U N I V E R S I D A D D E C O N C E P C I Ó N

DEPARTAMENTO DE CIENCIAS DE LA TIERRA 10° CONGRESO GEOLÓGICO CHILENO 2003

GEOLOGÍA Y GEOTECNIA UNIDADES DE BRECHAS BRADEN SALA DE CHANCADO PROYECTO PIPA NORTE. YACIMIENTO EL

TENIENTE. CHILE CENTRAL

PEREIRA J.1, RUSSO A.1, KARZULOVIC A.2 1 División El Teniente, Codelco Chile. Av. Millan 1040 Rancagua, jpereira@codelco.cl, arusso@codelco.cl 2 Alfredo Rioseco 0238, Providencia, Santiago, akarzulovic@akl.cl INTRODUCCIÓN El yacimiento de cobre y molibdeno “El Teniente” se encuentra en la Sexta Región, aproximadamente 42 km al noreste de la ciudad de Rancagua y 72 km al sur sureste de la ciudad de Santiago. Este yacimiento se clasifica como un depósito de brechas (Skewes et al., 2002) y su mineralización está albergada en complejos de rocas máficas y félsicas, que intruyen a la Formación Farellones (Mioceno inferior a medio). Representa uno de los yacimiento de cobre más grande del mundo con una reserva actual mayor a 75 x 106 t de Cu fino, con una ley media mayor a 0.67%. Las reservas de molibdeno fino son mayores a 1.4 x 106 t, con una ley media de 0.019%. Una de las principales características de este yacimiento lo constituye el Complejo de Brechas Braden, denominado localmente “Pipa”. Representa una diatrema freatomagmática con forma de cono invertido, subcircular en planta, con un diámetro de 1.2 km en la superficie actual y una extensión vertical máxima de más de 3 km. Toda la infraestructura de la mina está emplazada al interior de este complejo de brechas, debido a su mineralización subeconómica (< 0.3% Cu) y buena calidad geotécnica. A partir del año 2003, División El Teniente tiene incorporado, en su plan de producción, las reservas del Proyecto Pipa Norte, que incluye una sala de chancado, la cual se ubicará en el interior de la Pipa Braden a la elevación del Nivel Ten 6 (2.165 m.s.nm.). Dado que se trata de una excavación subterránea de gran tamaño (28 m de largo, 13 m de ancho y 16 m de alto) y de valor estratégico para la División, su análisis y diseño geotécnico deberá tener el grado de detalle y cumplir las exigencias propias de las obras civiles importantes.

Con el objeto de reconocer el sector de estudio, se perforaron 1030 m de sondajes geotécnicos los que se mapearon e interpretaron, se obtuvieron testigos de los distintos tipos de Brecha Braden, se ejecutaron ensayos de laboratorio y sobre la base de la interpretación y evaluación de todo lo anterior, se procedió a caracterizar geotécnicamente los distintos tipos de Brecha Braden. GEOLOGÍA CHIMENEA DE BRECHAS BRADEN

Todas las contribuciones fueron proporcionados directamente por los autores y su contenido es de su exclusiva responsabilidad.

La Chimenea de Brechas Braden corresponde a un complejo de brechas hidrotermales, ubicado en la zona central del Yacimiento El Teniente (Figura 1).

FW

DR

XC-25 AN

ACCESO SUR PRODUCCION

FW

DR

XC-25 AN

ACCESO SUR PRODUCCION

+200

0E

-1000S

+180

0E

-800S

-600S

-400S

-200S

+1800N

+1600N

+800N

+600N

+400N

+800

E

+600

E

+400

E

+200

E

0-0

-200

W

+100

0E

+140

0E

+120

0E

+160

0E

+1000N

+1200N

+1400N

+200N

0-0

2º

1º

2º

2º

1º

PORFIDO DIORITICO BLANCO

LEYENDA

TALUS

ANDESITAS DE LA MINA

BRECHA BRADEN

BRECHA TURMALINA

BRECHA ANHIDRITA

BRECHA IGNEA DE DIORITA

DIORITA

DACITA

PORFIDO ANDESITICO

PORFIDO A

PORFIDO LATITICO

DIQUE LAMPROFIDO

MENA 1º/2

BRECHA IGNEA DE DACITA

1º2º

Figura 1. Planta geológica nivel Teniente 6 indicando ubicación de la Sala de Chancado, Proyecto Pipa Norte. Sobre la base de estudios en inclusiones fluidas (Skewes, 1992), se puede establecer que la “Pipa Braden” habría alcanzado una extensión vertical total de más de 4200 m, de los cuales se habrían

erosionado unos 1200 m. Su contacto oriental con las rocas de caja es subvertical, mientras que su contacto occidental tiene una inclinación promedio de 60º al Este, de modo tal que el eje de la diatrema se encuentra inclinado unos 70º hacia el NE. Uribe y Floody (2003) definen 10 unidades litológicas que conforman esta chimenea, las cuales son: Brecha Braden Sericita (BBS), Brecha Braden Sericita Fina (BBSF), Brecha Braden Sericita Bolones (BBSB), Brecha Braden Clorita (BBC), Brecha Braden Turmalina (BBT), Brecha Braden Turmalina Bloques (BBTB), Brecha Braden Sulfuros (BBSU), Brecha Braden Marginal Turmalina (BBMT), Brecha Braden Marginal Clorita (BBMC) y Brecha Braden Marginal Anhidrita (BBMA). Algunas de estas unidades han sido reconocidas en el sector de estudio y su descripción se presenta en el siguiente capítulo. La Chimenea Braden presenta diferentes tipos de alteración hidrotermal: alteración de tipo cuarzo-sericita, que es la más conspicua y presenta mayor intensidad en la parte septentrional de la chimenea; alteración del tipo clorítica que aparece preferentemente en los márgenes y parte meridional de la chimenea; además de alteraciones por turmalinización, carbonatización, silicificación y argilización, de poca extensión areal. La mineralización, preferentemente diseminada en el cemento-matriz de las brechas, consiste principalmente en pirita y en forma subordinada, calcopirita. También aparece molibdenita, pero en halos de vetillas. Otra característica particular de la Chimenea Braden corresponde a la presencia de drusas. A la fecha se han reconocido 17 drusas, con volúmenes de hasta 300 m3 y minerales perfectamente cristalizados de yeso, pirita, tetraedrita, esfalerita, ankerita, baritina, calcopirita y galena. Las vetas y vetillas presentes se han clasificado de acuerdo a la mineralogía sulfurada predominante, mientras que la mineralogía de ganga está dada por la presencia mayoritaria de anhidrita y en forma subordinada, por cuarzo, turmalina, yeso y carbonatos. Conforme con esto se definen los siguientes tipos de vetas y vetillas: pirita, calcopirita, tenantita-tetraedrita, molibdenita y galena-esfalerita.

GEOLOGÍA SECTOR SALA DE CHANCADO PROYECTO PIPA NORTE La definición de las unidades litológicas que ocupan el volumen de la sala de chancado se basó en el mapeo geológico de detalle (escala 1:250) de una campaña de 7 sondajes geotécnicos de diamantina con un largo total de 1030 m. Como se muestra en Figura 2, a partir del mapeo geológico de los sondajes se han reconocido, en el entorno de la sala de chancado, las unidades que se describen en Tabla1. ENSAYOS DE LABORATORIO Con el objeto de obtener una adecuada caracterización geotécnica de los tipos de brechas descritos anteriormente, se realizó una campaña de ensayos geotécnicos en los laboratorios de mecánica de rocas de las empresas CIMM T&S S.A., en Santiago y RockTest, en Calama. El detalle del tipo y cantidad de ensayos, se presenta en Tabla 2.

500N

300E

400N

400E

500E

B

B' A'

A

D'D

SG-105

SG-104

SG-102

SG-107

SALA CHANCADOPROYECTO PIPA NORTE

SG-106

Figura 2. Planta y secciones geológicas Sala de Chancado, Proyecto Pipa Norte.

Tabla 1. Unidades litológicas reconocidas en el sector de la Sala de Chancado Proyecto Pipa Norte

Unidad Subunidad Descripción Foto Brecha Braden Sericita (BBS)

Indiferenciada

Es la más abundante en la “Pipa” Braden y consiste de una brecha hidrotermal polimíctica, matriz soportada, constituida de fragmentos subredondeados a subangulosos. Los fragmentos muestran una mala clasificación y están inmersos en un cemento-matriz compuesto por polvo de roca y sericita, con cantidades menores de cuarzo, turmalina, anhidrita, yeso y carbonatos. Presenta variedades que involucran la fábrica, el tamaño y forma de los clastos, el porcentaje de los mismos con respecto al cemento-matriz, alteración y mineralización que la afecta. Esta brecha contiene vetillas, constituidas mayoritariamente por anhidrita y minoritariamente, por la asociación anhidrita, sulfuros y/o turmalina. Los espesores no exceden los 5 mm.

Clastos Finos (cf)

Ocupa la parte occidental de la sala de chancado. Los contactos con la BBT, que limita al Oeste, son graduales, mostrando un paulatino aumento de la intensidad de la turmalinización. Los contactos con la BBScg, que limita al Este, no son bien definidos, debido a que ambas unidades presentan características similares, diferenciándose sólo por el tamaño y el porcentaje de los clastos. Corresponde a una brecha polimíctica predominantemente matriz-soportada, de tipo sericítica, con pequeños tramos de tipo clasto-soportada. Los clastos son subredondeados a subangulosos y generalmente sericitizados, constituyen entre el 20 y 45% de la roca, con tamaños típicos de 2 a 3 mm. Las vetillas presentes están constituidas mayoritariamente por anhidrita, minoritariamente por la asociación anhidrita, sulfuros y/o turmalina. Los espesores de estas vetillas varían entre 1 y 5 mm. La frecuencia de vetillas por metro varía de 0.0 a 0.6 v/m.

Clatos Gruesos (cg)

Se reconoce en la parte central de la sala de chancado. Hacia el Oeste limita con la BBScf y hacia el Este con la BBT. Los contactos con la BBT son transicionales y no bien definidos en el caso de la BBScf. Corresponde a una brecha polimíctica predominantemente clasto-soportada, con pequeños tramos de tipo matriz-soportada. Los clastos son subredondeados a subangulosos y generalmente están sericitizados, constituyen entre el 25 y 80% de la roca, con un predominio de tamaños menores a 2 cm. Las vetillas están constituidas mayoritariamente por anhidrita, minoritariamente por la asociación anhidrita, sulfuros y/o turmalina. Los espesores de estas vetillas varían entre 1 y 5 mm. La frecuencia de vetillas por metro varía de 0.0 a 0.6 v/m.

Brecha Braden

Sericita Fina (BBSF)

Se presenta en forma de diques y ha sido reconocida en dos sectores: al Norte de la sala de chancado, con una potencia de 1.0 a 1.5 m y al interior de la sala con un espesor menor a 50 cm. La principal característica de esta brecha es la abundancia del cemento-matriz, el cual constituye del 80% al 90% de la roca y la escasa presencia y reducido tamaño de sus fragmentos (< 5 mm), los que se encuentran intensamente sericitizados. Presenta contactos nítidos con las otras unidades de brecha.

Brecha Braden

Turmalina (BBT)

Ocupa la parte oriental de la sala de chancado, hacia el Oeste limita con la BBScg y hacia el Este, fuera de la sala de chancado, con la BBS. Los contactos con estas dos unidades son del tipo gradacional, dado que la turmalinización disminuye paulatinamente. La intensidad de la turmalinización de esta unidad presenta una gran variabilidad, por lo que en el mapeo de los sondajes se han diferenciado tres tipos de BBT: turmalinización intensa, moderada y débil. Esta unidad corresponde a una brecha principalmente matriz soportada, a veces clasto-soportada. En general, en la BBT los clastos son de mayor tamaño que los de las unidades descritas anteriormente, de formas subredondeadas a subangulosas y con sericitización intensa y constituyen del 10% al 75% de la roca. El tamaño de los clastos es muy variable y los tramos de granulometría mayor, presentan una turmalinización más intensa. Tiene escasa presencia de vetillas con potencias de 1 a 2 mm y frecuencias de 0.2 y 0.6 v/m. Su relleno está constituido principalmente por anhidrita, anhidrita-calcopirita, y anhidrita-blenda-galena-calcopirita.

Tabla 2. Detalle ensayos geotécnicos Sala de Chancado Proyecto Pipa Norte Tipo de ensayo Densidad Porosidad Compresión

uniaxial simple Módulos elásticos

estáticos Resistencia a la tracción

Compresión triaxial

Nº de ensayos 291 283 133 121 121 97 EFECTO DE ESCALA La magnitud del valor de resistencia de una roca decrece al aumentar el volumen ensayado. Este fenómeno se conoce como efecto de escala. En 1980, Hoek & Brown presentaron una curva de escalamiento para la compresión uniaxial simple (UCS), a partir de resultados de laboratorio de distintos tipos litológicos. La relación establecida por estos Autores, para normalizar el valor de UCSd de una probeta de diámetro d, al valor de UCS50 de una probeta de 50 mm de diámetro es la siguiente:

18.0

50 50 −

=

dUCSUCSd

En este trabajo se establece una relación de escala, ad hoc, para los diferentes tipos de Brecha Braden, considerando además de la UCS (Figura 3), la resistencia a la tracción, TS (Figura 4) y el módulo de Young, E (Figura 5). Para este propósito se ensayaron probetas de diámetros 45 mm, 47 mm, 69 mm, 100 mm y 140 mm, además se consideraron resultados de campañas de ensayos anteriores. Los resultados obtenidos permitieron definir tres curvas de escalamiento, del mismo tipo de la curva general propuesta por Hoek & Brown (1980), las cuales se presentan a continuación con su respectiva relación matemática.

Relación de escala para el UCS

25.0

50 50 −

=

dUCSUCSd

donde UCSd es la resistencia en compresión uniaxial de una probeta de diámetro d, expresado en mm y UCS50 es la resistencia de una probeta de 50 mm de diámetro (obviamente ambas probetas tienen la misma esbeltez). Para la construcción de la curva se consideraron 145 ensayos.

Figura 3. Curva de escala para la resistencia a la compresión.

Relación de escala para la TS

15.0

50 50 −

=

dTSTSd

donde TSd es la resistencia en tracción indirecta (discos sometidos a carga diametral) de un disco de diámetro d, expresado en mm y ´TS50 es el valor esperado de la resistencia en tracción indirecta para un disco de 50 mm de diámetro (obviamente ambos discos tienen la misma esbeltez). Para la construcción de la curva se consideraron 150 ensayos.

Figura 4. Curva de escala para la resistencia a la tracción.

Relación de escala para el E

20.0

50 50 −

=

dEEd

donde Ed es el módulo de deformabilidad de una probeta de diámetro d, expresado en mm y E50 es el valor esperado del módulo de deformabilidad para una probeta de 50 mm de diámetro (obviamente ambas probetas tienen la misma esbeltez). Para la construcción de la curva se consideraron 113 ensayos.

Figura 5. Curva de escala para el módulo de Young. PROPIEDADES GEOTÉCNICAS DE LA ROCA INTACTA Y DEL MACIZO ROCOSO Todo lo anteriormente expuesto respecto al efecto de escala permitió homogeneizar la información resultante de los ensayos de laboratorio utilizando probetas de diámetros en el rango de 45 a 140 mm. Las propiedades geotécnicas estimadas para la roca intacta se presentan en Tabla 3. Los valores indicados están normalizados a probetas de 50 mm de diámetro, utilizando las relaciones establecidas en el presente trabajo para los parámetros UCS, TS y E. Las propiedades geotécnicas estimadas para el macizo rocoso se presentan en Tabla 4. Para definir la resistencia se ha utilizado el criterio de Hoek-Brown, por ser un criterio no lineal que representa bastante bien el comportamiento en ruptura frágil de las rocas y tiene la ventaja adicional de incluir una metodología para escalar la resistencia a nivel de macizo rocoso, considerando un volumen del orden de 2x105 m3. Para escalar el parámetro E se utilizó la relación propuesta por Vásquez (2001), dado que la metodología de Serafim & Pereira (1983) sobreestima el valor del E, para el caso de macizos rocosos muy masivos, es decir con valores de GSI (índice de resistencia geológica) altos. Se realizó una validación de las propiedades obtenidas para las unidades BBS y BBT, mediante el software de elementos finitos PHASE, mostrando una buena comparación con el comportamiento observado en terreno.

Tabla 3. Propiedades Geotécnicas Roca Intacta Brechas Braden Sector Sala de Chancado. Proyecto Pipa Norte -Mina El Teniente.

Propiedades Geotécnicas Tipo de Brecha

BBS BBScf BBScg BBS/BBT BBT BBSF Peso unitario, γ (ton/m3) 2.40 2.47 2.50 2.45 2.45 2.30 Porosidad, n (%) 12 10 10 11 11 21 Resistencia en compresión uniaxial, UCS (MPa) 95 85 100 90 85 45 Resistencia en tracción indirecta, TS (MPa) 8 7 8 8 6 4 Módulo de deformabilidad, E (GPa) 24 27 33 28 27 22 Razón de Poisson, ν 0.20 0.22 0.22 0.20 0.18 0.24 Parámetros de Hoek-Brown: - mi 15.0 14.5 16.0 13.0 20.0 11.0 - σci (MPa) 95 85 100 90 85 45 - σti (MPa) 6 5 6 6 4 3

Tabla 4. Propiedades Geotécnicas Macizo Rocoso Brechas Braden Sector Sala de Chancado. Proyecto Pipa Norte - Mina El Teniente.

Propiedad Geotécnica Tipo de Brecha BBS BBScf BBScg BBS/BBT BBT BBSF

Peso unitario, γ (ton/m3) 2.40 2.47 2.50 2.45 2.45 2.30 Índice de resistencia geológica, GSI 70 a 90 75 a 90 70 a 85 70 a 90 75 a 90 75 a 90

Parámetros que definen el criterio de Hoek-Brown:

- σci (MPa) 95 85 100 90 85 45

- mi 15.0 14.5 16.0 13.0 20.0 11.0 - mb 7.50 7.85 7.25 6.50 10.0 5.95 - s 0.1132 0.1600 0.0920 0.1132 0.1132 0.1600 - a 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5

Resistencia del macizo rocoso (para definir valores de cohesión y ángulo de fricción se considera que 0 MPa = σ3 = 20 MPa):

- Compresión uniaxial, σcm (MPa) 42 42 40 39 41 24

- Tracción, σtm (MPa) 1.60 1.65 1.20 1.75 1.00 1.20

- Cohesión, c (MPa) 6.80 6.85 6.30 6.60 6.30 4.60

- Angulo de fricción, φ (grados) 42 42 43 41 45 35

Deformabilidad del macizo rocoso:

- Razón de Poisson, νm 0.22 0.24 0.24 0.22 0.20 0.26

- Modulo de deformabilidad, Em (GPa) 20.7 24.0 27.7 24.2 23.3 19.6 - Modulo oedométrico, Dm (GPa) 23.7 28.3 32.7 27.6 26.6 24.0 - Mod. def. volumétrica, Bm (GPa) 12.4 15.4 17.8 14.4 13.9 13.6 - Modulo de corte, Gm (GPa) 8.5 9.7 11.2 9.9 9.6 7.8

CONCLUSIONES El mapeo de sondajes a escala 1:250 permitió definir los siguientes tipos de brecha: Brecha Braden Sericita (BBS), Brecha Braden Sericita de clastos finos (BBScf), Brecha Braden Sericita de clastos gruesos (BBScg), Brecha Braden Sericita Fina (BBSF) y Brecha Braden Turmalina (BBT). Considerando los resultados de la campaña de ensayos geotécnicos, realizada con probetas de diferentes diámetros, se obtuvieron 3 curvas de escala para evaluar la variación de las propiedades geotécnicas con el tamaño de las probetas ensayadas. Para los tipos de brechas aquí

estudiados el efecto de escala asociado a la resistencia y deformabilidad puede evaluarse según la siguiente expresión:

bd d

PGPG −

=

50

50

donde PG d es el parámetro geotécnico medido en una probeta de diámetro d expresado en mm (UCS o resistencia en compresión uniaxial, TS o resistencia en tracción, y E o módulo de Young), PG 50 es el valor esperado de este parámetro para el caso de una probeta estándar de 50 mm de diámetro y b es un exponente que vale 0.25, 0.20 o 0.15 según se trate de UCS, E o TS, respectivamente. Las relaciones de escala establecidas para los tipos de brechas Braden pueden ser extrapoladas para otros tipos de brechas que presenten características geológicas y mecánicas similares. Para el caso de otros tipos litológicos, por ejemplo una andesita con stockwork, se recomienda investigar la validez de estas relaciones antes de aplicarlas. Las propiedades geotécnicas estimadas para las unidades de brecha BBS, BBScf, BBScg, BBS/BBT y BBT indican un comportamiento similar a un concreto de muy buena calidad. Las propiedades de la unidad BBSF son homologables a un concreto de calidad regular. AGRADECIMIENTOS Los autores desean expresar sus agradecimientos a División El Teniente de Codelco Chile por permitir la publicación de este trabajo, al Sr. Patricio Zuñiga R., Superintendente de Geología, por la valiosa revisión crítica del manuscrito y al Sr. Jaime Zapata N. por la elaboración de los planos geológicos. REFERENCIAS Hoek, E. y Brown, E. 1980. Underground Excavations in Rock. Institution of Mining and Metallurgy. 527 pp. London. Serafim, J. y Pereira, J. 1983. Considerations on the geomechanic classification of Bieniawski. Proc. Int. Symp. Eng. Geol. Underground Construction, LNEC, Lisbon, Portugal. 1983. Vol. 1, p .II33-II42. Skewes, A., Arévalo, A., Floody R., Zúñiga, P. y Stern, C. 2002. The Giant El Teniente Breccia Deposit: Hypogene Copper Distribution and Emplacement. Society of Economic Geologists. Special Publication 9. p. 299-332. Skewes, A. 1992. Estudio termométrico en brechas hidrotermales del distrito El Teniente, VI Región de Chile. Informe inédito preparado para la Superintendencia de Geológia, División El Teniente Codelco Chile. 40 pp. Uribe, F. y Floody, R. 2003. Vulnerabilidad geológica de la Pipa Braden, El Teniente, Chile. X Congreso Geológico Chileno, Concepción, Chile. 2003. Este volumen. Vásquez, P. 2001. Efectos de escala en el módulo de deformación del macizo rocoso. Memoria de título, Universidad de Santiago de Chile. Depto. Ingeniería de Minas. Santiago. Chile. 51 pp.