Nature Communications：控制斑巖銅礦富Au或富Cu的主要因素

斑巖型礦床提供了世界上約75%的Cu、20%的Au和90%的Mo，其形成與侵位至地殼淺部（多數(shù)<5 km）的中酸性巖株直接相關(guān)，而中酸性巖株及成礦流體則直接來源于中下地殼（10-15 km）的中間巖漿房。雖然斑巖礦床的成礦物質(zhì)都需要經(jīng)歷礦質(zhì)元素從巖漿轉(zhuǎn)移至流體、繼而在流體中沉淀這一過程，然而不同的斑巖礦床可能具有截然不同的金屬組合和成礦規(guī)模。例如，富Au斑巖銅床的Au/Cu約為80×10^-6，而富Cu斑巖銅床的Au/Cu約為4×10^-6。

多年來，研究者一直致力于探索究竟是哪些因素決定了斑巖銅礦的規(guī)模和Au/Cu比值。然而，由于各斑巖銅礦都有著差異的巖漿組成（巖漿房規(guī)模、巖漿含水量、含銅量、含金量）和成礦過程（成礦作用持續(xù)時(shí)間、成礦深度、金屬沉淀效率），致使探討決定斑巖銅礦的規(guī)模和Cu/Au比的主要因素變得十分困難。

為了解決這一問題，瑞士日內(nèi)瓦大學(xué)的Chiaradia（2020）在搜集118個(gè)斑巖銅礦的規(guī)模和Cu/Au比等數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，創(chuàng)造性地采用了蒙特卡洛方法，通過“擲骰子”的方式，隨機(jī)生成斑巖礦床的形成深度、沉淀效率、成礦持續(xù)時(shí)間、巖漿含水量、巖漿含銅量等一系列成礦要素，并基于以上隨機(jī)獲得的斑巖礦床的巖漿成分、巖漿規(guī)模和物理化學(xué)條件參數(shù)，計(jì)算該條件下斑巖礦床最終沉淀的Cu與Au的規(guī)模。通過成千上萬(wàn)次的隨機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)，研究者模擬得到了與自然界各斑巖銅礦十分接近的趨勢(shì)（圖1）。

圖1 蒙特卡洛方法模擬結(jié)果（灰點(diǎn)）與自然界富Au的斑巖銅礦（藍(lán)色）和富Cu的斑巖銅礦（綠色）的Cu、Au規(guī)模對(duì)比示意圖。圖中的英文縮寫（如ET、Chu等）為全球主要斑巖銅礦（El Teniente、Chuquicamata等）的英文縮寫

研究者發(fā)現(xiàn)，斑巖銅礦受中下地殼深度產(chǎn)生的中間巖漿房體積，以及巖漿上升到淺部發(fā)生流體出溶以及礦質(zhì)沉淀的持續(xù)時(shí)間控制，前者決定了斑巖銅礦的金屬總量，后者決定了斑巖銅礦的最終規(guī)模。而在模擬的眾多巖漿成分和物理化學(xué)條件參數(shù)中，有兩個(gè)因素對(duì)富Au斑巖銅礦和富Cu斑巖銅礦的形成起到了極其重要的作用：即富Au斑巖銅礦的形成要求Au在流體中具有很高的沉淀效率，而富Cu斑巖銅礦的形成需要深部發(fā)育富水的大規(guī)模巖漿房以提供足夠的Cu。

研究者還發(fā)現(xiàn)，斑巖銅礦的形成深度對(duì)金屬類型和礦床規(guī)模亦具有控制作用（圖2），即富Cu斑巖銅礦的形成深度（往往大于3km）和儲(chǔ)庫(kù)規(guī)模較大，而富Au斑巖銅礦往往形成深度（往往小于3km）和儲(chǔ)庫(kù)規(guī)模較小。這可能由于富Cu斑巖銅礦往往形成于俯沖擠壓期、更容易具備大規(guī)模的安山質(zhì)巖漿房，而形成于俯沖晚期-俯沖后、碰撞后等伸展條件下的富Au斑巖銅礦不利于形成大規(guī)模的巖漿房。此前，Chiaradia and Caricchi（2017）對(duì)斑巖銅礦的蒙特卡洛模擬表明，中間巖漿房的就位深度也會(huì)通過影響巖漿體積和巖漿出溶流體的體積，從而最終影響斑巖銅礦的規(guī)模。

圖2 不同Cu、Au規(guī)模的斑巖銅礦的成礦深度與Cu/Au的關(guān)系示意圖。CA為與鈣堿性巖漿有關(guān)的斑巖銅礦，K為與高鉀鈣堿性-堿性巖漿有關(guān)的斑巖銅礦

斑巖銅礦的成礦是一個(gè)復(fù)雜過程，雖然本研究沒有充分考慮某些可能的因素對(duì)斑巖銅礦的金屬類型和規(guī)模的影響（例如巖漿演化過程中氧逸度變化和硫逸度的變化、流體演化過程中天水流體或地層流體的加入），但本研究大大推進(jìn)了人們對(duì)形成富Au斑巖銅礦及富Cu斑巖銅礦的主控因素的理解，深化了人們對(duì)控制斑巖銅礦金屬類型和規(guī)模因素的認(rèn)知。更重要的是，本研究是利用大數(shù)據(jù)及統(tǒng)計(jì)模擬方法解決地質(zhì)問題的一個(gè)成功范例，為我們解決多變量地質(zhì)問題提供了全新的視角。

主要參考文獻(xiàn)

1.Chiaradia M, Caricchi L. Stochastic modelling of deep magmatic controls on porphyry copper deposit endowment[J]. Scientific Reports, 2017, 7:44523.

2.Chiaradia M. Gold endowments of porphyry deposits controlled by precipitation efficiency[J]. Nature Communications, 2020, 11:248.

（撰稿：鄒心宇，李真真，秦克章/礦產(chǎn)室）

美編：徐海潮

校對(duì)：李玉鈐