolución de Mn en condiciones reductoras durante la degradación de materia orgánica y su consiguiente precipitación, tras el agotamiento de la materia orgánica, por el restablecimiento del contacto con agua de mar oxigenada. Sin embargo, este modelo por sí solo no puede explicar la distribución vertical significativa de la mineralización de óxidos de Mn observada en la cuenca Pisco Este. Un modelo propuesto por Chan et al. (2000) describe la disolución de un núcleo salino, donde los fluidos resultantes adquieren un carácter reductor, y lixivian Fe y Mn de rocas permeables a lo largo de la falla de Moab (Utah). Posteriormente, estos elementos precipitan en contacto con agua subterránea somera y oxigenada. Proponemos que los óxidos de Mn estudiados en las formaciones Chilcatay y Pisco están probablemente relacionados con la descomposición de materia orgánica (Gioncada et al., 2018) y que los fluidos enriquecidos en Mn circularon a través de estructuras y niveles permeables tal como fue descrito en Chan et al. (2000).

Dado que los óxidos de Mn están distribuidos hasta el tope de la Formación Pisco, considerada del Plioceno (Ochoa et al., 2021), la precipitación de estos óxidos debe ser de tal época o posterior. Posiblemente, el rápido levantamiento de la cuenca Pisco Este durante el Plioceno por la subducción oblicua de la Dorsal de Nazca promovió la expulsión de fluidos, los cuales al mezclarse con agua de mar o subterránea oxigenadas controló la precipitación de óxidos de Mn.

El origen de las mineralizaciones también puede ser abordado mediante diagramas geoquímicos (p.ej., Bonatti et al., 1972; Josso et al., 2017; Zawadzki et al., 2022). En el diagrama Fe-Mn-(Cu + Co + Ni)*10, los datos se ubican en el área superpuesta de los campos hidrotermal y de diagénesis temprana (Figura 5). En otros diagramas, los resultados tampoco son concluyentes e incluso llegan a ser contradictorios. Esto refuerza la idea de que los diagramas geoquímicos de discriminación deben ser siempre complementados con información mineralógica y de campo.

Cabe destacar que los óxidos de Mn de la cuenca Pisco Este están enriquecidos en CoO (máx. = 0.80 wt%, media = 0.21 wt% en roca total; máx. = 2.64 wt%, media = 0.46 wt% en análisis puntuales) y presentan valores comparables con los contenidos de Co en nódulos de Mn descritos en la literatura (p.ej., 0.48 wt% CoO en las Islas Cook; 0.48 wt% CoO en la zona Clarion-Clipperton y otras llanuras abisales; Hein et al., 2000). Particularmente, son valores mayores a los típicamente asociados con nódulos diagenéticos (<0.1 wt%; Hein & Koschinsky, 2014). El origen de este enriquecimiento en cobalto es aún desconocido y materia de futuros estudios, siendo una de las hipótesis la lixiviación de Co y otros metales de las rocas del basamento pre-Cenozoico presentes en el área de estudio, con hincapié en las rocas pertenecientes al Complejo Basal de la Costa. De todas maneras, el contenido de Co en los óxidos de Mn en la cuenca Pisco Este sugiere que las mineralizaciones de Mn de origen diagenético son también prospectivas para este metal.

Conclusiones

1. Los óxidos de Mn en la cuenca Pisco Este forman nódulos, venillas y recubrimientos en niveles de arenisca, limolita y toba. La mineralización es de origen diagenético, el cual es respaldado por el control litológico y estratigráfico, la circulación de fluidos ricos en Mn a través de fracturas, la fosilización de bioturbaciones, y su mineralogía, dominada por criptomelano/hollandita y todorokita.

2. La descomposición de materia orgánica en el lecho de la cuenca pudo haber promovido la disolución de Mn y otros metales, con la posterior circulación de fluidos ricos en Mn a través de fracturas y su precipitación en capas permeables bajo condiciones oxidantes. Es posible que este proceso haya sido influenciado por el rápido levantamiento de la cuenca durante el Plioceno tardío, asociado con la subducción de la dorsal de Nazca.

3. Los óxidos de Mn de la cuenca Pisco Este son especialmente ricos en Co, lo que representa un importante potencial metalífero inexplorado para materias críticas, así como una alternativa a la controversial minería submarina por su exposición onshore.

Agradecimientos

Este trabajo fue financiado por el proyecto PROCIENCIA PE501087814-2024 y PUCP FAI-

025-2023. Las salidas de campo fueron financiadas por el IRD. Se agradece el aporte analítico y logístico de las universidades de Luleå y Barcelona.

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