新闻动态许婷等-GCA：下地壳流体出溶在斑岩型矿床成矿过程中的作用
巨型斑岩型矿床为全世界提供了绝大部分的铜和大量的金。这些矿床的形成需要岩浆将巨量的硫（S）、铜、金从下地壳深部岩浆房迁移至浅部成矿。斑岩型铜金矿床多形成于岛弧和大陆边缘等汇聚板块边界，其玄武质成矿母岩浆通常富含挥发分（H2O、S、Cl等）且具有高氧逸度特征（FMQ+0.5~FMQ+2）。目前普遍认为高氧逸度可能是成矿关键，因为在还原条件下，S在岩浆中将以S2-形式存在且溶解度较低，导致硫化物易饱和结晶以及S难以大量运移；另一方面，在岩浆演化过程中，如果大量硫化物分离结晶，将造成岩浆中铜金等成矿元素亏损。而高氧逸度条件可以将硫化物（S2-）氧化为溶解度高2~5倍的硫酸盐（S6+），从而抑制硫化物形成或者破坏硫化物堆晶，进而促进岩浆中S和金属元素富集。基于此，成矿母岩浆高氧逸度特征的产生机制成为斑岩矿床成矿领域研究的前沿和热点。
然而，近年实验研究表明在高压或者低温条件下，岩浆中硫化物可以在更高氧逸度条件下保持稳定存在（如Matjuschkin et al., 2016; Nash et al., 2019），意味着仅凭高氧逸度难以抑制硫化物饱和。尤其是在俯冲带高压低温情况下，可能需要极高氧逸度才能抑制岩浆硫化物饱和或者破坏已有硫化物，因而有必要探索其他抑制岩浆硫化物饱和的机制。例如深部岩浆流体饱和出溶，因为S在流体/熔体间分配系数远大于1（相较于熔体，流体更加富集S），如果岩浆与流体共存，那么将极大增加硫化物与硬石膏的溶解度，从而避免硫化物饱和的同时有效运移S。质量平衡计算可知富水玄武岩（~6 wt% H2O）在下地壳深部岩浆房结晶分异将产生富水长英质岩浆，并达到流体饱和。下地壳作为斑岩型矿床成矿母岩浆演化重要场所，富水长英质岩浆与流体是否能有效抑制硫化物结晶并运移巨量S和金属元素至浅部成矿尚不清楚，其中关键的物理化学控制因素还缺少实验岩石学制约。
针对上述问题，中国科学院广州地化所博士研究生许婷、刘星成特任研究员、熊小林研究员与王锦团副研究员开展了一系列高温高压实验（图1为代表性实验产物照片），取得了以下新认识：（1）当压力为1.0 GPa，温度为950 ℃条件下，硫化物可以稳定存在于FMQ+3.3的高氧逸度环境，意味着在俯冲带条件下，硫化物难以完全被氧化为硬石膏并释放成矿元素。（2）当硫化物和硬石膏共存时，相比氧逸度，硅酸盐熔体中S的溶解度受水含量的影响更大：在相同氧逸度条件下，熔体中的S溶解度随着熔体中的水含量增加而快速上升（图2）。当氧逸度为FMQ+2时，富水长英质熔体中S溶解度可高达8000 ppm。（3）实验产物中均发现了出溶流体，质量平衡计算可得S在流体/熔体间分配系数为5~257。所以岩浆富水不仅显著增加了S溶解度，而且促进了富S流体（~5 wt% S）的出溶。
该研究表明，在下地壳岩浆演化过程中，随着岩浆中水含量不断增加，甚至达到流体饱和时，已经结晶的硫化物将再次溶解。因此，下地壳条件下，流体饱和的长英质富水岩浆不仅可以抑制硫化物饱和，同时还具有极高的运移S的能力。该研究提出下地壳流体出溶在巨型斑岩型矿床成矿过程中扮演重要角色。有关成果近期发表于国际地球化学权威期刊Geochimica et Cosmochimica Acta。该研究受国家重点研发计划、国家自然科学基金委、中科院青促会以及广州地化所“涂光炽优秀青年学者”计划的联合资助。
论文信息：Xu T.（许婷）, Liu X.*（刘星成）, Xiong X.（熊小林）, and Wang J（王锦团）. 2022, Sulfur dissolution capacity of highly hydrated and fluid-saturated dacitic magmas at the lower crust and implications for porphyry deposit formation. Geochim. Cosmochim. Acta, 333, 107-123
图1. 代表性实验产物背散射照片。（po:硫化物，anh:硬石膏，mag:磁铁矿，fluid:流体）
图2. 950°C与1.0 GPa条件下，长英质熔体中S的溶解度受氧逸度与熔体水含量影响；中高氧逸度条件下，水的作用比氧逸度更加显著。（po:硫化物，anh:硬石膏）
