background image

GEOLOGICA CARPATHICA, 52, 2, BRATISLAVA, APRIL 2001

111—121

EVALUATION OF IDENTIFICATION METHODS FOR

CHRYSOCOLLA – A Cu-SMECTITE-LIKE HYDROUS SILICATE:

IMPLICATIONS FOR HEAP-LEACHING EXTRACTION OF COPPER

URSULA KELM 

1

*, VILMA SANHUEZA

1

, JANA MADEJOVÁ

2

,

VLADIMÍR ŠUCHA

3

 and FRANÇOISE ELSASS

4

1

Instituto de Geología Económica Aplicada, Universidad de Concepción, Casilla 160-C, Concepción 3, Chile

2

Institute of Inorganic Chemistry, Slovak Akademy of Sciences, 842 36 Bratislava, Slovak Republic

3

Department of

  

Mineral Deposits and Geology,

 

Faculty of Science, Comenius University, Mlynská  dolina,

842 15 Bratislava, Slovak Republic

4

Station de Science du Sol, INRA, Versailles, France

(Manuscript received June 2, 2000; accepted in revised form March 15, 2001)

Abstract: Chrysocolla has been characterized by XRD, FTIR, DTA-TG, TEM and EPMA in order to clarify proper-
ties of this phase and to identify a suitable routine identification method. Chrysocolla is X-ray amorphous, although in
some cases slightly sensitive to EG-treatment. IR spectra indicate a trioctahedral layer-silicate structure, resembling
in many features that of trioctahedral smectites. HRTEM images do not show a phyllosilicate-like repetitive layering
in  accordance  with  XRD  results.  The  SiO

2

/CuO  ratio  is  considered  responsible  for  the  degree  of  crystal  ordering

achieved. SiO

2

/CuO ratio near 1 results in an amorphous phase, while SiO

2

/CuO near 1.3 generates more smectite-

like characteristics. For routine analyses in mining operations, DTA-TG is considered feasible, once basic mineraliza-
tion types are known at a site.

Key words: Cu-leaching, mineral analysis, Cu-smectite, chrysocolla.

Introduction

Chrysocolla occurs in oxidation zones of porphyry copper de-
posits  and  has  often  been  used  as  exploration  guide  (Meach
1981). With colour shades from turquoise-blue and emerald-
green to blackish green and most frequently developed as col-
loidal  crusts  and  aggregates,  it  is  a  stable  member  of  many
mineral collections. Hardness of only 2 to 4 on the Mohs scale
makes chrysocolla unsuitable for a widespread application in
jewelry or ornamental items (Ďu a & Rejl 1997). The mineral
is translucent to opaque, biaxial (-), with 

α

 = 1.575—1.858, 

β

 =

1.597, 

γ

  =  1.598—1.635  (Anthony  et  al.  1995).  Fine  inter-

growths  with  the  host  rock  make  optical  identification  diffi-
cult, in particular for frequent associations of chrysocolla with
azurite, malachite and atacamite and intergrowths with phyllo-
silicates or zeolites of the ore host rock. This has been mani-
fested by the need to use alternative methods of characteriza-
tion,  in  particular  for  metallurgical  applications  (US  Patent
1980). Mineralogical reference databases (e.g. JCPDS – In-
ternational  Centre  for  Diffraction  Data)  cite  chrysocolla  as
Cu

2—x

  Si

2

O

5

  (OH)

.

 

H

2

O  (Van  Oosterwyck-Gastuche  1970).

The original formula, CuSiO

. H

2

O (Foote & Bradley 1913),

is still used in mineral atlases (Ďu a & Rejl 1997). Newberg
(1967) proposed the decomposition of feldspar in the presence
of copper-rich solutions as a mechanism for the formation of
exotic  (i.e.  sulphide  ore  body-distant)  chrysocolla  ores.  Ac-
cording to this author, conditions favouring this reaction are:
low  copper  concentrations,  silica  concentration  below  the
equilibrium  level  for  amorphous  silica,  low  concentration  of
interfering anions and a moderate to high pH (superior to 9).

The latter point has been experimentally reassessed by Yates et
al.  (1998),  indicating  a  pH  window  between  5—9,  with  opti-
mum conditions at neutrality.

Chrysocolla  is  a  widespread  exotic  copper  ore,  with  Mina

Sur (Chuquicamata) and Dona Ines de Collahuasi as the prime
examples  in  Chile.  Research  concerning  the  conditions  of
chrysocolla formation and its characterization has been gener-
ated as collateral information in the synthesis of trioctahedral
smectites (Kloprogge et al. 1999 and papers cited therein) as
well as by metallurgical studies aiming to predict the behav-
iour  of  chrysocolla  in  flotation  or  acid  leaching  processing
(Meach 1981 and Lindsay 1994). These process-oriented stud-
ies focus in particular on the physico-chemical characteristics
of  the  ore  minerals.  EXAFS  studies  (McKeown  1994)  have
been used to clarify the Cu-O and Cu-Cu environments using
copper oxide, dioptase and metal reference materials.

Chrysocolla often impregnates altered host rocks containing

smectite, chlorite, and laumonite. The Chile-based authors are
frequently  faced  with  the  need  to  unequivocally  identify
chrysocolla finely dispersed with the above phases and to pre-
dict possible causes for elevated acid consumption in leaching
processes.  The  smectite-group  minerals  have  been  identified
as  the  main  acid  consumer  from  copper  solutions  in  heap
leaching extraction processes (Gomer et al. 1991). However,
routine methods such as microscopy and XRD do not always
allow a satisfactory identification of minor admixtures of ei-
ther phase. It is therefore considered important to understand
single mineral characteristics before attempting to predict the
leaching behaviour, for example, of chrysocolla and smectite
or zeolite mixtures in a future stage of study.

background image

112                                                                                            KELM et al.

Therefore,  six  apparently  pure  chrysocolla  samples  have

been selected, with the aim of elucidating the texture and com-
position of the mineral at TEM level and thus to contribute in-
directly to the understanding of its behaviour in leaching pro-
cesses.  The  parallel  use  of  high  resolution  observation  and
analyses as well as more rapid and cheaper methods is aimed
at recommending an analytical procedure that will ease char-
acterization on a more routine and larger scale basis.

Methods

X-ray  diffraction  analyses  have  been  performed  using  a

Rigaku D max X-ray diffractometer with Ni-filtered Cu radia-
tion at the following slit settings: 1° divergence and antiscatter
slits, 1.5 mm receiving slit. Also  a  Philips  PW  1710 (Ni-fil-
tered Cu-K

α

 radiation) diffractometer has been used. Oriented

specimens have been recorded in an air-dry state and saturated
with ethylene glycol overnight at 70 °C.

The dehydration pattern of chrysocolla has been observed

using  a  differential  thermal/gravimetric  analyser  (Rigaku
TAS  100)  at  heating  speeds  of  10  °C/min  in  an  air  atmo-
sphere with approximately 30 mg of sample compacted in a
Pt microcrucible.

Infrared spectra have been obtained on a Nicolet Magna 750

Fourier  transform  infrared  spectrometer  equipped  with  a
DTGS detector. For each sample, 128 scans were recorded in
the 4000—400 cm

—1

 range. The samples had been prepared as

pressed KBr disks (1 mg of sample and 200 mg of KBr). The
disks were heated overnight at 150 °C to minimize the amount
of residual water in the KBr.

The HRTEM measurements were performed using a JEOL

1200  EXII  and  a  Philips  420  STEM  microscope  operated  at
120  kV.  Rock  chips  and  small  portions  of  water-saturated
<2 

µ

m fractions in Na-form were coated with agar, embedded

in  Spurr  resin  and  sectioned  by  ultramicrotome.  Under  such
conditions, any potential smectite layers intercalated by organ-
ic compounds produce interlayer distances of about 1.35 nm
(Tessier 1984).

Electron microprobe analyses (EPMA) were carried out on a

wavelength dispersive Jeol 8600 probe with a defocused beam
(40 

µ

m), 15 kV acceleration voltage and 10

—8

 A probe current.

Nitrogen  adsorption  at  77K  measurements  has  been  ob-

tained on a Gemini 2370 instrument after pre-treating samples
(0.153 g) in a nitrogen atmosphere for two hours at 350 °C, as
well as on a NAPLO 58301 equipment at 60 °C after degas-
sing under vacuum. Two samples (Chuqui 1 and 3) have been
selected for this analysis due to mineral purity and abundance
of sample material. Determinations have been carried out on
the < 200 Tyler mesh fraction.

Samples

For the present study, a total of six samples have been used.

Samples Chuquicamata 1 to 5 (Chuqui 1—5) are from the Mina
Sur exotic ore sector of the Chuquicamata porphyry copper de-
posit.  Chrysocolla  impregnates  gravel  and  basement  rock
along a 6 km long and 200 m to 1200 m wide paleochannel

(Ruiz & Peebles 1988). Sample Chuqui 1 corresponds to a col-
loidal dark green chrysocolla-gypsum vein of about 10 cm di-
ameter in the basement rock. Chuqui 2 is a conglomerate ce-
mented  with  green  chrysocolla.  Chuqui  3  is  a  pale  blue
colloidal chrysocolla sample from a 10 cm thick vein from a
core in the basement rock. Chuqui 4 represents a colloidal blue
chrysocolla  sample  from  an  approximately  1  m  thick  vein.
Chuqui  5  is  a  mixture  of  black  and  light  blue  chrysocolla,
forming veins of 3—5 cm thickness. A green-blue sample (col-
lection specimen) of unspecified origin has been incorporated.
All samples represent collection specimens, where chrysocolla
has been separated by handpicking for all stages of analyses
(see below). The chrysocolla of samples Chuqui 1, 3 and 5 are
obvious fillings of void spaces, thus minimizing the admixture
of host rock minerals during separation.

Results

XRD analyses

Greenish transparent and bluish parts of the sample, which

were  visually  identified  with  chrysocolla,  were  handpicked
and X-rayed in both random and oriented specimens (Figs. 1,
2). Samples of random orientation show broad peaks as indi-
cated by the ICCD reference card No. 27-188 of chrysocolla
accompanied by minor minerals (except for Chuqui 2) of the
host rock and vein phase gypsum (Table 1).

All  patterns  obtained,  except  for  sample  Chuqui  3,  were

without  distinct  peaks,  displaying  only  elevated  background
between  0.59  nm  and  0.225  nm.  Oriented  specimens  show
poorly resolved peaks in a low 2°

θ

 region. The shape of the

poor  peaks  seems  to  be  slightly  sensitive  to  ethylene  glycol
saturation (insert of Fig. 2). XRD patterns of Chuqui 3 sample
slightly differ from other patterns. Both air-dried and glycolat-
ed patterns show much better resolved peaks in the low two
theta region and at about 0.44—0.38 nm, 0.30 nm, and 0.256—
0.225 nm. This pattern is much more sensitive to glycolation
than other samples. The most intensive change after EG satu-
ration has been observed at about 1.7 nm, which may also in-
dicate traces of 1.7 nm smectite peak, and in the 0.44—0.38 nm
region. No EG sensitivity for chrysocolla has been reported so
far. Prosser et al. (1965) indicate a possible water uptake of 25
% without noticeable lattice expansion.

FTIR analyses

The IR spectra of all chrysocolla samples are similar in the

whole spectral range (Fig. 3). Spectral features resemble those
of  trioctahedral  2:1  layer  silicates  (Farmer  1974).  Xiao  &
Villemure (1998) and Decarreau et al. (1992) reported similar
spectra  for  synthetic  Cu  smectites.  A  sharp  band  near  3620
cm

—1

 is supposed to correspond to OH stretching vibrations of

structural  OH  group  coordinated  to  three  octahedral  cations,
although  a  band  at  3680  cm

—1

  for  trioctahedral  smectites  is

missing (Decarreau et al. 1992). Due to the high content of Cu
in the chrysocolla samples, Cu

3

OH is the most probable octa-

hedral arrangement. A broad absorption in the 3500—3000 cm

—1

range  is  attributed  to  the  OH  stretching  vibrations  of  water

background image

IDENTIFICATION  METHODS  FOR CHRYSOCOLLA – A  Cu-SMECTITE-LIKE  SILICATE                         113

Fig. 1.  Random X-ray diffractograms of chrysocolla.

Fig. 2. Oriented diffractograms of EG-saturated samples Chuqui 1—3.  EG sensitivity is demonstrated on the inset Chuqui 5 sample.

background image

114                                                                                            KELM et al.

molecules. A maximum of this band occurs near 3475 cm

—1

 for

all chrysocollas except Chuqui 3, where a 3442 cm

—1

 position

is  observed  (Fig.  3).  Differences  in  the  water  band  position
may indicate a change in the environment of the bound water
molecules. A shoulder near 3698 cm

—1

 may indicate traces of

kaolinite present as admixture in Chuqui 2 and 3; this trace has
not been detected by XRD. The Si-O stretching band observed
near  1026  cm

—1

  in  the  IR  spectra  of  Chuqui  1,  2,  4  and  5  is

shifted by about 10 cm

—1

 towards higher frequencies for Chu-

qui 3 and collection sample. In accordance with Decarreau et
al. (1992) a band near 780 cm

—1

 is due to Si-O vibration, while

Cu

3

OH bending vibration absorbs nearly 677 cm

—1

. In the re-

gion below 600 cm

—1

, two clearly resolved bands are present.

The absorption bands near 500 and 470 cm

—1

 are related to Cu-

O-Si and Si-O-Si bending, respectively.

TEM observations

Although all samples have been apparently pure handpicked

chrysocolla, differences in hardness have been observed dur-
ing  impregnation  with  Spurr  resin  and  subsequent  cutting  of
the samples. This may be due to different states of hydration of
the samples (see also DTA analyses); colloidal light blue sam-
ples (sample 3 and collection specimen) tended to disintegrate
easily  but  required  longer  periods  of  impregnation,  whereas
dark green-black samples did not pose any problem with cut-
ting (samples 1, 5).

A  spotty  appearance  of  irregular  by  contoured  aggregates

are common features observed in TEM images (Fig. 4). Spots
are present from the initial incidence of beam, becoming more
focussed and darker during the first minute of observation and
remaining stable even under long-term observation (>30 min).
Spot  diameters  for  dark  green  (possibly  more  hydrated,  see
DTA data) samples are larger than those for light blue ones.

Photographs represent the “definite” state of the spots (Figs. 4
and 5). HRTEM permits the observation of elongated diffuse
filaments, similar to fringe images, but with no regular spacing
observed between them. The width of the filaments is approxi-
mately 1.3 nm (white) and 1.6 nm (dark). They may also occur
as  individual  laths  in  an  otherwise  undifferentiated  ground-
mass (Fig. 6). Because of the size of the aggregates and their
dispersed  nature,  it  has  not  been  possible  to  obtain  a  usable
electron  diffraction  image.  When  trying  to  focus  diffraction
images, diffuse spots are observed frequently to disappear dur-
ing adjustment of the image, leaving only “amorphous” rings.
Similar changes have been observed by Van Oosterwyck-Gas-
tuche (1970) and McKeown (1994).

Ultrathin  sections  of  sample  Chuqui  4  show  at  very  low

magnification dominant lath-shaped particles (Fig. 7), which
display  at  higher  magnification  a  homogeneous  amorphous-
like  image.  The  image  is  very  similar  to  that  observed  by
Šucha  et  al.  (1998)  for  very  early  stages  of  illite  syntheses
from gel and glass.

DTA-TG analyses

Analyses were carried out at ambiental humidity of 45—50

% (Fig. 8A and B). The pure samples of chrysocolla (Chuqui 1
and  3)  show  a  broad  endothermic  peak  below  200  °C,  fol-
lowed by a continuous endothermic drift between 250 and 650
°C (Fig. 8B). Weight losses up to 200 °C have been 17 % for
dark  green  Chuqui  1  and  only  13  %  for  pale  blue  Chuqui  3
(Fig. 8A). A marked exothermic peak occurs at 695—705 °C.
At  1027  °C  an  endothermic  peak  is  observed.  Fusion  starts
above 1100 °C.

Compared to DTA spectra of many smectite group minerals,

chrysocolla lacks the bifurcated low temperature peak of most
smectite  samples  (Patterson  &  Swaffield  1987)  attributed  to
the loss of externally adsorbed and interlayer-bound water. No
endothermic peaks have been observed at 700 °C, nor the shal-
low endothermic/exothermic signal between 800 and 900 °C
(Paterson & Swaffield 1987), except for a slight endothermic
indentation at 550 °C for Chuqui 3.

To observe the formation of potential new phases, samples

have been heated for one hour to 350 and subsequently to 850
°C with each step checked by XRD analyses. No phase change
has  been  found  at  350  °C.  Sample  Chuqui  1  exhibits  a  faint
1nm peak on the diffractogram, which may possibly be attrib-
uted to a smectite collapse, although no such phase has been
detected by XRD. Tenorite formed at 700 °C, followed by oxi-
dation to cuprite at 1027 °C.

DTA/TG characteristics of chrysocolla reported by Meach

(1981) are similar to the samples analysed in this study. How-
ever, for the present samples, the initial endothermic peak is
observed at about 100 °C, that is 50° lower than the descrip-
tion by Meach. It is possible that this difference is due to using
a high temperature DTA/TG equipment, which does not yield
best results below 100 °C. The water uptake of up to 25 % re-
ported  by  Prosser  et  al.  (1965)  could  also  contribute  to  this
shift.

Chuqui 2 is a polymineralic sample with two dehydration

peaks at 80 and 130  °C, respectively (Fig. 8). It is doubted
that this endotherm doublet is attributable only to smectite.

Fig.  3.  The  FTIR  spectra  of  chrysocolla  samples  from  Chuquica-
mata (Ch1 to Ch 5) and collection specimen (Coll).

 

 

Ab

sor

b

ance

Wavenumbers / cm

-1

674

675

774

790

Coll

Ch 5

Ch 3

Ch 4

Ch 2

499

471

1026

673

1038

785

783

1037

3476

3623

3200

3600 3400

3442

K

3623

3475

1300

1100

3622

500

K

Ch 1

900

700

3620

 

 

 

 

background image

IDENTIFICATION  METHODS  FOR CHRYSOCOLLA – A  Cu-SMECTITE-LIKE  SILICATE                         115

Fig. 5. Large spots, which initially change their  morphology under the electron beam.

Fig. 4. Spotty appearance of chrysocolla surfaces under electron beam (TEM).

background image

116                                                                                            KELM et al.

Fig. 7. General lath-shaped aggregates at low TEM magnification.

Fig. 6.  Short-range, non-repetitive fibres, most noticeable grey sector along the lower image margin.

background image

IDENTIFICATION  METHODS  FOR CHRYSOCOLLA – A  Cu-SMECTITE-LIKE  SILICATE                         117

For the second peak, the loss of adsorbed water from feldspar
surfaces  is  suspected.  For  the  collection  sample  with  mala-
chite, the second endotherm corresponds to the loss of CO

2

from the copper carbonate. The shift of tenorite formation to
a temperature of about 730 °C could be due to the presence
of the CO

2

 generated in a static atmosphere (Bish & Duffy

1990).  Sample  Chuqui  5  shows  a  faint  indentation  of  the
principal  peak  of  water  desorption  at  about  130  °C.  This
could be due to the presence of a 1.4 nm, 0.7 nm or smectite-
type phyllosilicate not identifiable by XRD due to superposi-
tion with chrysocolla, although oriented XRD mounts do not
show clear smectite peaks. Chrysocolla is characterized by a
broad  dehydration  endotherm,  lack  of  dehydroxylation  en-
dotherms  typical  of  smectite  and  a  conversion  to  tenorite.
The  latter  two  aspects  mark  a  clear  difference  to  discrete
smectite. Higher temperatures of tenorite formation in Chu-
qui 5 could correspond to the presence of Mn in the sample
(Table 2, black chrysocolla).

Specific surface area

Nitrogen  adsorption  indicated  similar  specific  surface  ar-

eas for samples 1 and 3 (purest and abundant samples avail-
able, Table 1), 465 and 457 m

2

/g respectively for <200 mesh

Tyler  samples.  However,  it  should  be  taken  into  consider-
ation that the samples have been heated to 350 °C, implying
a  measurement  post-dehydration.  BET  values  drop  to  276
and 229 m

2

/g respectively, if this analysis is carried out post

degasification in vacuum at only 60 °C. These values agree
with specific surface areas of 200 m

2

/g calculated by Wright

&  Prosser  (1965).  Prosser  et  al.  (1965)  further  described
chrysocolla to have high porosity, permitting a water uptake
up to 25 % without noticable expansion of the lattice. How-
ever,  leaching  or  sintering  drastically  reduces  specific  sur-
face areas to < 50 m

2

/g (Pohlman & Olsen 1976; Raghaven

& Fuerstenau 1977).

Chemical analyses

Results are presented in Table 2. Due to the reduced amount

of sample available, electron microprobe analyses have been
chosen as the most adequate method to overcome this restric-
tion.  Despite  careful  handpicking,  traces  of  quartz,  feldspar,
gypsum  and  possibly  kaolinite  have  been  detected  in    three
samples  (Table  1).  These  are  reflected  as  minor  contents  of

Al

2

O

3

, Na

2

O, SO

3

 and CaO (Table 1, samples 1, 4, 5, collec-

tion sample). However, only sample Chuqui 2 proved to be a
very  fine  impregnation  of  feldspar  by  chrysocolla,  making
EPMA single phase analysis impossible.

With respect to total and soluble copper analyses, it is inter-

esting to note that two very pure chrysocolla samples (Chuqui
1  –  dark  green,  Chuqui  3  –  light  blue)  correspond  to  the
highest and lowest Cu solubilities respectively (Table 2).

Discussion and conclusions

Research on chrysocolla has developed along three lines: (1)

metallurgy with a focus on methods to characterize bulk ore
for flotation and leaching for process design and quality con-
trol, (2) synthesis of transition metal smectites and (3) crystal-
lographic work at TEM scale. Unfortunately, cooperation be-
tween  these  closely  related  subjects  has  been  restricted.  The
present discussion will first focus on the texture and structure
of the mineral and then routine methods best suited for mineral
identification will be examined.

Texture and structure

With respect to crystallographic characterization Van Oost-

erwyck-Gastuche  (1970)  has  pointed  out  the  presence  of  fi-
brous phases on low magnification TEM images. That author
proposed  a  palygorskite-like  structure  and  rejected  smectite-
type structures as well as a completely amorphous character.
She proposes for the c-dimension a distorted kaolinite lattice;
the distortion being due to the incorporation of Cu

2+

 in Al

3+

sites thus resulting in a chain structure perpendicular to the c-
axis. The present TEM observations confirm the presence of
fibrous aggregates without regular stacking (Fig. 6), appearing
as individual strings in an apparently amorphous groundmass.
XRD  traces  show  the  lack  of  long  range  ordering,  whereas
FTIR  suggests  the  presence  of  trioctahedral  layer-silicate
phases. Fibres have thicknesses of approximately 1.3—1.5 nm,
but no HRTEM stacks or packages could be observed. EXAFS
studies (McKeown 1994) have explored the Cu-Cu and Cu-O
environment of chrysocolla, suggesting possibly linked CuO

4

units similar to tenorite and dioptase; however Cu-Si correla-
tions remain unknown.

The presence of poorly crystallized material is corroborated

by  (1)  the  difficulty  of  focus  for  diffraction  images  and  (2)

Table 1:  Mineralogy of chrysocolla samples.

Chuqui 1

Chrysocolla***

Quartz*

Chuqui 2

Chrysocolla**

Plagioclase***

Quartz**

Gypsum**, Smectite or 1.4 o 7 nm Phyllosilicate?

Chuqui 3

Chrysocolla***

Chuqui 4

Chrysocolla***

Gypsum*

Chuqui 5

Chrysocolla***

Gypsum*

Quartz*

1.4 or 0.7 nm Phyllosilicate?

Collection Sample

Chrysocolla**

Malachite**

Quartz*

***

 

major phase,

 

**phase present, *phase at trace level, ? phase difficult to identify due to very low peak intensities and/or

      superposition of peaks

background image

118                                                                                            KELM et al.

blister like TEM images (Figs. 4, 5) adjusting under the elec-
tron beam.

Electron microprobe defocussed spot analyses indicate the

presence of 1—1.5 % MgO+CaO+K

2

O+Na

2

O (Table 2). These

oxides are attributed to “contaminating” matrix minerals such
a  feldspar  and  traces  of  chlorite,  although  the  latter  has  not
been clearly identified in the present samples; its presence is
known  from  the  study  of  the  host  rocks  impregnated  by
chrysocolla. The respective Al

2

O

contents for monomineralic

samples Chuqui 1 and 3 are 3.7 % and 3.1 %. Ratios of SiO

2

/

CuO  are  1.19  and  1.39.  Results  are  in  good  agreement  with
wet chemical analyses compiled by Van Oosterwyck-Gastuche
(1970),  although  differences  in  the  analytical  method  (AAS)
and the date of the cited analyses have to be taken into consid-
eration.  Given  the  obvious  partially  amorphous  character  of
chrysocolla, it is felt that at present no compositional formula
based on crystalline smectite can be given. The uncertainty of
proposing a definite mineral formula has also been observed
for  natural  Cu  incorporating  smectites  from  Peru  (Plötze  &
Wolf 1999). The specification of Cu content in the crystalline
phase has only been possible for synthetic smectites of transi-
tion elements. Conditions of synthesis permitting the incorpo-
ration of Cu in the octahedral sheet require Cu/(Cu + Mg) ra-
tios  <0.5  (Kloprogge  et  al.  1999),  otherwise  formation  of
chrysocolla occurs (Güven 1988). The element contents deter-
mined for the present study (Table 2) do not indicate condi-
tions favourable for the formation of smectite phases. Xiao &

Villemure (1998) report synthesis experiments in which a non-
expanding  chrysocolla  phase  results  in  the  SiO

2

/CuO  ratio

close to 1. At ratios around 1.3, an expandable phase forms.
Chuqui 1, 4, 5 and the collection sample have ratios close to 1,
Chuqui 3 approaches a ratio of 1.3 (Table 2). The presence of
minor  quartz  in  the  samples  may  affect  the  ratio.  For  most
samples no clear shift upon EG treatment has been observed,
although they seem to be sensitive to this treatment. The only
sample clearly sensitive to EG treatment is Chuqui 3, although
devoid  of  a  discrete  peak,  which  would  support  the  above
mentioned observation by Xiao & Villemure (1998). The col-
lection  sample  should  be  considered  with  caution  due  to  the
presence of malachite, although this mineral can be texturally
distinguished from chrysocolla under EPMA.

The large difference in the total and soluble copper analyses

between Chuqui 1 and 3 may point to the bonding of Cu in a
possibly  better  developed  phyllosilicate  structure,  which  is
more resistant against an acid attack. However, the increased
hydration of Chuqui 1 could have promoted leaching, although
further  samples  are  needed  to  afirm  or  reject  this  suspicion.
Furthermore, chrysocolla is a high surface area mineral. Val-
ues  of  >400  m

2

/g  (heated  350  °C)  or  250  m

2

/g  (60  °C)  are

comparable  with  smectites,  thus  making  acid  attack  easy.
FTIR (Si-O stretching band and OH-stretching vibration) and
XRD data show clear differences between Chuqui 3 and other
samples. FTIR seems to be more sensitive to the structuring of
the starting medium for crystallization (natural or synthetic),

Fig. 8A. TG curves of chrysocolla separates.

background image

IDENTIFICATION  METHODS  FOR CHRYSOCOLLA – A  Cu-SMECTITE-LIKE  SILICATE                         119

as it was observed also for synthetic ammonium illite (Šucha
et  al.  1998)  where  XRD  has  shown  no  reflection,  but  FTIR
clearly indicated evolution of the structure towards dioctahe-
dral ammonium mica. As each layer of a layer silicate absorbs
infrared radiation almost independently of its neighbours, the

recognition of their structures by their absorption pattern does
not depend on the presence of the packets of layers required to
give  a  distinct  X-ray  diffraction  (Farmer  1974).  Chrysocolla
samples,  except  Chuqui  3,  show  no  clear  XRD  peaks,  but
FTIR indicate several trioctahedral layer silicate features, most

Fig. 8B. DTA curves of chrysocolla separates.

Table 2:  Chemical analyses of chrysocolla samples by electron microprobe (EPMA) and atomic absorption spectroscopy (AAS). Elec-
tron  microprobe  analyses  represent  averages  of  4-5  determinations.  A  complete  set  of  analyses  is  available  from  the  authors.  Sample
Chuqui 2 represents a mixture of chrysocolla and feldspar (Table 1), no single phase analyses could be obtained.

Sample

Method

Chuqui 1

Chuqui 2

Chuqui 3

Chuqui 4

Chuqui 5
blue-green

Chuqui 5
black

Collection
Sample

Total Cu % (CuO %)

AAS

 27.4 (34.3) 10.6 (13.25) 26.1 (38.75) 31.0 (32.25)

25.8 (32.25)

31.95 (39.9)

Soluble Cu % (CuO %)* AAS

27.0

 9.5

18.1

28.9

24.8

29.38

SiO

2

 %

EPMA

51.28

55.45

49.84

52.47

45.86

50.00

TiO

2

 %

EPMA

0.02

0.02

0.01

0.00

0.00

0.02

Al

2

O

3

 %

EPMA

3.68

3.06

0.84

4.00

3.99

4.21

FeO %

EPMA

0.02

0.01

0.00

0.16

0.03

0.00

MnO %

EPMA

0.02

0.02

0.07

0.01

6.94

0.01

MgO %

EPMA

0.44

0.28

0.11

0.39

0.39

0.49

CaO %

EPMA

1.05

0.59

0.24

0.94

0.86

1.44

Na

2

O %

EPMA

0.24

0.26

0.01

0.39

0.57

0.03

K

2

O %

EPMA

0.05

0.11

0.00

0.12

0.10

0.02

CuO %

EPMA

43.07

39.87

48.72

41.07

41.24

43.71

SO

3

 %

EPMA

0.07

0.32

0.17

0.22

0.06

0.01

SiO

2

/CuO

1.39

1.02

1.28

1.11

0.95**

1.14

* Leaching by 1 molar citric acid for 1.5 hours.  ** SiO

2

/ (CuO + MnO)

background image

120                                                                                            KELM et al.

probably without any periodicity. Chuqui 3 seems to be a more
evolved stage towards a phyllosilicate with a periodical struc-
ture.  The  differences  in  perfection  of  the  sample  structure
could  ultimately  be  an  explanation  of  the  differences  in  the
Cu-leaching  experiments,  but  further  verification  with  more
samples is required. Conclusions explaining the <0.5 substitu-
tion of Mg by Cu in synthesis experiments of smectites may
also support the above ideas. Güven (1988) considers impor-
tant the similarity of the Si/metal ratio of the initial precipitate
to that of the resulting smectite (a feature also observed in zeo-
lite synthesis, Sanhueza et al. 1999). Under natural conditions,
environments  favourable  for  formation  of  chrysocolla  or
smectite-like phases are likely to fluctuate on a small scale un-
der natural conditions. The dominance of Cu over other metals
(see qualitative EDAX and EPMA analyses) also may prevent
the formation of smectite as observed by Mosser et al. (1990),
who  found  chrysocolla  at  Cu/Mg  ratios  >0.5.  These  authors
explain this phenomenon (using EXAFS) by a string distortion
of Cu octahedra due to the Jahn-Teller effect.

Methods of routine analysis

In determining differences among the chrysocolla-phyllosil-

icate  materials,  both  DTA-TG  and  FTIR  appear  as  powerful
tools, which could be applied also for technological purposes.
The only concern is that samples have to be picked very care-
fully in order to avoid any admixture which can affect the final
result of detailed XRD and FTIR measurement. XRD is poten-
tially useful, provided samples are of high purity and careful
EG treatment is carried out.

For routine analyses of chrysocolla ores, availability of the

method(s), easy use and time requirements have to be consid-
ered. For purposes of production, time available for analyses
may  be  only  several  hours.  Unequivocal  identification  of
chrysocolla  by  X-ray  diffraction  is  only  possible  when  sam-
ples have high contents of the mineral and EG treatment is car-
ried  out.  The  simultaneous  presence  of  chrysocolla  and  dis-
crete smectite is problematic with respect to identification of
the  expanding  phase  and  its  potentially  elevated  acid  con-
sumption  during  leaching.  IR  spectra  show  chrysocolla  with
several features of a trioctahedral smectite-like phase. Differ-
entiation of the mineral from a separate smectite phase will re-
quire  considerable  interpretation  skills,  not  easily  found  in
quality control laboratories on site or in mining contract ser-
vices.  For  the  samples  analysed,  a  difference  has  been  ob-
served in the DTA-TG curves for chrysocolla and chrysocolla-
smectite  samples.  The  routine  analyses  of  total  and  soluble
copper  in  bulk  samples  do  not  help  the  identification  of
chrysocolla and especially chrysocolla-smectite mixtures, un-
less performed first on carefully picked monomineralic speci-
mens. On the basis of the present study, despite the reduced
data set, the authors propose identification of chrysocolla-con-
taining  mineralization  types  by  combining  X-ray  diffraction
and infrared spectroscopy at the stage of mineralization type
study. For a later fast identification of chrysocolla and chryso-
colla—smectite mixtures in a production process, where miner-
alization  types  and  general  rock  mineralogy  are  already
known, thermal analysis represents a potential alternative, due

to its ease of sample preparation and interpretation (once cali-
brated) and the comparative low cost of a thermobalance.

Acknowledgements:  The  financial  support  of  Fondecyt
Project  1980503  (Chilean  Science  Foundation)  and  Slovak
Grant  Agency  (Grant  2/7202)  is  appreciated.  The  authors
thank  Andrés  Reghezza,  Superindentente  de  Ingeniería  Met-
alúrgica,  Subgerencia  Mina  Sur,  CODELCO,  Chuquicamata
for the supply of chrysocolla reference samples and staff in-
volved  at  Concepción  and  Bratislava  Universities  for  their
help at all stages of the study. The comments and suggestions
by Sabine Petit and Istvan Viczian have greatly helped to im-
prove the manuscript.

References

Anthony  J.W.,  Bideaux  R.A.,  Bladh  K.W.  &  Nichols  M.C.  1995:

Handbook of mineralogy. Volume II, Silica, Silicates. Mineral
Data Publishing, 
Tucson, Arizona, USA, 1—446.

Bish  D.L.  &  Duffy  D.L.  1990:  The  thermogravimetric  analysis  of

minerals.  In:  Stucki  J.W.,  Bish  D.L.  &  Mumpton  F.A.  (Eds.):
Thermal Analysis in Clay Science. Clay Mineral Society Work-
shop Lectures 3, The Clay Mineral Society,  
Aurora, Colorado,
USA, 95—189.

Decarreau  A.  1980:  Cristallogenése  expérimentale  de  smectites

magnésiennes:  Hectorite,  stévensite.  Bull.  Mineralogie  103,
579—590.

Decarreau A., Grauby O. & Petit S. 1992: The actual distribution of

octahedral cations in 2:1 clay minerals: Results from clay syn-
thesis. Appl. Clay Sci. 7, 147—167.

Ďu a R. & Rejl L. 1997: Edelsteine. Handbuch und Führer für den

Sammler. Aventinum Nakladatelství s r.o., Prague, 1—407.

Farmer  V.C.  1974:  Layer  silicates.  In:  Farmer  V.C.  (Ed.):  Infrared

Spectra of Minerals. Mineral. Soc. 331—363.

Foote H.W. & Bradley W.M. 1913: The composition of amourphous

minerals as illustrated by chrysocolla. Amer. J. Sci., 4th Ser. 36,
180—184.

Gomer J.S., Yopps S.W., Sandoval S.P. & Clark A.E. 1991: Copper

exchange  capacity  of  clays  and  their  potential  effect  in  in  situ
copper leaching. United States Department of Interior, Bureau
of Mines,
 Rep. Invest. 9396, 10.

Güven N. 1988: Smectites. In: Bailey S.W. (Ed.): Hydrous Phyllo-

silicates (Exclusive of Micas). Reviews in Mineralogy, Volume
19, Mineral. Soc. America
 497—559.

Kloprogge J.T., Komarneni S. & Amonette J.E. 1999: Synthesis of

smectite clay minerals: a critical review. Clays and Clay Miner.
47, 5, 529—554.

Lindsay  N.M.  1994:  Process  mineralogy  of  Manto  Verde,  Chile.

Austr. IMM Proc. 299, 2, 29—34.

McKeown D.1994: X-ray absorption spectroscopic study of copper

in  an  amorphous  copper  silicate:  chrysocolla.  J.  Non-Crystal-
line Solids
 180, 1—10.

Meach J.A. 1981: Chrysocolla ores. A technical and economic eval-

uation.  International  Academic  Services  Limited,  Kingston,
Ontario, Canada, 205.

Newberg  D.W.  1967:  Geochemical  implications  of  chrysocolla

bearing alluvial gravels. Econ. Geol. 62, 932—956.

Mosser C., Mestdagh M., Decarreau A. & Herbillon A. 1990: Spec-

troscopic (ESR, EXAFS) evidence of Cu for (Al-Mg) substitu-
tion in octahedral sheets of smectite. Clay Miner. 25, 271—282.

Patterson  E.  &  Swaffield  R.  1987:  Thermal  analyses.  In:  Wilson

M.J. (Ed.): A handbook of determinative methods in clay min-

background image

IDENTIFICATION  METHODS  FOR CHRYSOCOLLA – A  Cu-SMECTITE-LIKE  SILICATE                         121

eralogy. Blackie, Glasgow and London, 99—132.

Plötze  M.  &  Wolf  D.  1999:  Incorporation  of  Cu  in  smectite  from

Cerro  Verde-Santa  Rosa  (Peru).  Euroclay,  1999,  Krakow,  Po-
land, Abstracts.

Pohlman S.L. & Olson F.A. 1976: Characteristics of chrysocolla to

acid  leaching.  Proceedings  of  International  Symposium  on
Copper  Extraction  and  Refining,  Las  Vegas,  USA,  February
1976,
 943—959.

Prosser  A.P.,  Wright  A.G.  &  Stephens  J.D.  1965:  Physical  and

chemical properties of natural copper silicates which resemble
chrysocolla. Trans. IMM 74, 233—258.

Raghaven  S.  &  Fuerstenau  D.W.  1977:  Characteristics  and  pure

strucutre analysis of a copper ore containing chrysocolla. Int. J.
Miner. Proc.
 4, 381—394.

Ruiz C. & Peebles F. 1988: Geología, distribución y génesis de los

yacimientos metalíferos Chilenos. Editorial Universitaria S.A.,
Santiago de Chile
, 334.

Sanhueza V., Kelm U. & Cid R. 1999: Synthesis of molecular sieves

from  Chilean  kaolinites:  1.  Synthesis  of  NaA  type  zeolite.  J.
Chem. Tech. Biotech
. 74, 356—363.

Šucha V., Elsass F. & Komadel P. 1998: Hydrothermal synthesis of

ammonium illite. Amer. Mineralogist 83, 1/3, 58.

Tessier  D.  1984:  Étude  experimental  de  l‘organisation  des  materi-

aux  argileux.  Dr.  Science  Thesis,  Univ.  Paris  VII,  INRA  publ.
361.

United  States  Patent  1980:  Recovery  of  copper  from  copper  oxide

minerales.  United  States  Patent  4,212,983,  Rule,  T.W.  (Inven-
tor), The Hanna Mining Company,
 Cleveland, OH, USA.

Van Oosterwyck-Gastuche M.C. 1970: La structure de la chrysocol-

le.  Comptes  Rendus  de  l’Académie  des  Sciences,  Paris,  271,
1837—1840.

Wright A.J. & Prosser A.P. 1965: Study of the reactions and flota-

tion  of  chrysocolla  with  alkali-metal  Xanthates  and  sulphides.
Trans. IMM 74, 259—279.

Xiao  J.  &  Villemure  G.  1998:  Preparation,  characterization  and

electrochemistry  of  synthetic  copper  clays.  Clays  and  Clay
Miner.
 46, 195—203.

Yates D.M., Joyce K.J. & Heanney P.J. 1998: Complexation of cop-

per with polymeric silica in aqueous solution. Appl. Geochem.
13, 235—341.