袁顺达：大型-超大型斑岩铜矿的形成，并不需要异常高Cu-Cl含量及超大岩浆房【SA，2025】

2025-10-31     发布：【国家重点实验室】王俊懿    点击：0次

斑岩型铜矿提供了全球近75%铜资源，其成矿机制一直是矿床学研究重点关注的科学问题。针对巨量铜富集成矿关键控制因素长期存在争议，主要观点包括异常富Cu、Cl的岩浆、超大岩浆房、基性岩浆注入提供额外的铜等不同的模型。造成上述争议的一个重要原因在于斑岩矿床成矿流体和金属主要来自中上地壳岩浆房，相关样品难以直接获取导致岩浆流体出溶过程金属抽取效率仍不清楚。相比之下，基于实验和自然样品数据的定量模拟能够为岩浆热液演化过程金属富集机制提供定量、可靠的限制。大量实验研究表明Cu在熔-流体相间的分配系数受到流体中Cl含量控制，因此Cl的分配行为对于理解弧岩浆流体出溶阶段Cu的抽取效率至关重要。作为一个不遵循亨利定律的元素，Cl在熔-流体相间的分配行为表现出极其复杂的特征，受到多种物理化学条件的综合制约。目前，仍缺乏能够系统、定量描述岩浆流体出溶过程Cl分配行为的模型，制约了流体出溶时抽取铜的效率及控制斑岩铜矿形成关键因素的定量约束。

针对上述问题，地质过程与成矿预测全国重点实验室“岩浆-热液演化与金属成矿”研究团队的袁顺达教授，联合中国地质大学（北京）自然资源部战略性金属找矿理论与技术重点实验室毛景文院士以及国内外专家，通过系统整合并严格筛选以往高温高压实验数据，构建了Cl在流-熔体间分配系数的多参数定量模型。相较于前人模型多局限于单一或少数控制因素，本模型实现了同时对温度（T）、压力（P）、熔体SiO2含量、铝饱和指数（ASI）及流体盐度（NaCl wt%）这些关键参数的定量约束（公式1），显著提升了分配系数预测的准确性和普适性（图1）。在此基础上，岩浆流体出溶过程定量模拟结果与全球斑岩铜矿流体特征一致，尤其与Bingham铜矿有关熔体包裹体成分具有较好的一致性（图3），而明显优于Cline and Bodnar （1991）以及Tattich等（2021）等传统模型，验证了该模型在预测金属和挥发分在弧岩浆流体演化过程分配行为的可靠性。

图1 Cl在流体和熔体相间的分配系数模型预测值与实验实测值的对比验证

图2 岩浆Cl含量（A）和Cu含量（B）与SiO₂含量关系的数值模拟结果。图中前人模型模拟结果和Bingham铜矿有关熔体包裹体成分作为对比

研究结果显示高压和高初始Cl含量有助于流体抽取铜效率的提升，但压力以及异常高Cl含量（>2000 ppm）对铜抽取效率提升的幅度有限（3%-5%，图3），并且高压和高Cl含量（>2000 ppm）会显著降低流体中平均Cu含量（降低20%-50%，图4, 5），因而低压和中等岩浆Cl含量是最有利于形成铜矿的条件，而非Cl含量越高越好。这与安第斯铜矿带典型铜矿有关岩浆具有中等初始Cl含量（1000-2000 ppm）的特征高度吻合。所有影响因素中，岩浆演化程度对铜的抽取效率影响最大，在压力为2kar和初始Cl含量为2000ppm条件下，岩浆SiO2含量从63%升高至70%导致Cu抽取效率从10%升高至80%（图3）。这与全球成铜矿斑岩通常为花岗闪长岩或者二长花岗岩组分特征一致（SiO2含量为62-73%）。因而稳定的中上地壳岩浆房环境，岩浆结晶分异作用演化至酸性端元是促进铜高效分配进入成矿流体的关键因素。

图3 流体对岩浆中Cu抽取效率与残余熔体SiO2含量关系的数值模拟结果

图4 不同条件下岩浆出溶瞬时流体Cu含量与残余熔体SiO2含量关系的数值模拟结果

图5 累积流体平均Cu含量与压力（A）和岩浆初始Cl含量（B）关系的数值模拟结果

岩浆流体出溶时，由于铜的分配系数较高，会导致残余熔体中铜的亏损，这解释了成矿斑岩具有低铜含量的特征，因而根据斑岩中铜含量判断其成铜矿潜力时需要谨慎。此外，硫化物饱和阶段（SiO2 = 56-61wt%）出溶流体的Cu含量以及Cu抽取效率均极低（通常小于11%，图3, 4），因此流体出溶与硫化物饱和时机对岩浆成铜矿潜力影响有限，并且早期中基性弧岩浆出溶流体对成矿的贡献极其有限，这也对中下地壳基性岩浆直接出溶成矿流体的模型提出了挑战。

图6 矿床铜资源量与所需岩浆房体积

进一步计算结果表明正常弧岩浆（Cu含量为60ppm，Cl含量为2000ppm，体积为1000km3），只要经历过充分的演化，其出溶流体就能够提供足够的金属量形成类似Bingham超大型斑岩铜矿床（储量约60Mt，图6）。因此，弧岩浆成矿并不依赖于异常高的岩浆初始Cu、Cl含量或巨大的岩浆房体积亦或基性岩浆注入提供额外的金属。本研究强调岩浆充分演化对巨量铜富集成矿的重要作用。

上述研究成果受到国家自然科学基金（42330814、42473046、42130109）和贵州省科技创新领军人才工作站项目KXJZ[2024]016联合资助，最近被Science Adcances接收。文章信息：Shunda Yuan*, Anthony E. Williams-Jones, Robert J. Bodnar, Panlao Zhao, Zoltán Zajacz, I-Ming Chou, Jingwen Mao*. 2025. The role of magma differentiation in optimizing the fluid-assisted extraction of copper to generate large porphyry-type deposits. Sci Adv, 11 (25), eadr8464.

全文链接：https://doi.org/10.1126/sciadv.adr8464