Nat. Geosci.：俯冲带斑岩铜矿床的形成机制

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斑岩铜矿床是铜的重要来源，而铜对于现代工业，特别是向绿色能源转型至关重要。这些矿床通常与俯冲带有关，在俯冲带中，来自俯冲板片上方地幔楔的含金属岩浆在地球深处分异，形成大型富铜矿床（图1a）。然而，这个主流模型的一个主要挑战是斑岩铜矿床与相对平坦的俯冲板片的关联。在这种情况下，地幔楔减少或缺失，因此不清楚铜矿床来自何种物质来源。

图1：斑岩铜矿床形成模型。a，常见模型涉及俯冲带上方含水地幔橄榄岩的部分熔融，导致含铜岩浆的产生。b，Lamont等人⁴提出了一种模型，其中来自俯冲板片的挥发物在平坦俯冲期间触发了水通量地壳熔融、花岗岩岩浆作用和斑岩铜的形成。图a来自参考文献1，图b来自参考文献2。

在《自然·地球科学》杂志上发表的文章解决了这个问题，文章研究了美国亚利桑那州(Arizona, USA)拉拉米德(Laramide)斑岩省的形成，该省形成于大约8000万年前至4000万年前法拉龙板块在北美下方进行平坦俯冲的时期。他们发现，古老元古代地壳的熔融，而不是地幔楔的熔融，可以解释这些斑岩铜矿床的形成。

图2 美国亚利桑那州(Arizona, USA)拉拉米德(Laramide)斑岩省来。自参考文献2

俯冲到上覆板块之下的过程。这种构造构造占全球所有俯冲带的约10%。当俯冲板片年轻、温暖、浮力大、异常厚，或当板片前进速度快于后退速度时，可能会发生平坦俯冲。平坦俯冲通常与大规模构造过程有关，包括地壳增厚、上板块热结构变化以及岩浆作用向内陆迁移，延伸到距海沟数百公里以外。有趣的是，地球上一些最大的斑岩铜矿床，例如在亚利桑那州（例如，Resolution矿床）和智利（例如，Río Blanco和Escondida矿床）发现的那些矿床，是在平坦俯冲构造环境中形成的。

作者专注于与8000万年前至4000万年前发生在北美西部的拉拉米德造山运动相关的斑岩铜矿床，以解决这个难题。拉拉米德造山运动的大多数模型都将造山归因于法拉龙板块在北美下方进行平坦俯冲的一个阶段。这一事件导致了显著的地壳增厚和广泛的岩浆作用，延伸到内陆2000多公里，形成了包括亚利桑那州在内的斑岩铜矿床。

研究人员结合地球化学分析和年代学确定（图3），与亚利桑那州斑岩铜矿床相关的花岗岩侵入体具有钕同位素特征，表明其来源是古老的元古代地壳（超过5亿年），而不是较年轻的地幔来源。此外，熔岩中夹带的石榴石-单斜辉石组合物与元古代下地壳的成因一致，并含有含铜硫化物，进一步支持了在拉拉米德造山运动之前很久，铜就已经在地壳中富集的观点。

图3 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。自参考文献2

研究人员假设，在平坦俯冲期间，俯冲大洋法拉龙板块的前缘将大量水直接从下伏板片引入下地壳，诱发了被称为水通量融化的过程（图1b）。融化是指地壳岩石的部分熔融，它可能是由地幔岩浆加热引起的，但也可能是由水的加入驱动的。在这种情况下，挥发物的涌入降低了岩石的熔点，并触发了富铜下地壳物质的熔融，产生了上升到上地壳并形成斑岩铜矿床的岩浆。通过U-Th-Pb年代学确定的融化时间与斑岩铜形成的高峰期相吻合，支持了其与矿床成因的联系。

了解亚利桑那州拉拉米德斑岩省斑岩铜矿床的形成，不仅提供了对这些宝贵矿床的认识，也提供了对该地区晚白垩世地球动力学演化的认识。在北美西部，关于拉拉米德造山运动的驱动力和平坦俯冲在控制岩浆作用、矿化作用和穿透到大陆内部深处、涉及基底的逆冲断层形成的时间和分布方面所起的作用存在激烈的争论。斑岩铜矿床的形成需要平坦的板片几何形状以及来自俯冲板片的加水。作者推测，随着平坦板片在北美西部下方推进，它导致了地壳的非同步热加热，从而导致亚利桑那州元古代基底局部融化和铜矿化。因此，法拉龙板块在亚利桑那州下方的平坦俯冲是导致显著地壳增厚以及在斑岩铜形成高峰期伴随的区域变质作用和变形的主要原因。

斑岩铜矿床与其他矿床一样，在地质记录中相对罕见，因此发现经济上可行的矿床是一项复杂的任务。该文提出的模型表明，不同的数据集如何能够提供斑岩铜矿床、花岗岩岩浆作用、平坦俯冲构造和来自俯冲板片的流体之间的关键联系。这些数据对于亚利桑那州的拉拉米德斑岩省来说是令人信服的，他们的工作为未来在过去可能发生过平坦俯冲构造或目前正在发生平坦俯冲过程的地区进行发现奠定了基础。

该文挑战了斑岩铜成因的传统模型，并提供了强有力的证据，表明富铜元古代地壳的水通量融化是拉拉米德斑岩省斑岩铜形成的主要机制。该模型不仅解决了平坦俯冲环境中斑岩铜形成的问题，而且还突出了流体在地壳熔融和斑岩铜矿床形成中的重要作用。鉴于全球经济对铜的需求不断增长，以及世界上大多数已知的铜储量都与平坦俯冲环境有关，因此了解产生这些矿床的过程对未来的资源勘探具有重大意义。

参考文献

1、Schwartz, J.J. Tectonics of copper mineralization. Nat. Geosci. 17, 1195–1196 (2024). https://doi.org/10.1038/s41561-024-01588-x

2、Lamont, T.N., Loader, M.A., Roberts, N.M.W. et al. Porphyry copper formation driven by water-fluxed crustal melting during flat-slab subduction. Nat. Geosci. 17, 1306–1315 (2024). https://doi.org/10.1038/s41561-024-01575-2

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地学前缘（英文版）（Geoscience Frontiers）是由中国地质大学（北京）与北京大学共同主办的高水平英文学术期刊，与Elsevier出版集团合作出版，采用钻石开放获取模式。期刊主要刊载地球与行星科学领域的高质量综述和原创研究成果，包括矿物学、岩石学、矿床学、地球化学、构造地质学、地球物理学、地层与古生物学、环境与工程地质、天体地质等。科睿唯安JCR2023影响因子：8.5，位于地球科学及交叉学科领域一区（第9/253）。2023年中科院期刊分区：位于地球科学大类一区（Top期刊），地球科学综合 GEOSCIENCES, MULTIDISCIPLINARY 小类一区。入选中国科技期刊卓越行动计划重点类期刊（2019-2023）。