銅對于傳統(tǒng)工業(yè)向綠色能源轉型意義重大。斑巖銅礦床（porphyry Cu deposits, PCD）提供了人類所需75%的銅、50%的Mo、20%的Au及大部分Re。面對日益增長的Cu消耗，斑巖銅礦成礦理論突破迫在眉睫。傳統(tǒng)觀點認為俯沖型斑巖銅礦成礦物質(zhì)主要來自地幔楔部分熔融，但該模型無法解釋平板俯沖背景下斑巖銅礦的成因機制。針對該問題，英國布里斯托大學Thomas Lamont與合作者選取與平板俯沖作用密切相關的全球第二大斑巖銅礦省——美國亞利桑那州晚白堊世-古新世拉拉米造山期（Laramide orogeny）的斑巖銅礦省作為研究對象，綜合地質(zhì)年代學（geochronology）、Nd-Hf同位素地質(zhì)學和地質(zhì)溫壓計（thermobarometry）方法，并結合深部地殼的巖石學和礦物學證據(jù)，重建了該區(qū)域地殼熔融和斑巖銅礦形成的過程，最后提出了一個開創(chuàng)性的理論，即在平板俯沖背景下板片前緣脫揮發(fā)分導致古元古代下地殼熔融對斑巖銅礦床的形成起著至關重要的作用。該研究挑戰(zhàn)了傳統(tǒng)模型，是俯沖帶斑巖銅礦成礦的一種新的機制。
傳統(tǒng)的俯沖背景下的斑巖銅礦模型一般認為成礦巖漿源自新生的玄武質(zhì)熔體，這些熔體來自位于正常陡俯沖（俯沖板塊傾角>15°）板塊上方的交代地幔楔的部分熔融（圖1a）。平板俯沖（俯沖板塊傾角<15°；圖1b）通常由年輕、溫暖、浮力較大的大洋巖石圈俯沖，或當板塊推進速度大于板塊后退速度時所引發(fā)，發(fā)生在現(xiàn)今約10%的會聚板塊邊界（Gutscher et al., 2000; 曹明堅等, 2011）。平板俯沖進行過程中會造成弧巖漿活動的內(nèi)陸遷移及隨后的停止，上覆板塊熱結構的變化，同時世界上很多超大型斑巖銅礦床的形成與平板俯沖關系密切（例如，智利的Río Blanco–Los Bronces和La Escondida，以及美國亞利桑那州的Resolution礦床；Rosenbaum et al., 2005）。在平板俯沖過程中，地幔楔被壓縮或缺失，這意味著無法發(fā)生大規(guī)模的地幔熔融（圖1b），因此平板俯沖背景下成礦巖漿的來源仍然不清楚。
圖1 a. “標準”陡傾俯沖，巖漿弧和斑巖銅礦床（PCDs）源自地幔楔熔體。b. 平板俯沖，類似于拉拉米造山運動（Laramide orogeny）期間法拉?。‵arallon）板塊的俯沖。在這種情況下，俯沖板片物質(zhì)流入地幔楔的過程被切斷，來自俯沖板片的揮發(fā)分（H2O、CO2、Cl和S）直接注入到地殼底部，觸發(fā)水致融化的地殼重熔作用、花崗巖巖漿活動，并可能導致斑巖銅礦床的形成。Bt，黑云母；Hb，角閃石；Ms，白云母；Grt，石榴石
大約 80-40 Ma前的北美西部拉拉米造山帶為解決這一問題提供了一個絕佳的研究對象。因為這一造山運動與地殼增厚和巖漿活動相關，巖漿活動深入超過2000公里內(nèi)陸，并形成了世界上第二大斑巖銅礦床省。英國布里斯托大學Thomas Lamont與合作者通過匯編拉拉米花崗巖的地球化學和同位素數(shù)據(jù)（圖2），結合來自深部地殼出露的混合巖巖石學和地質(zhì)年代學約束，為了解地殼的重熔作用和平板俯沖在拉拉米斑巖銅礦省形成中的作用提供了關鍵見解。
圖2 來自美國西南部和墨西哥西北部的火成巖、捕虜體和基底的同位素數(shù)據(jù)匯編
他們的研究發(fā)現(xiàn)，拉拉米期花崗巖的同位素特征表明其源區(qū)為元古代地殼，并且該地殼可能富含銅。在73-60 Ma，這個源區(qū)經(jīng)歷了加水熔融（water-fluxed melting），這與花崗巖漿作用高峰期（78-50 Ma）、斑巖銅礦形成期（73-56 Ma）和平板俯沖作用時期（70-40 Ma）在時間上高度吻合。通過對科羅拉多高原過渡帶（Colorado Plateau Transition Zone, CPTZ）中深部地殼巖石的詳細研究，發(fā)現(xiàn)了加水熔融的直接證據(jù)：高溫高壓變質(zhì)巖中含有富含銅和銀氧化物的長英質(zhì)脈體，表明地殼熔融發(fā)生在擠壓變形過程中。同位素混合計算進一步證實，拉拉米期花崗質(zhì)巖漿中超過70%-90%的熔體來源于鎂鐵質(zhì)和長英質(zhì)的元古代地殼。
他們提出了一個新的斑巖銅礦形成模型：法拉隆板塊的平板俯沖導致其攜帶的揮發(fā)分（H?O, CO?, Cl, S）直接進入內(nèi)陸地殼底部，促使富含銅的鎂鐵質(zhì)和長英質(zhì)下地殼發(fā)生熔融，形成富含成礦元素的巖漿，最終導致斑巖銅礦的形成（圖3）。該模型不需要地幔楔的貢獻，很好地解釋了在平俯沖背景下斑巖銅礦的成因。
圖3 科羅拉多高原過渡帶（CPTZ）的時空構造-巖漿-礦化關系支持亞利桑那州的平板俯沖和地殼深熔斑巖成礦模型
此項研究通過挑戰(zhàn)傳統(tǒng)的銅礦床形成模型，為不同構造條件下斑巖銅礦化的機制提供了新的解釋，古元古代富銅地殼的加水熔融可能是平板俯沖區(qū)域銅富集成礦的關鍵。該研究成果豐富了俯沖帶斑巖銅礦成礦理論，同時為在平板俯沖弧段尋找斑巖銅礦提供了理論依據(jù)。通過將構造過程、地殼演化和俯沖帶揮發(fā)分循環(huán)相結合，未來的斑巖銅礦床成礦理論模型與找礦勘探模型將可能迎來更多突破。當然，該研究主要集中于北美西部拉拉米造山帶，未來的研究還需在全球其他發(fā)育平板俯沖相關的斑巖銅礦地區(qū)驗證該假說。
轉自：https://baijiahao.baidu.com/s?id=1819758733655606545
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