Abstract 摘 要
铜对于传统工业向绿色能源转型意义重大。斑岩铜矿床（porphyry Cu deposits, PCD）提供了人类所需75%的铜、50%的Mo、20%的Au及大部分Re。面对日益增长的Cu消耗，斑岩铜矿成矿理论突破迫在眉睫。传统观点认为俯冲型斑岩铜矿成矿物质主要来自地幔楔部分熔融，但该模型无法解释平板俯冲背景下斑岩铜矿的成因机制。针对该问题，英国布里斯托大学Thomas Lamont与合作者选取与平板俯冲作用密切相关的全球第二大斑岩铜矿省——美国亚利桑那州晚白垩世-古新世拉拉米造山期（Laramide orogeny）的斑岩铜矿省作为研究对象，综合地质年代学（geochronology）、Nd-Hf同位素地质学和地质温压计（thermobarometry）方法，并结合深部地壳的岩石学和矿物学证据，重建了该区域地壳熔融和斑岩铜矿形成的过程，最后提出了一个开创性的理论，即在平板俯冲背景下板片前缘脱挥发分导致古元古代下地壳熔融对斑岩铜矿床的形成起着至关重要的作用。该研究挑战了传统模型，是俯冲带斑岩铜矿成矿的一种新的机制。
传统的俯冲背景下的斑岩铜矿模型一般认为成矿岩浆源自新生的玄武质熔体，这些熔体来自位于正常陡俯冲（俯冲板块倾角>15°）板块上方的交代地幔楔的部分熔融（图1a）。平板俯冲（俯冲板块倾角<15°；图1b）通常由年轻、温暖、浮力较大的大洋岩石圈俯冲，或当板块推进速度大于板块后退速度时所引发，发生在现今约10%的会聚板块边界（Gutscher et al., 2000; 曹明坚等, 2011）。平板俯冲进行过程中会造成弧岩浆活动的内陆迁移及随后的停止，上覆板块热结构的变化，同时世界上很多超大型斑岩铜矿床的形成与平板俯冲关系密切（例如，智利的Río Blanco–Los Bronces和La Escondida，以及美国亚利桑那州的Resolution矿床；Rosenbaum et al., 2005）。在平板俯冲过程中，地幔楔被压缩或缺失，这意味着无法发生大规模的地幔熔融（图1b），因此平板俯冲背景下成矿岩浆的来源仍然不清楚。
图1 a. “标准”陡倾俯冲，岩浆弧和斑岩铜矿床（PCDs）源自地幔楔熔体。b. 平板俯冲，类似于拉拉米造山运动（Laramide orogeny）期间法拉隆（Farallon）板块的俯冲。在这种情况下，俯冲板片物质流入地幔楔的过程被切断，来自俯冲板片的挥发分（H2O、CO2、Cl和S）直接注入到地壳底部，触发水致融化的地壳重熔作用、花岗岩岩浆活动，并可能导致斑岩铜矿床的形成。Bt，黑云母；Hb，角闪石；Ms，白云母；Grt，石榴石
大约 80-40 Ma前的北美西部拉拉米造山带为解决这一问题提供了一个绝佳的研究对象。因为这一造山运动与地壳增厚和岩浆活动相关，岩浆活动深入超过2000公里内陆，并形成了世界上第二大斑岩铜矿床省。英国布里斯托大学Thomas Lamont与合作者通过汇编拉拉米花岗岩的地球化学和同位素数据（图2），结合来自深部地壳出露的混合岩岩石学和地质年代学约束，为了解地壳的重熔作用和平板俯冲在拉拉米斑岩铜矿省形成中的作用提供了关键见解。
图2 来自美国西南部和墨西哥西北部的火成岩、捕虏体和基底的同位素数据汇编
他们的研究发现，拉拉米期花岗岩的同位素特征表明其源区为元古代地壳，并且该地壳可能富含铜。在73-60 Ma，这个源区经历了加水熔融（water-fluxed melting），这与花岗岩浆作用高峰期（78-50 Ma）、斑岩铜矿形成期（73-56 Ma）和平板俯冲作用时期（70-40 Ma）在时间上高度吻合。通过对科罗拉多高原过渡带（Colorado Plateau Transition Zone, CPTZ）中深部地壳岩石的详细研究，发现了加水熔融的直接证据：高温高压变质岩中含有富含铜和银氧化物的长英质脉体，表明地壳熔融发生在挤压变形过程中。同位素混合计算进一步证实，拉拉米期花岗质岩浆中超过70%-90%的熔体来源于镁铁质和长英质的元古代地壳。
他们提出了一个新的斑岩铜矿形成模型：法拉隆板块的平板俯冲导致其携带的挥发分（H₂O, CO₂, Cl, S）直接进入内陆地壳底部，促使富含铜的镁铁质和长英质下地壳发生熔融，形成富含成矿元素的岩浆，最终导致斑岩铜矿的形成（图3）。该模型不需要地幔楔的贡献，很好地解释了在平俯冲背景下斑岩铜矿的成因。
图3 科罗拉多高原过渡带（CPTZ）的时空构造-岩浆-矿化关系支持亚利桑那州的平板俯冲和地壳深熔斑岩成矿模型
此项研究通过挑战传统的铜矿床形成模型，为不同构造条件下斑岩铜矿化的机制提供了新的解释，古元古代富铜地壳的加水熔融可能是平板俯冲区域铜富集成矿的关键。该研究成果丰富了俯冲带斑岩铜矿成矿理论，同时为在平板俯冲弧段寻找斑岩铜矿提供了理论依据。通过将构造过程、地壳演化和俯冲带挥发分循环相结合，未来的斑岩铜矿床成矿理论模型与找矿勘探模型将可能迎来更多突破。当然，该研究主要集中于北美西部拉拉米造山带，未来的研究还需在全球其他发育平板俯冲相关的斑岩铜矿地区验证该假说。
主要参考文献
（撰稿：王乐，曹明坚/矿产资源学科中心）
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美编 | 陈永焱
校对 | 刘强