黄金是我国最重要的战略资源和稀缺矿种之一，理解大型-超大型金矿床的物质来源以及成矿机制对找矿勘查具有重要的理论指导意义。华北克拉通胶东半岛金的探明储量已超过5000吨，使其成为世界第三大金成矿省。胶东金成矿时间远远晚于前寒武地壳造山变质作用 (~1.8Ga)，与克拉通破坏背景下的大规模构造-岩浆活动近同时发生 (~120 Ma)，是研究交代岩石圈地幔和金成矿作用的绝佳实例之一。尽管大量研究结果（例如He-Ar-C-H-O同位素）预测成矿流体 (和金)可能主要来源于金矿下部的交代岩石圈地幔或俯冲相关的脱挥发分作用 (e.g., Deng et al., 2020; Qiu et al., 2023; Zhu et al., 2015)，目前证明其成因联系的关键证据还比较缺乏，特别是交代岩石圈地幔是否具有和金矿床一致的同位素组成还不太清楚。由于金没有同位素，示踪金的来源一直是一个难点。近年来，大量的实验和天然样品研究发现，还原性硫是金在岩浆和热液中迁移的主要络合配体 (e.g., Li et al., 2019; Pokrovski et al., 2014)。因此，硫的来源可能指示金的来源，而硫同位素可能为金的来源提供有力的约束。尽管胶东各类金矿床的矿化类型和围岩存在差异，但金矿床具有整体偏重的硫同位素组成 (δ34S集中于3-10‰, n>1000；图1)，可能指示一个一致的富集硫同位素的源区 (Deng et al., 2020)。因此，研究金矿下部交代岩石圈地幔的硫同位素组成是建立交代地幔-幔源岩浆-金矿床成因联系的关键。
针对上述问题，在前期工作的基础上，中国地质大学 (武汉)博士研究生汪翔在汪在聪教授的指导下，与团队成员联合长期从事胶东金矿研究的其他合作者，对华北克拉通东部胶东半岛广泛出露的、与金矿床具有紧密时空联系的煌斑岩和成矿后的镁铁质岩石开展了硫化物原位硫同位素研究工作 (图1)，进一步限定了金矿下部交代岩石圈地幔的硫同位素组成，建立起了交代岩石圈地幔与胶东巨量金矿床的成因联系。
研究结果显示，形成时间略早于金成矿作用的煌斑岩 (δ34S:4 - 6‰)以及成矿后的镁铁质脉岩(δ34S: 1 - 2‰)均具有偏重的硫化物硫同位素组成。考虑到高温地幔熔融和岩浆演化过程中硫同位素分馏有限，其重硫同位素特征主要继承于地幔源区。其中，成矿后镁铁质脉岩具有高Ba/Nb、低εNd以及高δ34S (1 - 2 ‰)值，这些特征可能反映其地幔源区受到了来源于太平洋板片俯冲物质的交代作用 (图2)。相比之下，成矿前/成矿期的煌斑岩具有更高的Ba/Nb比和更富集的Nd-S同位素组成 (δ34S: 4 - 6‰)，这更可能与再循环的扬子大陆地壳物质有关 (图2)，与Pb同位素指示结果一致 (与太平洋洋壳或大洋沉积物显著不同) (图3; Wang et al., 2020; Xiong et al., 2021)。因此，尽管在金成矿作用前，下部岩石圈地幔受到了大洋和大陆地壳俯冲物质的综合改造，且太平洋板块俯冲引入了大量的挥发分，但其Sr-Nd-Pb-S同位素组成可能反映了扬子大陆地壳物质的重要贡献 (图2)。
图2：相比于MORB和成矿后的镁铁质脉岩，煌斑岩所代表的交代岩石圈地幔具有较高的δ34S值，Ba/Nb，Au/Cu比值以及较低的εNd值，可能反映了再循环陆壳物质的重要贡献交代岩石圈地幔以及幔源初始岩浆具有与金矿下部同期隐伏闪长岩体 (被认为代表成矿流体系统下部的岩浆房)一致的Sr-Nd-Pb和S同位素组成 (5.4±2.5‰) (Li et al., 2023)，反映一个共同的交代岩石圈地幔源区 (图3)。更重要的是，交代岩石圈地幔、幔源初始岩浆、幔源演化岩浆与胶东金矿床具有一致的S-Pb同位素组成 (图3)。这些结果表明，成矿初始流体可能来源于幔源富挥发分的岩浆。最新研究也表明，胶东金矿床和同期镁铁质脉岩具有一致的Hg非质量分馏同位素组成，指示交代岩石圈地幔对金成矿作用的重要贡献，且其地幔源区的挥发分富集也反映了大洋-大陆地壳俯冲物质的综合影响，与我们的研究结果吻合 (Wang et al., 2023)。这些与金密切联系的挥发分或亲硫元素 (e.g., S, Hg, Pb)均揭示出交代岩石圈地幔的重要贡献，为建立起交代岩石圈地幔、幔源初始岩浆、幔源演化岩浆和金矿床之间的成因联系提供了关键证据。
图3：胶东半岛煌斑岩及同期镁铁质岩浆岩具有和胶东金矿床一致的S-Pb同位素组成然而，统计结果发现，胶东金矿区及周缘地壳或地幔岩石及岩浆岩在克拉通长期演化过程中并未出现金的异常富集 (图4)，与全球地幔岩石平均金含量基本一致 (Saunders et al., 2018)，说明交代岩石圈地幔不需要异常富集金也能够促进大规模金矿床的形成 (汪在聪 et al., 2023)。相比之下，俯冲相关的地幔交代作用带入了大量的挥发分到岩石圈地幔，这些幔源挥发分能够促使金在地幔中的有效释放 (Botcharnikov et al., 2011)以及随后岩浆-热液演化过程中的显著富集(范宏瑞 et al., 2021)。因此，在克拉通破坏的强烈伸展背景下，富含挥发分的幔源岩浆以及后续的岩浆热液演化过程，特别是金成矿的末端效应，在大规模胶东金成矿作用中扮演着重要的角色 (图5)。
图4. 华北克拉通壳幔演化及岩石-岩浆金含量时空演化图。华北克拉通地壳基底经历了早期高级变质作用，强烈亏损金。尽管后期经历了幔源岩浆的底侵作用，但也未造成地壳重新富集金属或硫化物。无论是古老交代地幔橄榄岩还是新生饱满橄榄岩均显示出较低或正常地幔的金含量，反映华北克拉通长期演化过程并未出现金的异常富集。然而，交代岩石圈地幔来源的岩浆岩却具有高于新生地幔来源岩浆岩的Au含量，揭示了金在富水-硫条件下的有效释放。图5. 华北克拉通交代岩石圈地幔控制大规模胶东金成矿作用的模式图。华北克拉通岩石圈地幔自形成以来历了多期次的俯冲相关的地幔交代作用，这些交代作用对地幔金属的贡献较为有限，却带来了大量的挥发分 (H2O, S, CO2, Cl)。到了晚中生代，交代岩石圈经历了大规模的熔融作用，并产生了大量的幔源富水岩浆岩。这些岩浆岩能够有效迁移交代岩石圈地幔中的易熔组分，促进地幔金和挥发分的有效释放。在强烈伸展构造背景下，富水富硫岩浆沿着跨岩石圈尺度的断裂构造和次级断裂向上迁移，会经历一系列的岩浆-热液演化 (如流体不混溶)，进而使得流体中的金发生快速、高效沉淀而爆发性地形成以自然金为主的胶东巨量金矿床 (范宏瑞等, 2021)。值得注意的是，图中所画的玄武岩和煌斑岩并非成矿母岩浆，而是主要反映地幔源区和幔源初始岩浆的信息。这些幔源初始岩浆在经历岩浆演化后会形成大量的闪长质岩浆，这些幔源演化的岩浆可能控制着大规模金矿床的形成 (Li et al., 2023)。上述工作得益于中国科学家对华北克拉通演化和胶东金矿床长期深入的研究，受国家自然科学基金项目 (42273023, 41722302)和“国家重点研发计划深地资源勘查开采”重点专项(2016YFC0600103)资助，发表在国际地学期刊Geological Society of America Bulletin上。
文章信息：Wang, X., Wang, Z., Zhang, W., Ma, L., Chen, W., Cai, Y.-C., Foley, S., Wang, C.Y., Li, J., Deng, J., Feng, Y., Zong, K., Hu, Z., Liu, Y., 2024. Sulfur isotopes of lamprophyres and implications for the control of metasomatized lithospheric mantle on the giant Jiaodong gold deposits, eastern China. GSA Bulletin. https://doi.org/10.1130/B37274.1Botcharnikov, R.E., Linnen, R.L., Wilke, M., Holtz, F., Jugo, P.J. and Berndt, J. (2011) High gold concentrations in sulphide-bearing magma under oxidizing conditions. Nat. Geosci. 4, 112-115.Deng, J., Yang, L.-Q., Groves, D.I., Zhang, L., Qiu, K.-F. and Wang, Q.-F. (2020) An integrated mineral system model for the gold deposits of the giant Jiaodong province, eastern China. Earth. Sci. Rev. 208, 103274.Li, Y., Feng, L., Kiseeva, E.S., Gao, Z., Guo, H., Du, Z., Wang, F. and Shi, L. (2019) An essential role for sulfur in sulfide-silicate melt partitioning of gold and magmatic gold transport at subduction settings. Earth. Planet. Sci. Lett. 528, 115850.Li, Z.-K., Li, J.-W., Sun, H.-S., Zhao, X.-F., Tomkins, A.G., Selby, D., Robinson, P.T., Deng, X.-D., Wang, Z., Yuan, Z.-Z. and Zhao, S.-R. (2023) Gold mineralized diorite beneath the Linglong ore field, North China craton: New insights into the origin of decratonization-related gold deposits. GSA Bulletin 10.1130/B36658.1 %J GSA Bulletin.Pokrovski, G.S., Akinfiev, N.N., Borisova, A.Y., Zotov, A.V. and Kouzmanov, K. (2014) Gold speciation and transport in geological fluids: insights from experiments and physical-chemical modelling. Geol. Soc. London Spec. Publ. 402, 9-70.Qiu, K.-F., Deng, J., Laflamme, C., Long, Z.-Y., Wan, R.-Q., Moynier, F., Yu, H.-C., Zhang, J.-Y., Ding, Z.-J. and Goldfarb, R. (2023) Giant Mesozoic gold ores derived from subducted oceanic slab and overlying sediments.Geochim. Cosmochim. Acta 343, 133-141.Saunders, J.E., Pearson, N.J., O’Reilly, S.Y. and Griffin, W.L. (2018) Gold in the mantle: A global assessment of abundance and redistribution processes. Lithos 322, 376-391.Wang, Q., Liu, X., Yin, R., Weng, W., Zhao, H., Yang, L., Zhai, D., Li, D., Ma, Y., Groves, D.I. and Deng, J. (2023) Metasomatized mantle sources for orogenic gold deposits hosted in high-grade metamorphic rocks: Evidence from Hg isotopes. Geology https://doi.org/10.1130/G51593.1.Wang, X., Wang, Z., Cheng, H., Foley, S., Xiong, L. and Hu, Z. (2020) Early cretaceous lamprophyre dyke swarms in Jiaodong Peninsula, eastern North China Craton, and implications for mantle metasomatism related to subduction. Lithos 368-369, 105593.Xiong, L., Zhao, X., Zhao, S., Lin, H., Lin, Z., Zhu, Z., Wang, Z., Li, M.Y.H. and Li, J. (2021) Formation of giant gold provinces by subduction-induced reactivation of fossilized, metasomatized continental lithospheric mantle in the North China Craton. Chem. Geol. 580, 120362.Zhu, R., Fan, H., Li, J., Meng, Q., Li, S. and Zeng, Q. (2015) Decratonic gold deposits. Sci. China Earth Sci. 58, 1523-1537.范宏瑞, 蓝廷广, 李兴辉, SANTOSH, M., 杨奎锋, 胡芳芳, 冯凯, 胡换龙, 彭红卫 and 张永文 (2021) 胶东金成矿系统的末端效应. 中国科学:地球科学, 1-20.汪在聪, 汪翔, 宗克清, 程怀, 王焰, 李建威 and 杨进辉 (2023) 华北克拉通壳幔演化与胶东巨量金成矿作用. 矿物岩石地球化学通报 42, 1-17.
