Controls on Ge/Si ratios in siliceous sinters in geothermal fields

Abstract

Los sínteres silíceos son depósitos formados cerca de la superficie, al precipitar un fluido hidrotermal rico en sílice. El campo geotermal El Tatio, ubicado a 4300 m.s.n.m. en Sudamérica, y contiene más de 200 manifestaciones termales. Las tasas de precipitación de sílice en El Tatio parecen estar controladas por las condiciones ambientales, que impulsan el enfriamiento rápido del agua, la alta evaporación y los microorganismos presentes. La dinámica de la precipitación puede influir en la incorporación de elementos traza como el Ge y el Al, que pueden sustituir a los átomos de Si en la estructura del ópalo. El objetivo de esta investigación es determinar la variación de la razón Ge/Si en fluidos y precipitados fósiles y modernos del campo geotermal El Tatio, además de comprender el efecto de las condiciones medioambientales en el fraccionamiento de la razón Ge/Si durante la precipitación de ópalo. Se seleccionaron dos manifestaciones termales, Ckoitchi (chorro perpetuo) Vega Rinconada (géiser), para la obtención de muestras de fluidos hidrotermales y depósitos de sínteres activos, así como para el desarrollo de experimentos de precipitación y evaporación in-situ. Además, se consideró la toma de muestras de un sínter fósil para su posterior comparación, junto con muestras de estudios previos en El Tatio y en otros dos campos geotermales de Chile. A partir del experimento de evaporación, se estableció que, a mayor volumen evaporado, precipita más sílice, aumentando las razones Ge/Si en el fluido desde 71.9 a 81.4 μmol/mol, debido al comportamiento conservativo del Ge con respecto al Si. Los fluidos hidrotermales en El Tatio presentan razones Ge/Si entre 68.52 y 110.98 μmol/mol, mientras que los depósitos de sínter tienen razones Ge/Si que varían de 1.3 a 32.58 μmol/mol. Respecto al experimento de precipitación, se obtuvieron tasas de precipitación mayores de las ya registradas para El Tatio, entre 0.44 y 5.8 kg/año/m2 . Las tasas de precipitación aumentan a medida que el fluido se enfría al escurrir desde su fuente, desde 0.6 a 2.7 kg/año/m2 en promedio entre la fuente y el punto más distal muestreado (4.2 metros), tanto en el chorro perpetuo como en el géiser. Además, el experimento demuestra que la razón Ge/Si de los precipitados disminuye alejarse desde la fuente. Las razones Ge/Si obtenidas en los depósitos de sínteres muestran una relación inversamente proporcional con las tasas de precipitación, lo cual es indicativo de que, a mayores tasas de precipitación, la incorporación de Ge en los depósitos disminuye, debido a la lenta cinética de incorporación del Ge respecto a la precipitación de Si. Los resultados evidencian la lenta incorporación de elementos traza en sínteres silíceos a medida que aumenta la tasa de precipitación de sílice, subrayando la influencia de la cinética de los procesos hidrotermales en la precipitación de elementos y su partición en fases sólidas, enfatizando el uso de la razón Ge/Si como trazador de la dinámica del sílice en ambientes hidrotermales.

Silica sinters are opal deposits formed by the precipitation of silica-rich hydrothermal fluids near the Surface. The El Tatio geothermal field is located at 4300 m.a.s.l. in South America, hosts more than 200 hydrothermal manifestations. The precipitation dynamics can impact the incorporation of trace elements such as Ge and Al which can substitute Si atoms in the opal structure. This thesis aims to understand determine the variation of the Ge/Si ratio in fossil and modern fluids and precipitates from the El Tatio geothermal field, in addition to understanding the effect of environmental conditions on the fractionation of the Ge/Si ratio during opal precipitation. Two thermal manifestations, Ckoitchi (perpetual spouter) and Vega Rinconada (geyser), were selected for sampling hydrothermal fluids and active sinter deposits, as well as for conducting in-situ precipitation and evaporation experiments. Additionally, sampling included a fossil sinter for comparative analysis, alongside samples from previous studies conducted in El Tatio and two other geothermal fields in Chile. The evaporation experiment shows that higher volumes of evaporation lead to increased silica precipitation, thereby increasing the Ge/Si ratios in the fluid from 71.9 to 81.4 μmol/mol, due to the conservative behavior of Ge relative to Si. Hydrothermal fluids in El Tatio exhibit Ge/Si ratios ranging from 68.52 to 110.98 μmol/mol, whereas sinter deposits have Ge/Si ratios varying from 1.3 to 32.58 μmol/mol. The results from the silica precipitation experiments show higher precipitation rates when compared to those previously documented for El Tatio, ranging between 0.44 and 5.8 kg/year/m2 . The precipitation rates increase as the fluid cools while flowing from its vent, ranging from 0.6 to 2.7 kg/year/m2 on average between the vent and the furthest sampled point (4.2 meters), both in the perpetual spouter and the geyser. In addition, the silica precipitation experiments show that Ge/Si ratios in the precipitates decreases downstream from the vent. Overall, the results from both precipitation experiments and in-situ sinter deposits show that Ge/Si ratios show an inversely proportional relationship with precipitation rates, indicative that higher precipitation rates lead to reduced Ge incorporation into silica, due to the slow kinetics of Ge partitioning into the solid. The results highlight the slow incorporation of trace elements into silica sinters as silica precipitation rates increase, emphasizing the influence of hydrothermal process kinetics on element precipitation and partitioning into solid phases. Additionally, it underscores the utility of the Ge/Si ratio as a tracer of silica dynamics in hydrothermal environments.