nature geo.专辑：经济地质学 / 开普饭

斑岩矿床是人类使用的铜、钼、金和银的主要来源。斑岩矿通常形成于俯冲带上方的岩浆弧中。然而，最大矿床的生成往往局限于特定的弧段和有限的时间。在这里，我概述了可能参与大型斑岩矿床形成的四个关键触发因素。第一个过程的特征是地壳深处含有金属和水的岩浆的周期性富集。其次，岩浆中硫化物的饱和有利于金属浓缩成更小体积的物质，之后它们就可以从这些物质中释放出来。第三个过程是将金属有效地转移到岩浆中溶解的热液中。最后，局部过程触发了地壳中矿石矿物的沉淀。虽然某些或所有这些过程必须协同作用才能产生大量矿床，但我认为岩浆的硫化物饱和是最重要的步骤，这可以解释矿石的时空分布。因此，火成岩中硫化物饱和度的指纹可以用来识别岩浆弧中特别容易形成矿石的部分。

熔融还原可能由磁铁矿结晶或还原地壳岩石同化引起。这可能有利于将还原的硫分离成可从熔体中溶解的挥发物，有效地提取铜、金和其他含硫金属，以生产高度富集的成矿流体

通过一个狭窄的窗口有效聚焦流体，并通过一个陡峭的热梯度冷却，结合上升单相流体的膨胀，可以迫使硫化物矿物在有限的岩石体积中沉淀，创造丰富的矿化

斑岩铜矿，即与岩浆库中热液流体相结合的铜矿，提供了世界上75%的铜。它们通常与俯冲带上方地壳的岩浆侵入有关，表明岩浆作用在驱动矿化中起主要作用。然而，尚不清楚单一的富铜岩浆流体是否能在热液蚀变岩带内触发铜富集和随后的硫化物矿石矿物的沉淀。在这里，我们根据对现代俯冲带火山活动的观察，提出了斑岩铜矿形成的另一种过程。我们认为，铜富集最初涉及含金属的岩浆高盐液体或卤水，这些液体是在数万至数十万年的时间里从聚集在浅层地壳中的大型岩浆侵入体中溶解出来的。在随后的步骤中，硫化物矿石的沉淀是由积累的卤水与硫化物气体的相互作用触发的，硫化物气体是在短时间内从下伏的镁铁质岩浆中释放出来的。采用高温高压室内实验模拟气-盐水相互作用。该实验在700-800°C的岩浆温度下产生铜铁硫化物矿物和氯化氢气体，其结构和化学特征与斑岩铜矿相似。因此，斑岩铜矿的形成经历了卤水富集-气致沉淀两阶段的过程。

阶段1-小穹丘火山下英安岩岩浆缓慢聚集、结晶和脱气。在24km深度以下，溶解的气体是超临界的，在较浅的层次凝结成盐水，被困住并聚集(导致寄主岩石钾化)，低盐度的蒸汽向上逃逸。b,第二阶段-更深的岩浆系统的周期性不稳定释放出镁铁质岩浆和含硫气体，它们与被困的卤水发生反应，在850摄氏度的温度下形成硫化物矿物。镁铁质和硅质岩浆可能会混合，但这不是必需的。硫化物沉淀产生的氯化氢促使长石水解作用在600℃以下的上覆岩发生叶状蚀变

a，在伸展或板内环境中，玄武岩岩浆(黑色)饱和于不混溶的硫化物液体(黄色)，它清除了许多成矿元素，如镍、钴和铂族元素(PGE)。由于其密度高，硫化物沉降并聚集在岩浆房的底部，形成火成岩硫化物矿石。预计硫化物熔体与此类岩浆典型的富co2气体(白色)之间很少相互作用。在俯冲带中，岩浆也是硫化物饱和的，但呈酸性(红色)。然而，弧岩浆富含挥发物，如水和氯。减压会导致大量富水气体(白色)分离出来，溶解原有的硫化物。Nadeau et al.2表明，经济上重要的元素，如铜和金，被挥发物从岩浆体中剥离出来(如扭动的箭头所示)，形成了富含金属的矿石流体。矿石流体沉积在主岩浆库上方，也就是那些摆动的箭头的末端

地壳浅层岩浆释放的硫和金属会对人类社会产生全球性影响。火山爆发时排放到大气中的含硫气体影响气候，金属和硫可以在岩浆库上方的地壳中积累，形成巨大的铜和金矿床，以及巨大的硫异常。积累的大量的硫和金属随着时间的推移地壳超过的数量可能是来自一个孤立的岩浆，而是认为来自注射多种新批次的蒸汽,岩浆到现有。然而，硫和金属选择性向上转移的机制尚不清楚，因为它们的主要载体相硫化物熔体密度大，并被认为沉降到岩浆储层的底部。在这里，我们利用实验室实验以及气体形态和质量平衡模型来表明，硫化物熔体的液滴可以附着在气泡上，形成“漂浮”的复合液滴。我们证明了这一机制的可行性，硫化物液体向上迁移到浅层地壳。我们的工作为大气中大量硫的释放提供了一种机制，并与人们普遍持有的假设相矛盾，即富含硫、铜和金的稠密硫化物液体将继续隔离在地壳深处

硫化物饱和的镁铁质岩浆和长英质岩浆杂化带形成的浮力化合物液滴上升到长英质岩浆中，在低压水化作用下被破坏，释放H2S和金属成为蒸汽相，可能喷发或形成热液矿床

与岩浆相关的巨型矿石系统是现代矿产勘探的主要目标，但目前尚不清楚是什么控制了它们的形成。岩浆起源于地球对流的地幔。要到达地表，它们必须经过停滞的次大陆岩石圈地幔，但这种地幔在矿石成因中的作用一直存在激烈的争论。在一种观点中，上升的岩浆已经富含金属，而次大陆岩石圈地幔只是一个被动的、漂浮的筏子，大陆地壳是矿床的最终储藏地。这里我们认为陆运岩石圈地幔可能实际上包含可以通过提升携入的岩浆成矿元素,因此,它扮演了一个重要的角色在岩浆的起源。具体地说,我们认为,某些类型的岩浆成矿组件,如钻石和黄金,岩石圈的三维结构有助于矿石的集中沉积。因此，我们认为，矿床成因和勘探模式需要将整个岩石圈整合起来才能有效。

地幔柱引发金伯利岩的形成，并流到更薄的SCLM区域，在那里熔化集中。熔体与地壳和SCLM的不同相互作用影响Ni-Cu和PGE矿床成因。b，广义收敛边缘设置。贫金的岩浆相关矿床主要来自软流圈或地壳熔体(如富铜斑岩或钨锡斑岩)。软流圈的低程度熔融，特别是弧后环境，可产生SCLM的富金交代再成矿作用。随后的熔融(可能较晚)为岩浆系统提供了Au，形成了斑岩型Cu-Au、浅成热液型Au、氧化铁型Cu-Au、侵入型造山型Au，也可能有卡林型Au和经典造山型Au

北美西部大盆地始新世是岩浆活动和热液活动频繁的时期。在此期间，美国内华达州的卡林型金矿被开发出来，这是继南非之后世界第二大金矿。卡林型矿床的特征已经有文献记载，但对其成因的广泛接受的解释是突出的。在这里，我们综合了矿石矿物的微量分析、描述金属分配的实验数据以及公布的年龄和同位素数据，表明金来自岩浆。我们将金的沉积与浅层俯冲到新的岩浆作用和伸展的开始联系起来。我们认为，上升流软流圈撞击了一个强烈修改过的次大陆岩石圈地幔，产生了岩浆，在10至12公里深处释放了含金流体。随着硫化氢浓度的提高和金铜比例的提高，水流体的上升经历了相变化，并与大气水混合。在距离地表几公里的范围内，流体溶解并使碳酸盐岩围岩硫化，导致含金黄铁矿的沉积。我们的结论是，内华达卡林型矿床的大量和规模是特定地质环境的不寻常汇聚的结果，以及导致金矿极其有效的运输和沉积的构造触发。

斑岩铜矿——世界上铜的主要来源——是与古代俯冲带有关的岩浆弧中侵入复合体的脱气作用的结果。它们的特征是铜和铁硫化物，通常与硬石膏一起发现(CaSOд)，在强烈蚀变和断裂的岩石上跨越数公里的尺度。这些金属的岩浆来源已被广泛了解，但以百万吨规模运输和沉积这些金属的过程尚不清楚。通常认为，金属沉积所必需的硫化氢是由二氧化硫和水的反应形成的，但这种反应效率低，而且不能解释经济品位沉积物的形成。在这里，我们利用高温实验室实验表明，二氧化硫气体(岩浆气体混合物的主要成分)和钙长石(弧壳中丰富的矿物)之间发生了非常迅速的化学吸附反应。化学吸附反应生成硬石膏矿物和硫化氢气体，并引发金属硫化物沉积。我们利用热力学计算表明，随着岩浆气体冷却和膨胀，硫化氢气体浓度呈指数级增加，从而驱动金属硫化物的有效沉积，进而形成经济品位的斑岩铜矿床