Tierra y Tecnología nº 51 | http://dx.doi.org/10.21028/ft.2018.04.25Autores: Fernando Tornos. Instituto de Geociencias (CSIC-UCM), Madrid, Monike Oggerin. Max Planck Institute for Marine Microbiology, Bremen, Alemania, Cesar Menor-Salván. Dpto. Biología de Sistemas, Universidad de Alcalá, Madrid. Francisco Velasco. Dpto. Mineralogía y Petrología. Universidad del País Vasco, Leioa, Vizcaya. Juan Manuel Escobar & Ivan Carrasco. Cobre Las Cruces SA, Gerena, Sevilla


 

La mina de Las Cruces es, además de la mina más reciente abierta en la Península Ibérica, probablemente el depósito de cobre con las leyes más elevadas del mundo que está actualmente en producción. El yacimiento  fue descubierto en 1994 por Riomin Exploraciones SA (filial española de Rio Tinto plc) durante una exhaustiva campaña de exploración que buscaba depósitos similares a los de la Faja Pirítica Ibérica bajo la cobertera sedimentaria del NO de la Cuenca del Guadalquivir. Durante esta fase de exploración se realizó una campaña de sondeos sobre una significativa anomalía gravimétrica y, afortunadamente, el segundo sondeo cortó la mineralización. Ya en las primeras etapas de la exploración se reveló que esta mineralización tiene características distintas a lo que se esperaba y los sulfuros masivos volcanogénicos asociados, similares a los que dominan en la Faja Pirítica, mostraban una importante e inusual alteración secundaria. Además, junto a una importante y rica zona de enriquecimiento secundario (zona de cementación) y en la que los contenidos en cobre eran extraordinariamente elevados, se constató la presencia de un tipo de rocas que no habían sido descritas en la Faja Pirítica ni en casi ningún otro lugar del mundo y que se denominaron provisionalmente “gossan rojo y negro”, aunque su mineralogía no tiene nada que ver con la de los gossan que se encuentran sobre los sulfuros masivos aflorantes (Velasco et al., 2013). El último aspecto que hace Las Cruces un sitio inusualmente atractivo es que se ha propuesto que esta mineralización secundaria es fruto de una actividad microbiológica subterránea y que única a escala global.

La mina de Las Cruces es, además de la mina más reciente abierta en la Península Ibérica, probablemente el depósito de cobre con las leyes más elevadas del mundo que está actualmente en producción

Una mayor información sobre la geología de Las Cruces se puede encontrar en las descripciones más tempranas de la mineralización y sus rocas encajantes (Doyle, 1996; Doyle et al., 2003), las tesis doctorales de Knight (2000) y Blake (2008)y los trabajos mineralógicos de Yesares et al. (2015, 2017). Una descripción y un modelo global del depósito se encuentran en Tornos et al. (2017a) en mientras que los aspectos microbiológicos han sido tratados en Tornos et al. (2014, 2017b).

Historia minera

Tras una evaluación económica del depósito, la empresa tomó la decisión de venderlo pues no era interesante para una compañía de las dimensiones y características de Rio Tinto. El permiso fue adquirido en 1999 por MkGold Company, que comenzó el largo proceso de convertir el proyecto en una mina viable, obteniendo la mayor parte de los permisos industriales y ambientales. En 2005, INMET Mining se hace con la mayoría de las acciones y,  una vez obtenidos todas las autorizaciones pertinentes, comienza con la construcción de la mina y de la planta hidrometalúrgica. El comienzo de la explotación implicaba la apertura de una corta a cielo abierto de hasta 240 m de profundidad y que se iría ampliando en seis sucesivas fases hasta el año 2020. La planta hidrometalúrgica usa un método exclusivo de lixiviación férrica atmosférica desarrollado específicamente para esta mina. La tecnología fue desarrollada inicialmente por Outotec y ha sido perfeccionada por Cobre Las Cruces. En conjunto, el proyecto ha supuesto una inversión de unos 1.500 millones de euros y da empleo directo a 700 personas, incluyendo contratistas; actualmente produce unas 73.000 toneladas de cobre fino al año, que representa un 25% del consumo total nacional. En 2013, la mina fue adquirida por First Quantum Minerals, que es quien la explota en la actualidad. Aunque la zona enriquecida en cobre se espera que se agote en 2020, First Quantum está planteando la explotación subterránea de los sulfuros masivos y stockwork primarios ricos en Cu, Zn, Pb y Ag  y que se encuentran bajo la zona secundaria, lo que permitirá alargar la vida operativa de la mina en otros diez años.

Geología

La característica más significativa del depósito de Las Cruces es que se encuentra situado bajo unos 150 m de margas de edad Messiniense que rellenan la Cuenca del Guadalquivir (Fig. 1). La mineralización primaria y las rocas encajantes son prolongación de las que afloran solo unos 10 km al Oeste y que pertenecen a la Faja Pirítica Ibérica. La secuencia mineralizada incluye pizarras oscuras intercaladas con domos volcánicos riodacíticos de edad Devónico Superior- Carbonífero Inferior. La mineralización primaria es muy similar a la de los otros sulfuros masivos de la zona meridional de la Faja Pirítica y consiste en cuerpos estratiformes de pirita de grano fino con cantidades más accesorias de esfalerita, calcopirita, galena y otros muchos sulfuros en pequeña proporción. Estos cuerpos de sulfuros masivos se enraízan en unas zonas de alimentación o stockwork por las que ascendieron los fluidos hidrotermales y que actualmente consisten en venillas o diseminaciones de sulfuros en rocas volcánicas o pizarra con intensa alteración clorítica.

Figura 1. Columna simplificada de alteración secundaria de Las Cruces comparada con la general de la Faja Pírítica (modificado de Tornos et al., 2014).

Toda esta secuencia paleozoica ha sido plegada durante la orogenia Varisca y afectada por un metamorfismo regional de bajo grado. Actualmente, forma una secuencia monoclinal de dirección E-W y un buzamiento entre 50 y 20°N. En detalle, esta secuencia es tremendamente compleja ya que muchos de los contactos están jalonados por cabalgamientos.

El contacto entre el basamento y cobertera está marcado por un nivel discontinuo de hasta 10 metros de espesor de arenisca de edad Tortoniense y que es el encajante de un importante acuífero confinado bajo la citada marga messiniense, el acuífero de Niebla Posadas estudiado en detalle por Scheiber et al. (2015). El agua que circula por el mismo es alcalina, carbonatado-sulfatada y rica en Mg y Ca. Sin embargo, en la mina hay otro importante acuífero, que son las grandes fallas alpinas de dirección ENE-OSO y que controlan la Cuenca del Guadalquivir. Por éste último circula un agua también alcalina, pero clorurada-sódica y con temperaturas de equilibrio químico superiores a los 100°C. Por lo tanto, la mineralización se localiza en un área donde confluyen varios controles geológicos: la presencia de sulfuros masivos, el contacto basamento-cobertera y la presencia de grandes fallas, los dos últimos controlando una zona de mezcla de dos tipos muy distintos de agua. Todos estos factores han influido en la formación del depósito secundario de Las Cruces.

Figura 2. Visión general de la corta minera de Las Cruces (Mayo 2011). La mineralización se encuentra bajo una cobertera sedimentaria de casi 150 m de marga messiniense. En el fondo de la corta se encuentran las rocas producto del remplazamiento del antiguo gossan (rojo) y los sulfuros masivos con la mineralización secundaria de cobre.

La zona de enriquecimiento secundario

La mina actual de Las Cruces se orienta a la explotación de una potente zona subhorizontal de cementación secundaria en la que la pirita primaria ha sido remplazada por calcocita y covellita; junto a ellos hay muchos otros minerales raros en zonas de enriquecimiento secundario como son calcopirita, pirita, bornita y, sobre todo, enargita-luzonita, estos últimos una serie que se interpreta como definitoria de sistemas epitermales de alta sulfidización. En las zonas más fracturadas hay abundantes venas masivas de minerales secundarios de cobre y hasta 40 cm de grosor que han formado las zonas de alta ley, ya explotadas, con contenidos en cobre de hasta el 20%. Esta mineralización está ligada a una importante alteración ácida que ha transformado las rocas encajantes a un agregado de caolinita y alunita y que ha permitido datar el evento de máxima mineralización. La edad Ar-Ar de la alunita indica que la mineralización secundaria empezó hace unos 85 Ma pero que el evento más intenso fue hace 11 Ma, coincidiendo quizás con el evento de máxima extensión que dio lugar a la Cuenca del Guadalquivir.

Geomicrobiología: ¿Un ecosistema único?

Ya los primeros estudios en Las Cruces (Doyle, 1996; Knight, 2000; Blake, 2008) destacaron la existencia de unas rocas enriquecidas en siderita y calcita, galena y sulfuros de hierro y enriquecidas en oro y plata que no se pueden formar en ambientes superficiales oxidados. Estas rocas se localizan encima de la zona de cementación en el lugar que correspondería a un antiguo gossan formado antes del enterramiento de la mineralización bajo los sedimentos terciarios. Su mineralogía indica que han tenido que formarse en los últimos 8 millones de años, cuando quedaron aislados de un ambiente oxidado por el depósito de los sedimentos messinienses. Desde el punto de vista geoquímico, la formación de estas rocas implica un importante proceso de bioreducción que solo puede estar ligado al metabolismo de un consorcio microbiano. Esto incluiría la reducción del Fe3+ a Fe2+ para formar siderita y sulfuros de hierro a partir de la goethita-hematites dominantes en el gossan, incremento del contenido en azufre reducido para formar los sulfuros y aumento de la presión parcial de CO2 para estabilizar los carbonatos. Como es sabido, estos procesos de reducción pueden darte habitualmente en ambientes geológicos anóxicos a temperaturas por encima de los 150-200°C. Sin embargo, son extremadamente lentos a temperaturas inferiores, donde casi sólo tienen lugar en presencia de actividad biológica. De hecho, desde el punto de vista geoquímico, la vida existe porque es capaz de catalizar estos procesos redox a bajas temperaturas durante el metabolismo. Particularmente importante en este sistema es la respiración anaerobia de sulfato, en la que algunos tipos de bacterias y arqueas utilizan sulfato en lugar de oxígeno y producen azufre reducido, que a su vez puede ser utilizado por otros quimiolitótrofos presentes.

En la zona secundaria de Las Cruces hay actualmente una importante vida subterránea anaerobia y aislada de la superficie y que incluye una gran variedad de bacterias y arqueas que aprovechan muy diversos nutrientes de los ciclos del hierro, azufre, nitrógeno y carbono

El reto científico que se nos ha  planteado en Las Cruces es probar que ha habido, y quizás haya, vida y que ésta sea la responsable de la formación de una nueva mineralización. Los isótopos de carbono en los carbonatos indican que hay una fuente muy empobrecida en 13C, algo que sugiere que al menos parte del carbono es de origen biológico y ligado a la oxidación por micro-organismos extremófilos de metano y/o hidrocarburos ligeros. Por su parte, los isótopos de azufre son menos elocuentes. Aunque tradicionalmente se considera que los valores muy negativos son inequívocamente ligados a la actividad biológica, tenemos que los valores de los sulfuros secundarios de Las Cruces están incluso más enriquecidos en 34S que los propios sulfuros masivos. La única explicación coherente es que quizás los micro-organismos vivían en un ambiente con exceso de nutrientes (hidrocarburos, metano,…) pero insuficiente azufre, algo que motivó que éste se reciclara continuamente en un ambiente cerrado y unos valores de d34S que se aproximaran a los de la fuente oxidada.

La observación de fósiles de microbios (Fig. 3) deja poco lugar a dudas de la existencia de esta actividad microbiana. A pesar que estas estructuras son muy metaestables y rápidamente recristalizan, bajo el microscopio electrónico se observan estructuras vermiformes intercrecidas de hasta 5 micras de longitud y una micra de diámetro que son muy similares en forma y tamaño a los microbios. Probablemente, éstas corresponden a organismos  sulfatorreductores que durante su metabolismo han producido azufre reducido que reaccionando con el Pb2+ en disolución ha precipitado un exoesqueleto de galena que los incluyó. De todas formas, lo que todavía no sabemos es si la formación de galena fue casual – simplemente inducida por el aumento de la concentración de H2S – o fue el resultado de un mecanismo inducido por el microbio para librarse del venenoso plomo. En cualquier caso, el mecanismo de biomineralización fue tremendamente efectivo y acabó matando por asfixia a los microbios responsables del proceso.

Figura 3. Detalle de las rocas de origen biogénico, con restos de la “roja roja” formada por siderita y sulfatos y carbonatos de plomo entre “roca negra” formada por galena, sulfuros metaestables de hierro y calcita.

Lamentablemente, las técnicas geológicas a nuestro alcance solo permiten confirmar que este tipo de proceso ha tenido lugar, pero no pueden precisar con seguridad si éste continúa activo hoy en día. Sin embargo, las técnicas microbiológicas han sido capaces de detectar que en la zona secundaria de Las Cruces hay actualmente una importante vida subterránea anaerobia y aislada de la superficie y que incluye una gran variedad de bacterias y arqueas que aprovechan muy diversos nutrientes de los ciclos del hierro, azufre, nitrógeno y carbono. Las reacciones reducción-oxidación entre minerales y complejos acuosos y gaseosos permiten a este amplio consorcio de micro-organismos encontrar las fuentes de energía necesarias para su supervivencia en ausencia de oxígeno. Esta comunidad microbiana está dominada por bacterias sulfato-reductoras pero las hay capaces de oxidar y reducir hierro y metano. Aunque algunos de estos ciclos se ven reflejados en la mineralogía observada en las Cruces, en otros como es el caso del nitrógeno, no han precipitado minerales y, por lo tanto, no dejaron huella en el registro geológico (Tornos et al., 2017b).

Conclusiones

El depósito de Las Cruces es uno de los depósitos minerales más complejos y más ricos en cobre del mundo Pero además, tiene una gran importancia científica porque actualmente alberga un ecosistema extremófilo subterráneo que continúa precipitando sulfuros y modificando la química de los acuíferos. Su estudio puede dar claves fundamentales para comprender lo que se llama la “biosfera profunda” o sistemas vivos en ausencia de oxígeno, permitiendo abrir caminos para comprender la vida en ambientes extremos, el origen de la misma o su desarrollo en sistemas extraplanetarios.

Agradecimientos

Los estudios que se llevan a cabo en Las Cruces no serían posibles sin la colaboración y apoyo de Mina Las Cruces SA (First Quantum Minerals) y el apoyo económico del proyecto CGL2011-23207 del Plan Nacional, el proyecto ProMine del VII Programa Marco de la Unión Europea y el proyecto IPBSL de la European Science Foundation. Agradecemos al personal de Las Cruces y a los diversos investigadores que han colaborado en diversas etapas del proyecto, Ricardo Amils, Carmen Conde, Antonio Delgado, Nieves G. Miguelez, Asunción de los Ríos, Nuria Rodríguez, José Luis Sanz y John Slack, su contribución al mismo. Ester Boixereu nos animó a escribir esta nota, sugiriendo correcciones para hacer el texto más comprensible.

Figura 4. Detalle de las rocas ricas en galena bajo el microscopio electrónico. La galena forma estructuras vermiformes de unas 10 micras de longitud que son fósiles de probables microbios sulfato-reductores.

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